Los materiales avanzados se refieren a aquellos recientemente investigados o en desarrollo que tienen un rendimiento excepcional y funcionalidades especiales. Estos materiales son de suma importancia para el avance de la ciencia y la tecnología, especialmente en industrias emergentes y de alta tecnología.
Este artículo proporciona una breve introducción a algunos de estos materiales de ingeniería innovadores.
1. Fibras ópticas
Las fibras ópticas, abreviadas como fibras, son fibras ópticas que se utilizan para transmitir información luminosa. Como medio para transmitir ondas de luz, las fibras típicas constan de un núcleo con un índice de refracción alto y un revestimiento con un índice de refracción más bajo. En aplicaciones prácticas, se combinan cientos o incluso miles de fibras en un determinado tipo de estructura de cable.
Para la transmisión a larga distancia, se necesitan repetidores ópticos para restaurar las señales luminosas que disminuyen gradualmente durante la transmisión. Las dos características principales de las fibras ópticas son la pérdida de luz y el ancho de banda de transmisión; el primero determina la distancia de transmisión, mientras que el segundo rige la capacidad de información.
Actualmente, el desarrollo de la fibra óptica se centra en aumentar la distancia sin repetidores, reducir las pérdidas y avanzar hacia longitudes de onda superlargas y bandas de frecuencia ultraanchas. Los siguientes son algunos tipos de fibras ópticas que se han desarrollado y utilizado:
(1) Fibras de Cuarzo
Actualmente, las fibras de comunicación se componen principalmente de vidrio de cuarzo fundido de alta pureza. Las fibras de cuarzo son químicamente estables, tienen un pequeño coeficiente de expansión, excelente confiabilidad a largo plazo y abundantes recursos. Sin embargo, son algo frágiles y una mayor reducción de la pérdida de luz es limitada.
(2) Fibras Plásticas
El material central de las fibras plásticas puede ser polimetilmetacrilato (PMMA) y poliestireno (PS), con materiales de cobertura de fibras que pueden ser fluoresina sobre PMMA o PMMA sobre material PS. Las fibras plásticas tienen muchas ventajas, como una excelente flexibilidad, alta resistencia a la rotura, peso ligero, bajo costo y procesamiento sencillo.
Sin embargo, debido a la alta pérdida de transmisión, sus aplicaciones se centran principalmente en la transmisión de energía e información de imágenes en distancias cortas.
(3) Fibras compuestas de sulfuro
La fibra de vidrio compuesta de sulfuro más típica es el sistema As-S, que tiene un alto punto de fusión y buena procesabilidad.
(4) Fibras de cristal de halogenuros
Las fibras de cristales de haluro incluyen CsBr y CrI monocristalinos y TiBrI policristalino, entre otros. Las fibras de cristal demuestran una baja pérdida en un amplio ancho de banda de longitud de onda de 1 a 10 μm y pueden usarse para la transmisión de láser de gas CO.
(5) Vidrio fluorado
Los materiales prometedores para fibras infrarrojas de pérdida ultrabaja que se están estudiando actualmente incluyen vidrio de silicato de fluoruro de circonio (hafnio), vidrio de aluminato de fluoruro y vidrio de fluoruro compuesto principalmente de óxido de torio y fluoruros de tierras raras.
Entre ellos, el vidrio de silicato de circonio (hafnio) se considera el material más prometedor para fibras de comunicación de longitud de onda larga, con características como amplio rango de longitud de onda, baja dispersión y buena procesabilidad.
Las fibras ópticas se pueden utilizar para la transmisión de información informática, lo que permite el establecimiento de redes informáticas flexibles, de alta velocidad y a gran escala para la recuperación de datos, transacciones de cuentas bancarias, contratos de futuros y, potencialmente, transmisión de imágenes holográficas a larga distancia. También se pueden utilizar para transmitir láseres de alta intensidad y fabricar sensores de fibra óptica, entre otras aplicaciones.
