Diseño de nanomateriales con menos esfuerzo
Todos los materiales contienen esfuerzos residuales (esfuerzos intrínsecos que persisten en el interior de un material), normalmente debido a la forma en la que se han fabricado. «El rendimiento de los componentes puede mejorarse notablemente si se controlan y evalúan correctamente los esfuerzos residuales y eso ha sido precisamente lo que se ha investigado en ISTRESS», explicó Marco Sebastiani, científico de los materiales de la Universidad de Roma Tre (Italia) y coordinador del proyecto ISTRESS. El proyecto, financiado con fondos de la Unión Europea y de tres años de duración, terminó en 2016 y desarrolló métodos para analizar y modificar estos esfuerzos a escala nanométrica. «El control de los esfuerzos residuales es un factor muy importante para poder mejorar la fiabilidad y la resistencia de los nanomateriales», indicó Sebastiani. Los esfuerzos residuales tienen un efecto sobre las propiedades mecánicas, tales como la resistencia, la adherencia, la fricción y el desgaste. Esto es así en especial con los nanomateriales, tales como las películas delgadas empleadas en componentes de teléfonos móviles y materiales para prótesis médicas empleados en rodillas y caderas protésicas. «La distribución de los esfuerzos residuales a través de las interfaces puede afectar intensamente a los materiales laminares y, por ejemplo, puede provocar el fallo prematuro de los revestimientos de barrera térmica y las superaleaciones de los motores de los aviones», matizó Sebastiani. «La capacidad de diseñar, medir y controlar los esfuerzos residuales con una resolución de escala submicrométrica puede tener un efecto dramático sobre el rendimiento de dichos componentes», añadió. El consorcio de ISTRESS se propuso mejorar el análisis de esfuerzos residuales a escala nanométrica. Las técnicas establecidas son caras y, por lo tanto, a menudo no están disponibles para el sector. ISTRESS ha intentado suplir esta carencia con un método innovador de alta resolución para la medición de los esfuerzos residuales, con una resolución espacial de escala submicrométrica y, además, a un coste razonable. El equipo desarrolló un método de tres pasos que utiliza un haz de iones focalizado (FIB) para eliminar cantidades nanométricas del material sometido a pruebas. Con un microscopio electrónico de barrido (SEM) y correlación digital de imágenes (DIC), que es un método de análisis de imágenes que hace un seguimiento de los cambios en las imágenes, se miden los esfuerzos residuales mediante la detección de los cambios de forma (conocidos como relajación) asociados a la eliminación de material. El método (FIB-SEM-DIC) está totalmente automatizado, de manera que una medición completa se puede realizar en una hora, utilizando microscopios diseñados y fabricados por la empresa checa TESCAN (un socio de pleno derecho de ISTRESS). El equipo estuvo en comunicación con dos organizaciones de normalización de la industria, el Comité Europeo de Normalización (CEN) y el Proyecto Versalles sobre Materiales Avanzados y Normas (VAMAS), a fin de establecer una metodología normalizada, que se puso a prueba con muestras de referencia industrialmente pertinentes. Dos socios industriales ya han utilizado el método para optimizar el desarrollo de nuevos materiales. La empresa alemana Bosch desarrolló un revestimiento multicapa innovador para las válvulas de los sistemas de inyección de los motores diésel. Al ajustar los perfiles de esfuerzos residuales, lograron un aumento notable de la resistencia al desgaste de los componentes, sin aumentar los costes de producción. La empresa multinacional francesa Thales ha ajustado y mejorado las distribuciones de esfuerzos en un innovador sistema microelectromecánico que ha desarrollado para su aplicación en la aviónica, y ha logrado mejorar su rendimiento sin ningún coste adicional. Para la industria, este nuevo método proporciona acceso a métodos de optimización del diseño que previamente no eran económicos. «La adquisición de un microscopio FIB es difícil para las pymes, pero hemos logrado el nivel necesario de automatización que permite que las empresas puedan acceder a este método tan solo con alquilar un día de uso de un FIB», concluyó Sebastiani. «Varias empresas europeas que no formaban parte del consorcio de ISTRESS ya están utilizando este nuevo método para desarrollar sus propios productos».
Palabras clave
ISTRESS, materiales nanoestructurados, películas delgadas, esfuerzos intrínsecos, esfuerzos residuales, haz de iones focalizado, FIB, microscopía electrónica de barrido, SEM, correlación digital de imágenes, DIC
