Procedimiento para la fabricación de compuestos nanoestructurados y compuesto así obtenido,

que consiste en situar entre dos punzones cilíndricos una muestra de ensayo formada por partes de un disco circular que se disponen en continuidad, una seguida de la otra, con un contacto permanente por sus costados correspondientes a sus radios, con un punto de convergencia en el centro del conjunto; y someter simultáneamente a dicha partes del disco circular a altas cargas axiales y a un esfuerzo de torsión ejercido por el giro de un punzón cilíndrico con respecto al otro, durante un número de "N" giros, igual o superior a dos giros, obteniéndose un compuesto constituido por, al menos, dos materiales (A) y (B), presentando "N" capas de cada material, intercaladas, formando una doble hélice interpenetrada con una unión mecánica entre ambas hélices, y en donde todas las capas parten del eje central del compuesto según una distribución uniforme

Procedimiento para la fabricación de compuestos nanoestructurados y compuesto así obtenido.

Sector de la técnica

La presente invención esta relacionada con el procesamiento mecánico de materiales mediante procesos de deformación plástica, proponiendo un procedimiento para la fabricación de compuestos nanoestructurados multicapa mediante la técnica de deformación plástica de torsión bajo presión.

Estado de la técnica

Los materiales nanoestrucuturados han suscitado gran interés en los últimos años debido a sus propiedades mecánicas y físicas, estos materiales nanoestructurados hacen referencia a materiales o componentes que están formados por partículas o granos nanocristalinos inferiores a 100 nm.

En particular estos materiales exhiben propiedades mecánicas que son considerablemente diferentes a las de materiales semejantes de grano más grueso, concretamente es muy conocido el efecto beneficioso que una reducción del tamaño del grano tiene sobre la resistencia (efecto Hall-Petch) y sobre la tenacidad de los materiales, igualmente esta reducción ha demostrado mejorar sustancialmente las propiedades magnéticas, termoeléctricas, químicas, etc.

Existen diversos procesos de fabricación para obtener materiales nanoestrucuturados, entre los cuales se encuentran las técnicas superficiales de deposición (PVD "Phase Vapour Deposition" o CVD "Chemical Vapour Deposition", electrodeposición), solidificación rápida y procesos relacionados con la metalurgia de polvos.

A este respecto, las técnicas superficiales de deposición sólo permiten obtener un recubrimiento nanoestructurado sobre un sustrato, el cual generalmente no abarca más que unas decenas de mieras en superficie; en cambio mediante las técnicas pulvimetalúrgicas se pueden obtener materiales masivos nanoestrucuturados, sin embargo, la inevitable presencia de porosidad residual derivada de esta técnica puede degradar las propiedades mecánicas y físicas de los materiales nanoestrucuturados obtenidos.

En los últimos años se han desarrollado algunas técnicas para obtener materiales masivos nanoestructurados basados en procesos de deformación plástica, los cuales consisten en reducir el tamaño del grano de materiales masivos mediante la aplicación de grandes deformaciones plásticas a temperaturas bajas, sin alterar de un modo significativo las dimensiones de las muestras de ensayo.

Entre los procesos de deformación plástica se encuentra la laminación acumulada (ARB, Acumulative roll-blonding), en donde se reduce sistemáticamente por laminación el espesor de una muestra de ensayo en forma de una chapa. La chapa es doblada o dividida en dos, de manera que se superponen las partes de la chapa y se hacen pasar por un tren de laminación compuesto de rodillos contrapuestos, este proceso se repite continuamente pudiendo acumular la chapa una deformación indefinida, sin embargo con esta técnica no se consigue una buena unión entre las chapas colaminadas, siendo necesario para ello, el aplicar durante el proceso temperaturas moderadas que van en perjuicio de la obtención de un tamaño de grano nanométrico.

Otra técnica de deformación plástica es la extrusión en canal angular constante (ECAP, Equal Channel Angular Pressure), en donde una muestra de ensayo en forma de una barra de material sólido, se hace pasar a través de un canal de sección constante que interseca con otro canal de igual sección en un ángulo de intersección determinado, siendo la deformación así obtenida en la barra función del ángulo de intersección entre canales (para 90º, una deformación \varepsilon \approx 1, siendo \varepsilon = ln(l/lo), donde "lo" es la longitud inicial de la barra y "l" la longitud final). Con esta técnica no se alteran las dimensiones de la muestra de ensayo, siendo la sección de la barra en la salida del canal la misma que en la entrada, de modo que el proceso se puede repetir indefinidamente aplicando grandes deformaciones, sin embargo, esta técnica esta limitada por la ductilidad de las muestras de ensayo, debiendo ser ésta lo suficientemente grande como para evitar la aparición de grietas.

Otra técnica más de deformación plástica es la torsión bajo presión (HPT, High Pressure Torsión), en donde una muestra de ensayo con forma de disco circular se encaja entre dos punzones enfrentados que son sometidos a altas cargas axiales, de manera que uno de los punzones cilíndricos gira deformando la muestra por torsión debido al par que ejercen por fricción ambos punzones. La muestra es sometida a fuertes presiones hidrostáticas (del orden de 1-6 GPa), de modo que se impide la formación de grietas, pudiendo ser la deformación acumulable ilimitada. Esta técnica es fácilmente escalable, y la gran presión hidrostática inducida permite procesar materiales tanto dúctiles como frágiles.