2. Materiales superconductores
En 1911, la física holandesa Heike Kamerlingh Onnes descubrió una desaparición repentina de la resistencia del mercurio a la temperatura del nitrógeno líquido, 4,2 K. Este fenómeno se conoce como superconductividad y los materiales que lo presentan se denominan superconductores.
El estado en el que un superconductor entra en resistencia cero se llama estado superconductor. La temperatura a la que aparece la superconductividad se define como temperatura crítica, denominada T, y se mide en Kelvin (K), la escala de temperatura termodinámica.
Posteriormente se descubrió que si un superconductor se enfría en un campo magnético, en el punto donde desaparece la resistencia del material, las líneas del campo magnético son expulsadas del conductor, fenómeno conocido como diamagnetismo perfecto o efecto Meissner. La superconductividad y el diamagnetismo son las dos características principales de los superconductores.
Los materiales superconductores tienen aplicaciones en diversos campos, incluidos la energía, el transporte, la información, las ciencias fundamentales y la atención sanitaria. Por ejemplo, en los sistemas eléctricos, el almacenamiento de energía superconductor es actualmente el método de almacenamiento más eficiente y el uso de la transmisión superconductora puede reducir significativamente la pérdida de energía.
Los imanes superconductores, con sus elevados campos magnéticos, baja pérdida de energía y peso ligero, se pueden utilizar para la generación de energía magnetohidrodinámica, convirtiendo directamente la energía térmica en energía eléctrica y aumentando significativamente la producción de energía de los generadores.
El uso de túneles superconductores puede crear varios dispositivos caracterizados por alta sensibilidad, bajo ruido, respuesta rápida y baja pérdida, adecuados para la detección de ondas electromagnéticas y promoviendo la practicidad de las tecnologías de prueba y medición de precisión. En el ámbito de las computadoras, las computadoras de unión Josephson hechas de materiales superconductores pueden realizar diez cálculos de alta velocidad por segundo, con un tamaño pequeño y una gran capacidad.
El efecto de levitación magnética producido entre superconductores y campos magnéticos se puede utilizar para crear trenes maglev superconductores. Además, los enormes campos magnéticos generados por los superconductores pueden utilizarse en reacciones termonucleares controladas.
3. Materiales amortiguadores de vibraciones.
Las aleaciones de amortiguación de vibraciones son materiales funcionales que tienen capacidades de amortiguación de vibraciones al tiempo que mantienen la resistencia estructural requerida. Son aleaciones con alta fricción interna, lo que permite una rápida disminución de las vibraciones. Dependiendo de sus mecanismos de amortiguación, las aleaciones amortiguadoras de vibraciones se pueden clasificar en tipos multifásicos, ferromagnéticos, hermanados y discordantes.
(1) Aleaciones multifásicas
Las aleaciones multifásicas comprenden dos o más fases, presentando generalmente una segunda fase más blanda distribuida sobre una matriz más dura. Utilizan la deformación plástica repetida de la segunda fase de la aleación para convertir la energía vibratoria en calor de fricción para amortiguar.
El hierro fundido gris con grafito en escamas es la aleación de amortiguación multifásica más utilizada y normalmente se emplea en bases de máquinas herramienta, cigüeñales, levas, etc. La aleación Al-Zn es otra aleación de amortiguación multifásica típica que se utiliza en dispositivos como amplificadores estéreo.
(2) Aleaciones ferromagnéticas
Estas aleaciones utilizan la magnetoestricción de materiales ferromagnéticos y la rotación y movimiento de dominios magnéticos durante la vibración para consumir energía vibratoria para amortiguar. El acero al cromo con un contenido de cromo del 12% y las aleaciones Fe-Cr-Al son ejemplos de aleaciones de amortiguación ferromagnéticas, utilizadas en álabes de turbinas de vapor, engranajes de instrumentos de precisión, etc.
