Synthesis and processing of SiC-based composite materials by reactive infiltration

Resumen

El principal objetivo de esta tesis, es el estudio del proceso de infiltración reactiva para la síntesis de materiales compuestos de base de carburo de silicio (SiC). Dichos materiales presentan un gran interés industrial, pudiendo aplicarse en numerosos campos, desde la industria automotriz y aeroespacial hasta la biomédica. El proceso de infiltración reactiva ha sido ampliamente estudiado en la última década, habiéndose logrado grandes procesos y avances sobre todo en el entendimiento de los fundamentos físico-químicos que lo gobiernan. Sin embargo, aún existen numerosas incógnitas sobre el efecto que muchos parámetros de procesado tienen sobre el mismo. Además, aunque el problema del carbón residual ha sido ampliamente estudiado y en gran medida solventado, el problema del silicio residual inherente al método sigue siendo hoy en día el principal factor que limita las aplicaciones de los materiales preparados por esta vía. En la presente tesis se plantea una método mediante el cual sería posible el reemplazo de dicho silicio residual por una fase con mayor tenacidad de fractura sin necesidad de modificar sustancialmente las condiciones de infiltración. Además, debido a la relación del presente trabajo con el proyecto europeo H.E.L.M. se estudia el uso de tecnologías híbridas de microondas como fuente de energía alternativa para llevar a cabo el proceso de infiltración reactiva para la síntesis de materiales compuestos, ya que éstas son más eficientes, tanto del punto de vista energético como medioambiental. En base a los resultados obtenidos en dicho proyecto, se estudia la posible formación de puntos calientes durante la síntesis asistida por microondas y los efectos que éstos tienen sobre la microestructura y las propiedades térmicas y mecánicas de los materiales compuestos. En la presente tesis se han obtenido las siguientes conclusiones generales: - La infiltración reactiva de Si puro en preformas porosas que contienen carbón puede estar controlada por el flujo del fluido en el medio poroso o por la reacción química de formación de SiC en el frente de infiltración en función del contenido en carbono reactivo, pero en cualquier caso el proceso se encuentra limitado por la cinética de disolución de carbón en el silicio fundido. - Aunque la infiltración de Si en preformas que contienen carbón procede de forma espontánea en atmósfera dinámica de argón, una atmósfera de vacío facilita el proceso y su uso produce materiales compuestos más compactos y con menor porosidad residual. Dependiendo del montaje experimental, la infiltración en flujo de argón puede generar porosidad debido al gas atrapado en los poros de la preforma durante el proceso de infiltración. - La mojadura de aleaciones de Si-Co sobre materiales de carbono está condicionada por la formación de SiC en la interfase sólido/líquido/vapor, y la cinética de mojadura se encuentra limitada por la velocidad de disolución de carbono en el líquido. - Las aleaciones de Si-Co con un alto contenido en Si mojan e infiltran espontáneamente materiales de carbono porosos formando una interfase de SiC. Los materiales compuestos obtenidos mediante infiltración con aleaciones Si-Co son densos, con baja porosidad residual, y no muestran indicios de fenómenos de descohesión de las fases por incompatibilidad térmica. - La presencia de CoSi2 en los materiales compuestos de SiCp/Si-CoSi2 parece incrementar la resistencia a flexión del material. Sin embargo, debido al procedimiento experimental seguido en este trabajo, el tamaño de grano obtenido es demasiado grande. Esto puede solucionarse controlando la velocidad de enfriamiento después de la síntesis, utilizando por ejemplo tecnologías de inducción, de manera que se disminuya el tamaño de grano de las distintas fases, mejorando así aún más las propiedades mecánicas del material compuesto. - La presencia de CoSi2 en los materiales compuestos de SiCp/Si-CoSi2 parece disminuir la resistencia a compresión del material a velocidades de deformación bajas (10 -3 s-1). Parece ser que debido a la mayor tenacidad de fractura del CoSi2, la fractura del material bajo esfuerzos compresivos ocurre a través de la fase de Si, especialmente a través de las grandes dendritas pre-eutécticas formadas durante el enfriamiento. Como consecuencia, se observan en las superficies de fractura partículas de SiC embebidas en grandes áreas de CoSi2 que no han roto durante el ensayo. Esto equivaldría a tener partículas dentro del material de mayor tamaño, explicando el descenso de la resistencia a compresión de los materiales compuestos que contienen CoSi2. - La presencia de CoSi2 en los materiales compuestos de SiCp/Si-CoSi2 parece incrementar la resistencia a compresión del material a velocidades de deformación altas (102-103 s-1). Debido a que existe una transición en el mecanismo de fractura desde un mecanismo interpartícula a bajas velocidades de deformación a uno inter/intrapartícula a altas velocidades de deformación, la mayor tenacidad de fractura del CoSi2 ocasiona que se requiera mayor energía para producir la fractura, generando un aumento en la resistencia a compresión del material. - Los materiales compuestos SiCp/Si-CoSi2 muestran una mayor resistencia a compresión cuanto mayor es la velocidad de deformación. Esto los convierte en candidatos ideales para su uso en sistemas de protección ante impacto más eficientes. - Al simular los puntos calientes mediante tratamientos a alta temperatura (1800, 2000, 2200 ºC) y analizar los cambios microestructurales en los materiales compuestos de Cf/SiC, se ha podido confirmar que se forman puntos calientes durante la síntesis de materiales de Cf/SiC mediante infiltración reactiva asistida por microondas. - La formación de puntos calientes durante la síntesis de materiales compuestos de Cf/SiC tiene un efecto negativo sobre el rendimiento del material. Los tratamientos de alta temperatura mejoran las propiedades intrínsecas de las distintas fases (conductividad térmica y dureza), pero la evaporación de Si genera nueva porosidad en el material ocasiona un aumento en la fragilidad del material compuesto y disminuye su tenacidad de fractura. - La evaporación de Si es el proceso operativo principal que causa daños al material compuesto durante la infiltración asistida por microondas. Este fenómeno genera nueva porosidad, ocasiona daño por disolución a las fibras de carbono y genera un ligero hinchamiento de las preformas. Por otro lado la densificación de las fases de carbono (grafitización parcial) es otro proceso activo que promueve una mejora de las propiedades intrínsecas de las fases del material compuesto, contraponiéndose al hinchamiento generado por la evaporación de Si.