Es conocida la solución de Kündig et al. (Kündig, A.A. et al., Metallic glass/polymer composites by coprocessing at similar viscosities. Scripta Materialia, 2007. 56(4):p.289), la cual describe un proceso de deformación plástica basado en la técnica de torsión bajo presión, en donde en una primera fase se sitúa una barra de vidrio metálico en el centro de un troquel, llenándose el volumen restante del troquel con dos cortes de polímero y encerrándose la muestra así dispuesta por medio de un segundo troquel superior, para que en una segunda fase se realice un giro completo del troquel superior ejerciéndose una presión por torsión sobre la muestra.

Con esta técnica se forma un compuesto con dos capas de vidrio metálico y dos capas de polímero, sin embargo con esta solución no se consigue una estructura heterogénea en todo el compuesto, debido a que en el centro del mismo, correspondiente al eje de giro del troquel, queda un núcleo residual formado únicamente por vidrio metálico, igualmente no se consigue un grado de imbricación eficiente entre el vidrio metálico y el polímero, separándose la mayor parte de la zona de adhesión entre ambos componentes.

Objeto de la invención

De acuerdo con la presente invención se propone un procedimiento para la obtención de compuestos nanoestructurados multicapa mediante la aplicación de la técnica de deformación plástica de torsión bajo presión, siendo este procedimiento de aplicación preferente para el procesamiento de metales, no siendo esto un hecho limitativo, pudiéndose procesar cualquier otro tipo de material.

El procedimiento objeto de la invención se basa en someter a una muestra de ensayo, con forma de disco circular, a un esfuerzo de torsión bajo presión ejercido por dos punzones cilíndricos enfrentados que están sometidos a altas cargas axiales y en donde uno tiene un movimiento rotacional con respecto al otro.

Así, en una primera fase la muestra de ensayo se dispone encajada entre los punzones cilíndricos, estando la muestra de ensayo formada por partes de un disco circular de diferentes materiales, partes éstas que en caso de ser un número de dos, adoptan una configuración semicircular, de manera que las dos partes de disco están en contacto permanente por sus costados correspondientes a sus radios.

En esta disposición, en una segunda fase del procedimiento las dos partes de disco circular son sometidas a altas cargas axiales, y al mismo tiempo a un esfuerzo de torsión ejercido por el giro de un punzón cilíndrico con respecto al otro, de manera que se realizan "N" giros, siendo "N" igual o superior a dos giros, obteniéndose tras este proceso un compuesto sólido nanoestructurado multicapa, formado por "N" capas de la unión de los materiales que conforman las partes de disco, y en donde todas ellas parten del eje central del compuesto según una distribución uniforme, quedando así las partes de disco intercaladas entre sí formando unas hélices interpenetradas.

Según otro ejemplo de realización de la invención, la muestra de ensayo puede estar formada por más de dos partes de disco circular, adoptando estas partes una configuración en sector circular, de manera que se disponen en continuidad, una seguida de la otra, en contacto por sus costados correspondientes a sus radios, y presentando siempre al menos un punto de contacto común en donde convergen todas las partes, el cual coincide con el eje de giro del punzón cilíndrico.

Se obtiene así un procedimiento que mejora las características mecánicas de los compuestos obtenidos mediante las soluciones anteriores y el cual permite obtener compuestos nanoestructurados...

1. Procedimiento para la fabricación de compuestos nanoestructurados, del tipo en el que una muestra con forma de disco circular se dispone encajada entre dos punzones cilíndricos enfrentados que son sometidos a altas cargas axiales, girando al mismo tiempo uno de los punzones respecto del otro, caracterizado porque, en una primera fase se dispone entre los dos punzones cilíndricos una muestra de ensayo formada por partes de un disco circular, partes estas que se disponen en continuidad, una seguida de la otra, con un contacto permanente por sus costados correspondientes a sus radios, con un punto de convergencia en el centro del conjunto; y en una segunda fase dichas partes del disco circular son sometidas a altas cargas axiales, y al mismo tiempo a un esfuerzo de torsión ejercido por el giro de un punzón cilíndrico con respecto al otro, durante un número de "N" giros, siendo "N" igual o superior a dos giros.

2. Procedimiento para la fabricación de compuestos nanoestructurados, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque la muestra de ensayo está formada por dos partes en forma de semicírculo, siendo una de las partes de un material (A) y la otra parte de un material (B).

3. Procedimiento para la fabricación de compuestos nanoestructurados, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque la muestra de ensayo está formada por múltiples partes que adoptan una configuración sectorial, siendo las distintas partes de diferentes materiales (A₁, A₂, A₃,..., A_n).

4. Compuesto nanoestructurado obtenido mediante el proceso de la primera reivindicación, caracterizado porque se constituye por, al menos, dos materiales (A y B) diferentes según una composición nanoestructurada multicapa, presentado "N" capas de material (A) y "N" capas de material (B), intercaladas, formando una doble hélice interpenetrada de los materiales (A) y (B), con una unión mecánica entre ambas hélices, y en donde todas las capas parten del eje central del compuesto según una distribución uniforme.

5. Compuesto nanoestructurado de acuerdo con la cuarta reivindicación, caracterizado porque se constituye por múltiples materiales (A₁, A₂, A₃,..., A_n) según una composición nanoestructurada multicapa, presentando "N" capas (C₁, C₂,..., C_n), cada una de las cuales se compone de respectivas hélices interpenetradas de materiales (A₁, A₂, A₃,..., A_n), con una unión mecánica entre ellas, partiendo todas las hélices del eje central del compuesto.