(3) Ligas hermanadas
Las aleaciones macladas utilizan la formación de estructuras macladas finas durante el cambio de fase, absorbiendo energía vibratoria a través del movimiento de los límites de los granos maclados. Por ejemplo, la aleación Mn-Cu-Ni-Fe recientemente desarrollada en Japón puede reducir a la mitad la amplitud en una sola vibración, adecuada para piezas de motores, carcasas de motores, piezas de lavadoras, etc.
(4) Ligas de dislocación
Las aleaciones de dislocaciones absorben energía vibratoria debido a la vibración mutua entre las dislocaciones y los átomos intersticiales. El Mg-Zr (aleación w Zr A =6%), por ejemplo, se utiliza en girocompáss para guiar misiles y en porta instrumentos de precisión como dispositivos de control, asegurando su funcionamiento normal.
La aleación de Mg-MgNi no solo tiene excelentes propiedades de amortiguación, sino también alta resistencia y baja densidad, lo que la convierte en un excelente material de amortiguación de vibraciones para la industria aeroespacial.
4. Materiales de baja temperatura
El modo de falla más peligroso de los materiales a bajas temperaturas es la fractura frágil a baja temperatura. Por lo tanto, los materiales que funcionan a bajas temperaturas deben tener una excelente tenacidad a bajas temperaturas. Además, para evitar deformaciones térmicas provocadas por los cambios entre la temperatura ambiente y las bajas, estos materiales deben tener un menor coeficiente de expansión térmica y una buena trabajabilidad.
Los materiales utilizados bajo campos magnéticos a bajas temperaturas normalmente deberían ser no magnéticos. Los materiales metálicos de baja temperatura incluyen principalmente acero ferrítico de baja aleación, acero inoxidable austenítico, acero al níquel, acero dúplex, superaleaciones a base de hierro-níquel, aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre, aleaciones de titanio, etc.
Según las diferentes temperaturas de uso, los materiales de baja temperatura de uso común se pueden dividir aproximadamente en las siguientes tres categorías:
(1) Materiales para -40 a -100 ℃: Los materiales de baja temperatura utilizados en este rango de temperatura son principalmente acero con bajo contenido de carbono y acero de baja aleación, como acero aleado con 3,5% w de No y acero al manganeso con bajo contenido de carbono y aluminio 06MnVAl, con su temperatura de uso más baja es -130°C.
Se utilizan principalmente en industrias petroquímicas, equipos de refrigeración, estructuras de ingeniería en regiones frías, gasoductos y compresores, bombas y válvulas que funcionan a baja temperatura.
(2) Materiales para -160 a -196 °C: Los materiales de baja temperatura utilizados en este rango de temperatura son principalmente para las industrias de producción de oxígeno y gas natural licuado.
Los tipos incluyen acero inoxidable austenítico 18-8, que tiene una excelente tenacidad a bajas temperaturas pero menor resistencia y mayor coeficiente de expansión; Acero de baja temperatura a base de níquel, como acero con 9% w No (c c <0,1%), Ni (w No =5%) -Mo (w Mo =0,2%) acero, que tiene alta resistencia y buena temperatura a baja temperatura. dureza, soldabilidad confiable y se usa cada vez más; Acero austenítico con alto contenido de manganeso 20Mn23Al, aleación de aluminio 5083, etc.
(3) Materiales de temperatura ultrabaja de -253 a -269°C: este tipo de materiales se utilizan principalmente para fabricar contenedores para almacenar y transportar hidrógeno líquido y cloro líquido, así como piezas de dispositivos superconductores con fuertes campos magnéticos.
Las aleaciones de temperatura ultrabaja que se han desarrollado y están bajo investigación incluyen principalmente: acero inoxidable austenítico de temperatura ultrabaja formado añadiendo carbono y nitrógeno al acero inoxidable tipo 18-8; acero inoxidable austenítico con alto contenido en manganeso 15Mn26Al4; Acero Ni (w No =12%) -Ti (w Ti =0,25%), Ni (w No =13%) -Mo (W Mo =3%) y aleaciones a base de Ni.
