PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN DE COMPUESTOS CERÁMICOS Y MATERIAL OBTENIBLE POR DICHO PROCEDIMIENTO.

Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos, y material obtenible por dicho procedimiento. Objeto de la invención La presente invención está relacionada con las cerámicas con coeficiente de expansión térmica muy próximo a cero, las cuales se pueden utilizar en la fabricación de componentes que requieran una alta estabilidad dimensional. Por tanto, la tecnología descrita en la invención se enmarca dentro del sector de nuevos materiales, mientras que su aplicación se encuentra dentro de los sectores de la microelectrónica, la óptica de precisión y el sector aeronáutico y aeroespacial. El objeto de la invención trata de un procedimiento de obtención de compuestos cerámicos con coeficiente de expansión térmica (CTE) inferior a 1x10 6 K 1 en el intervalo (-150ºC, +150ºC), así como del material obtenible mediante dicho procedimiento. Antecedentes de la invención Los materiales con bajo coeficiente de expansión térmica (CTE) tienen un amplio rango de aplicaciones en muy distintos campos. Este tipo de materiales son requeridos en muchos tipos de aparatos de precisión y de equipos de instrumentación en sistemas de alta tecnología, en la industria de la microelectrónica y la óptica de precisión. En resumen, en todas aquellas aplicaciones en las que tenga que asegurarse la estabilidad dimensional de algún elemento de precisión con los cambios de temperatura será necesario disminuir el CTE de los materiales que conformen esos elementos. El problema del desajuste en la expansión térmica en elementos fabricados con distintos materiales puede también solventarse mediante el diseño de composites con un CTE requerido (y homogéneo). El diseño de estos materiales con CTE a medida se puede abordar mediante la combinación de componentes con expansión positiva y negativa. Este diseño a medida del CTE de los composites se puede llevar a cabo para diferentes temperaturas, de tal manera que el campo de aplicación final de los componentes con CTE nulo dependerá de que también se consigan el resto de características que la funcionalidad concreta para esa aplicación requiera. La familia de cerámicas y vitrocerámicas de aluminosilicatos de litio (LAS) es frecuentemente usada con este propósito en muchos campos de aplicación, desde las vitrocerámicas para cocinas hasta espejos para satélites. Algunas fases minerales de esta familia poseen CTE negativo lo que permite su uso en composites con CTE controlado y a medida. Frecuentemente, los materiales con CTE negativo tienen una resistencia a la fractura baja ya que su negatividad es debida a una fuerte anisotropía entre las diferentes orientaciones cristalográficas, en las que en una de ellas se suele encontrar el comportamiento negativo y en las otras dos positivo. Esta anisotropía suele causar microfisuras que dan como resultado valores bajos en las propiedades mecánicas de estos materiales. De todas maneras, la utilidad de estas propiedades de expansión para la fabricación de composites con CTE nulo tiene un amplio rango de potencial en aplicaciones en ingeniería, fotónica, electrónica y aplicaciones estructurales concretas (Roy, R. et al., Annual Review of Materials Science, 1989, 19, 59-81). La fase con expansión negativa en el sistema LAS es la ß-eucriptita (LiAlSiO 4), debido a la gran expansión negativa en la dirección de uno de sus ejes cristalográficos. Las fases espodumena (LiAlSi2O6) y petalita (LiAlSi4O10) tienen CTE próximos a cero. El método tradicional de fabricación de materiales con composición LAS es el procesado de vidrios para producir vitrocerámicas. Este método implica el conformado de vidrio para después aplicar un tratamiento térmico a temperaturas inferiores para la consecuente precipitación de fases LAS cristalinas y así controlar su CTE. En ocasiones este proceso produce materiales heterogéneos y, desde luego, al tratarse de un vidrio, sus propiedades mecánicas (rigidez y resistencia) no son suficientemente altas para muchas aplicaciones industriales, comparadas con otras cerámicas. Este es el caso de Zerodur ® (comercializado por Schott) ampliamente utilizado en multitud de aplicaciones pero con valores de resistencia a la fractura demasiado bajos. Es necesaria pues una alternativa a las vitrocerámicas si se requieren mejores propiedades mecánicas. Existen otros materiales cerámicos con CTE próximo a cero como la cordierita tal y como se describe en US4403017 o el Invar ® . Una alternativa en la preparación de materiales con bajo