5. Materiales con memoria de forma
A diferencia de los materiales ordinarios, la característica distintiva de los materiales con memoria de forma es que conservan su deformación cuando se aplica tensión a bajas temperaturas y no desaparecen una vez que se elimina la tensión. Sin embargo, cuando se calienta por encima de una cierta temperatura crítica intrínseca, el material puede recuperar completamente su forma geométrica previa a la deformación, como si recordara su forma original.
Este fenómeno se conoce como efecto de memoria de forma. Los materiales que exhiben este efecto se denominan materiales con memoria de forma. Tanto los materiales con memoria metálica como los cerámicos exhiben el efecto de memoria de forma a través de la transformación de fase martensítica, mientras que los materiales con memoria polimérica exhiben este efecto debido a cambios en su estructura de cadena con la temperatura.
Los materiales con memoria de forma son principalmente aleaciones con memoria de forma, de las cuales se utilizan docenas en la actualidad. Se pueden dividir a grandes rasgos en:
1) A base de níquel-titanio (Ni-Ti): compuestas de níquel y titanio en una proporción atómica de 1:1, estas aleaciones tienen excelentes efectos de memoria de forma, alta resistencia al calor, resistencia a la corrosión, resistencia y dureza a la fatiga térmica incomparable junto con Excelente biocompatibilidad. Sin embargo, el alto coste de las materias primas y los difíciles procesos de fabricación los hacen caros y difíciles de mecanizar.
2) A base de cobre: Las aleaciones a base de cobre son baratas, fáciles de producir, tienen buenos efectos de memoria de forma, baja resistividad y buena maquinabilidad. Sin embargo, la tasa de recuperación de la forma disminuye con el uso prolongado o repetido, lo cual es un problema que debe resolverse. Las aleaciones a base de cobre más prácticas son Cu-Zn-Al, y otras incluyen Cu-Al-Mn y Cu-Al-Ni.
3) A base de hierro: las aleaciones con memoria de forma a base de hierro tienen alta resistencia, buena plasticidad y son baratas, lo que gradualmente está ganando atención. Las aleaciones con memoria a base de hierro actualmente en desarrollo e investigación incluyen principalmente Fe-Mn-Si y Fe-N-Co-Ti.
Recientemente, se ha descubierto el efecto de memoria de forma en materiales cerámicos, materiales poliméricos y materiales superconductores, cada uno con sus características únicas, ampliando aún más las perspectivas de aplicación de los materiales con memoria.
Los materiales con memoria de forma se han aplicado ampliamente en los campos de la aviación, la industria aeroespacial, la maquinaria, la electrónica, la energía, la medicina y la vida diaria. Por ejemplo, una compañía de aviación estadounidense utilizó el efecto de memoria de forma para resolver el problema de conectar tuberías de aceite difíciles de soldar en el avión de combate F-14.
6. Materiales de almacenamiento de hidrógeno
El hidrógeno, al ser una fuente de energía libre de contaminación y abundantemente disponible en la Tierra, debería ser una fuente de energía primaria en el futuro. Sin embargo, el almacenamiento de hidrógeno representa un desafío importante. Un material funcional que puede absorber y almacenar hidrógeno en forma de hidruros metálicos y liberar el hidrógeno almacenado cuando sea necesario se denomina material de almacenamiento de hidrógeno.
Los materiales de almacenamiento de hidrógeno absorben hidrógeno para formar hidruros metálicos y liberan calor al enfriarse o presurizarse. Por otro lado, vuelven a convertirse en metal e hidrógeno, liberando gas hidrógeno y absorbiendo calor cuando se calientan o se despresurizan. La densidad del hidrógeno en los materiales de almacenamiento de hidrógeno es de 1.000 a 1.300 veces la del hidrógeno gaseoso.
Actualmente, los principales materiales de almacenamiento de hidrógeno en estudio y desarrollo incluyen:
A base de magnesio: Estos materiales tienen una gran capacidad de almacenamiento de hidrógeno y son de bajo coste. La desventaja es que necesitan temperaturas superiores a 250°C para liberar hidrógeno. Los ejemplos incluyen Mg2Ni, Mg2Cu, etc.
A base de titanio: las aleaciones de almacenamiento de hidrógeno a base de titanio tienen una gran capacidad de absorción de hidrógeno, se activan fácilmente a temperatura ambiente, son de bajo costo y adecuadas para aplicaciones a gran escala. Los ejemplos incluyen aleaciones binarias como titanio-manganeso, titanio-cromo y aleaciones ternarias y multielementos como titanio-manganeso-cromo, titanio-circonio-cromo-manganeso, etc.
A base de circonio: se caracterizan por excelentes propiedades de almacenamiento de hidrógeno incluso a temperaturas superiores a 100 °C, pueden absorber y liberar grandes cantidades de hidrógeno de forma rápida y eficiente, lo que los hace adecuados para materiales de almacenamiento de hidrógeno a alta temperatura. Los ejemplos incluyen ZrCr2, ZrMn2, etc.
A base de tierras raras: las aleaciones de almacenamiento de hidrógeno de tierras raras, representadas por la aleación de níquel-lantano LaNi, tienen buenas propiedades de absorción de hidrógeno y se activan fácilmente. Liberan hidrógeno rápidamente a temperaturas superiores a 40°C, pero su coste es relativamente alto.
Para reducir costos y mejorar el rendimiento, las tierras raras mixtas pueden reemplazar al lantano, u otros elementos metálicos pueden reemplazar parcialmente la aleación de almacenamiento de hidrógeno de elementos múltiples formada por tierras raras mixtas y Ni.
A base de hierro: La aleación de almacenamiento de hidrógeno a base de hierro más común es la aleación de hierro y titanio. Tiene excelentes propiedades de almacenamiento de hidrógeno y es de bajo costo, pero la activación es relativamente difícil.
7. Materiales magnéticos
Los materiales en la naturaleza se pueden clasificar en tres tipos según sus propiedades magnéticas: diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos. Los materiales magnéticos son sustancias que poseen ferromagnetismo.
Los materiales magnéticos son esenciales en industrias como la electrónica, la energía, los motores eléctricos, la instrumentación y las telecomunicaciones. Según sus propiedades magnéticas, los materiales magnéticos se pueden clasificar en materiales magnéticos blandos y materiales magnéticos duros.
Los materiales magnéticos blandos son aquellos que se magnetizan fácilmente bajo un campo magnético externo y se desmagnetizan fácilmente cuando se elimina el campo externo. Se caracterizan por una alta permeabilidad, alta resistencia a la inducción magnética, baja coercitividad y mínima pérdida de energía durante la magnetización y desmagnetización.
Existen muchos tipos de materiales magnéticos blandos, siendo los más comunes el hierro eléctrico puro, las láminas de acero al silicio, las aleaciones Fe-Al, las aleaciones Fe-Ni y los materiales magnéticos blandos de ferrita.
Los materiales magnéticos duros, también conocidos como materiales magnéticos permanentes, son aquellos que pueden generar un campo magnético sin fuente de alimentación externa una vez magnetizados.
Estos materiales se caracterizan por una considerable coercitividad y magnetismo residual y se utilizan ampliamente en instrumentos magnetoeléctricos, altavoces, generadores de imanes permanentes y dispositivos de comunicación.
Los materiales magnéticos duros actualmente en uso y en estudio se pueden dividir en materiales magnéticos duros metálicos, materiales magnéticos duros de ferrita, materiales magnéticos duros de tierras raras y materiales magnéticos duros de neodimio-hierro-boro.
Además, existen algunos materiales magnéticos para fines especiales, como materiales de memoria magnética para registrar información (fabricación de cintas magnéticas, discos magnéticos, etc.), materiales utilizados para cabezales de grabación, materiales de memoria magnética en computadoras electrónicas y materiales de compensación magnética en instrumentos de precisión.