CTE consiste en la adición de una segunda fase con coeficiente de expansión térmica positivo a una matriz cerámica de composición LAS cuyo CTE es negativo, como en los casos US6953538, JP2007076949 o JP2002220277. Esta última opción es muy interesante ya que se puede ajustar tanto el valor del CTE como el resto de propiedades mediante la adición de las proporciones adecuadas de segundas fases en la matriz. Por otro lado, y teniendo en cuenta que las propiedades finales del material son consecuencia de la combinación de dos o más componentes, el principal problema de estos composites radica en conseguir que el valor del CTE se mantenga próximo a cero para un amplio intervalo de temperaturas. Así, en los casos citados anteriormente, los intervalos de temperatura en los cuales se consigue alta estabilidad dimensional son de unos 30-50ºC. Además, resulta difícil obtener materiales densos con un método de fabricación sencillo y que permita crear formas complejas. El solicitante describe en la patente con número de solicitud P200803530 un método de síntesis de aluminosilicatos de litio a partir de caolín, carbonato de litio y precursores de sílice y alúmina en disolución mediante el cual pueden obtenerse cerámicas LAS con un CTE controlado y a la carta eligiendo diferentes composiciones dentro del diagrama de fases Al2O3-Li2O-SiO2. El método propuesto es sencillo, económico y permite obtener cerámicas con una densidad y propiedades mecánicas mejoradas. Los polvos de LAS obtenidos mediante ese procedimiento con un CTE negativo pueden aplicarse en la presente invención para la obtención de mezclas con CTE nulo. 2 Descripción de la invención ES 2 354 099 A1 La presente invención resuelve el problema de conseguir, mediante un procedimiento sencillo, materiales de elevada estabilidad dimensional en un intervalo de temperatura que abarca desde condiciones criogénicas hasta temperaturas por encima de la temperatura ambiente (-150ºC a 150ºC). Este amplio intervalo de temperaturas en las cuales el CTE (coeficiente de expansión térmica) permanece inferior a 1x10 6 K 1 multiplica las aplicaciones en las que puede ser utilizado el material, desde la fabricación de vitrocerámicas, como ejemplo de tecnología de uso general cotidiano, hasta espejos para satélites, por poner un ejemplo de tecnología más especializada y no tan cercana del público en general. La alternativa que se presenta en esta invención es la obtención de materiales cerámicos con bajo coeficiente de expansión térmica en un amplio rango de temperatura, lo que los hace adaptables a multitud de aplicaciones. La preparación se lleva a cabo mediante un proceso de fabricación sencilla de polvo nanocompuesto, el cual se conforma y sinteriza en estado sólido mediante diferentes técnicas, evitando la formación de vidrios y, en consecuencia, consiguiendo unas propiedades mecánicas mejoradas. Se ha seleccionado una matriz de ß-eucriptita y una segunda fase de carburo de silicio nanométrico (n-SiC) en forma de nanopartículas, con el objetivo de obtener un material final con buenas prestaciones mecánicas, eléctricas y térmicas. La presente invención se basa en un nuevo procedimiento para la obtención de materiales cerámicos compuestos basados en aluminosilicatos de litio (LAS) y carburo de silicio nanométrico(n-SiC). La composición final del material se puede ajustar en función del contenido en ß-eucriptita del componente LAS utilizado, lo que determina la cantidad necesaria de segunda fase (nanopartículas de SiC) para obtener un material final con CTE entre -1x10 6 y 1x10 6 K 1 . Así, el valor del CTE del aluminosilicato de litio (LAS) depende de su composición, y en la medida que éste sea más o menos negativo, determinará el contenido en nanopartículas de carburo de silicio (n-SiC) necesario para obtener un material final con coeficiente de expansión térmica nulo. El procedimiento novedoso de la invención permite la elaboración de materiales de muy bajo CTE mediante métodos de sinterización sin presión en un horno convencional, obteniendo materiales de alta densidad relativa, lo que influirá sobre su módulo de elasticidad, propiedades mecánicas y capacidad para su pulido. La invención destaca asimismo porque proporciona una gran versatilidad en el tamaño y la forma de las piezas obtenidas debido al método de sinterización: por un lado,... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos que comprende las siguientes etapas: a. partir como compuesto inicial de un componente LAS de acuerdo a la composición LixAlySizOw, donde x varía entre 0,8 y 1,2, y varía entre 0,8 y 1,2, z varía entre 0,8 y 2 y w varía entre 4 y 6. b. mezcla del componente LAS obtenido en a) con nanopartículas de SiC obteniéndose una suspensión estable y homogénea, c. secado de la suspensión resultante, d. conformado del material obtenido en c), e. sinterización del material obtenido en d). 2. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el componente LAS de partida es una solución sólida de ß-eucriptita. 3. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el contenido en ß-eucriptita de la suspensión resultante en la etapa b) es inferior al 75% en volumen. 4. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque la mezcla de la etapa b) se realiza en molino de atrición operando a más de 100 r.p.m. 5. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el secado de la etapa c) se hace mediante atomización obteniéndose un granulado nanocompuesto. 6. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el conformado de la etapa d) se realiza mediante prensado isostático en frío a presiones entre 100 y 400 MPa. 7. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque la etapa d) se realizan mediante vertido por colado de la suspensión obtenida en b). 8. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque la sinterización de la etapa e) se realiza en atmósfera inerte a una temperatura comprendida entre 1100 y 1600ºC. 9. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 8 caracterizado porque la etapa e) se realiza en atmósfera de argón. 10. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 8 caracterizado porque la duración de la etapa e) de sinterización es superior a 10 minutos. 11. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 8 caracterizado porque se utiliza una rampa de calentamiento de entre 2 y 10ºC/min, manteniendo la temperatura final durante un periodo comprendido entre 30 minutos y 10 horas, y un enfriamiento posterior hasta 900ºC, mediante una rampa de entre 2 y 10ºC/min. 12. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque las etapas d) y e) comprenden una etapa de prensado en caliente. 13. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 11 caracterizado porque el prensado en caliente se realiza hasta una temperatura final comprendida entre 900 y 1400ºC. 14. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 11 caracterizado porque en el prensado en caliente se aplica una presión uniaxial en molde de grafito entre 5 y 150 MPa. 15. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 11 caracterizado porque en el prensado en caliente se utiliza una rampa de calentamiento de entre 2 y 50ºC/min, manteniendo la temperatura final durante un periodo comprendido entre 30 minutos y 10 horas. 16. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque la sinterización es una sinterización por descarga de plasma (SPS). 17. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 15 caracterizado porque el proceso de sinterización por descarga de plasma se realiza hasta una temperatura final comprendida entre 700 y 1400ºC. 8 ES 2 354 099 A1 18. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 15 caracterizado porque en la sinterización por descarga de plasma se aplica una presión uniaxial en molde de grafito entre 5 y 100 MPa. 19. Procedimiento de obtención de compuestos cerámicos de acuerdo con la reivindicación 16 caracterizado porque en la sinterización por descarga de plasma se utiliza una rampa de calentamiento de entre 2 y 300ºC/min, preferentemente 5ºC/min, manteniendo la temperatura final durante un periodo comprendido entre 1 y 30 minutos. 20. Material cerámico obtenible según el procedimiento descrito en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque presenta un coeficiente de expansión térmica comprendido entre [-1x10 6 y +1x10 6 ] K 1 en el intervalo de temperaturas de [-150 a +150]ºC, donde su densidad final es superior al 98% de la densidad teórica. 21. Uso del material cerámico descrito en la reivindicación 20 en la fabricación, manufactura y utilización en un proceso industrial de componentes, equipos, productos o bienes para la industria aeroespacial. 22. Uso del material cerámico descrito en la reivindicación 20 en la fabricación, manufactura y utilización en cualquier proceso industrial de componentes, equipos, productos o bienes para microelectrónica. 23. Uso del material cerámico descrito en la reivindicación 20 en la fabricación, manufactura y utilización en cualquier proceso industrial de componentes, equipos, productos o bienes para óptica de precisión. 9 ES 2 354 099 A1 ES 2 354 099 A1 11 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA