MATERIAL COMPUESTO NANOESTRUCTURADO CON PROPIEDADES GEMOLÓGICAS.
Material compuesto nanoestructurado con propiedades gemológicas.
La presente invención se refiere a un material compuesto nanoestructurado que comprende al menos circona y nanopartículas de diamante y presenta una coloración dentro del sistema de colores CIE L*a*b* correspondiente a valores del índice L* comprendidos entre 40 y 98. Es asimismo objeto de la invención el procedimiento para la obtención de dicho material compuesto.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201331191.
Solicitante: CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC).
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: MOYA CORRAL,JOSE SERAFIN, TORRECILLAS SAN MILLAN,RAMON, DIAZ RODRIGUEZ,LUIS ANTONIO, FERNANDEZ VALDES,ADOLFO.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- C04B35/48 QUIMICA; METALURGIA. › C04 CEMENTOS; HORMIGON; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS; REFRACTARIOS. › C04B LIMA; MAGNESIA; ESCORIAS; CEMENTOS; SUS COMPOSICIONES, p. ej. MORTEROS, HORMIGON O MATERIALES DE CONSTRUCCION SIMILARES; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS (vitrocerámicas desvitrificadas C03C 10/00 ); REFRACTARIOS (aleaciones basadas en metales refractarios C22C ); TRATAMIENTO DE LA PIEDRA NATURAL. › C04B 35/00 Productos cerámicos modelados, caracterizados por su composición; Composiciones cerámicas (que contienen un metal libre, de forma distinta que como agente de refuerzo macroscópico, unido a los carburos, diamante, óxidos, boruros, nitruros, siliciuros, p. ej. cermets, u otros compuestos de metal, p. ej. oxinitruros o sulfuros, distintos de agentes macroscópicos reforzantes C22C ); Tratamiento de polvos de compuestos inorgánicos previamente a la fabricación de productos cerámicos. › a base de óxidos de circonio o hafnio circonatos.
Fragmento de la descripción:
MATERIAL COMPUESTO NANOESTRUCTURADO CON PROPIEDADES
GEMOLÓGICAS
Sector de la técnica
La presente invención se incluye en el campo de los materiales compuestos, en concreto en el campo de los materiales cerámicos que contienen nanopartículas de diamante.
Estado de la técnica
Las excelentes propiedades mecánicas de la circona junto con su buena estabilidad química y biocompatibilidad [L. Sedel et al., Ann NY Acad Sci., 523 234-256 (1988)], han promovido su uso en muchas aplicaciones.
La circona puede presentar tonalidades de color que pueden ir desde el blanco hasta el marfil en función del tipo de atmósfera en el que se realice la sinterización y el tipo de estabilizante utilizado. Esta limitación, en los colores, hace que la aplicación de la circona, en campos como el sector dental, joyería o decoración donde las propiedades estéticas tienen una importancia fundamental, esté restringida.
Para lograr materiales cerámicos de circona con distintas coloraciones tradicionalmente se han empleado técnicas como la inmersión de las piezas presinterizadas en disoluciones de sales de diferentes elementos metálicos [Patente US6709694] o la adición de iones metálicos en forma de polvo [B. Cales. Bioceramics, 11 (1998)]. En particular, es conocido el uso de grafito mediante inmersión [Journal of the Korean Ceramic Society, Vol. 46, No. 4, pp. 379~384, (2009)] así como el empleo como agentes dopantes de diferentes óxidos para conseguir materiales de circona con color negro [Journal of the American Ceramic Society, Volume 71, Issue 11, pages C479-C480 (1988)] [Patente WO2009119495]. Sin embargo, estos métodos presentan como principal problema la generación de defectos en el material resultante con el consiguiente empeoramiento de sus propiedades mecánicas.
Descripción de la invención
En la presente invención se entiende por materiales compuestos aquellos que cumplen las siguientes propiedades:
Están formados por 2 o más componentes indistinguibles físicamente y no separables mecánicamente a simple vista;
Presentan varias fases minerales distintas, completamente insolubles y separadas entre
sí;
Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia);
El término nanoestructurado se refiere a una estructura con un tamaño intermedio inferior a 100 nanómetros. Asimismo el término nanopartícula se refiere a una partícula con tamaño inferior a 100 nanómetros.
Los materiales objeto de la invención resuelven las limitaciones de los materiales cerámicos nanoestructurados conocidos basados en circona al permitir obtener tonalidades grisáceas sin deteriorar las propiedades mecánicas de dichos materiales (resistencia a flexión, tenacidad y dureza). Esta combinación de efectos, entre otros, se consigue mediante la introducción de pequeñas cantidades de nanopartículas de diamante.
Un primer aspecto de la presente invención, en adelante material de la invención, se refiere a un material compuesto nanoestructurado que comprende al menos circona y nanoparticulas de diamante y que presenta una coloración dentro del sistema de colores CIE L*a*b* correspondiente a valores del índice L* comprendidos entre 40 y 98.
De forma preferente el material de la invención comprende circona y alúmina
El material de la invención presenta una resistencia a flexión superior a 643MPa y una tenacidad superior a 4,8MPa.
En una realización preferente, el material de la invención presenta una tenacidad superior a 6,85MPa.
Para lograr una coloración correspondiente con un valor de L* entre 40 y 98 se ha determinado que es necesario que el material compuesto nanoestructurado posea un contenido de nanopartículas de diamante inferior o igual al 5% en volumen. Un contenido superior al 5% no aporta cambios en el valor del índice L* mientras que por otro lado incrementa el coste de producción y una disminución de las propiedades mecánicas.
En una realización preferente el material de la invención está constituido por nanoparticulas de diamante de con un tamaño inferior a 10nm.
Un modo particular de obtener los materiales de la invención, en adelante procedimiento de la invención, comprende las siguientes etapas:
a) dispersión del polvo de nanodiamante en alcohol
b) introducción de la disolución resultante de a) en un baño de ultrasonidos
c) mezcla del polvo de circona y polvo de nanodiamante en molino de atrición
d) sinterización en homo de descarga de plasma
De forma preferente el medio alcohólico empleado en la etapa a) del procedimiento de la invención es propanol.
Los materiales objeto de la invención tienen preferentemente aplicación en productos de joyería, componentes dentales o decoración.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.
Breve descripción de las figuras
Figura 1.- Imagen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de partículas de nanodiamante empleadas en los ejemplos de realización.
Figura 2 - Imagen de microscopía electrónica de barrido FE-SEM de la composición de nanocompuesto 3YTZP-alumina y 5% vol. nanodiamante
Ejemplos de realización de la invención
Los siguientes ejemplos se presentan como guía adicional para el experto medio en la materia y en ningún caso deben considerarse como una limitación de la invención.
Ejemplo 1
Se preparó un material compuesto formado por circona 3YTZP y un contenido del 0,1% vol. de
nanodiamante.
Se emplearon las siguientes materias primas:
a) Circona TZ-3Y-E (Tosoh, Japón) con un tamaño medio de grano inferior a 50 nm
b) Nanodiamante de tipo UDA-S (Secna, Rusia) con un tamaño medio de grano de 10 nm.
c) 2-propanol 99% (Panreac, España).
Se introdujo la cantidad necesaria en peso en gramos de nanodiamante, considerando la densidad teórica del material de 2,3 gr/cm3, en un medio un medio alcohólico, en este caso propanol, y se introdujo posteriormente en un baño de ultrasonidos para dispersar el polvo. Posteriormente se mezcló dicho polvo con 50 g de circona (densidad: 6,08 gr/cm3) para tener la proporción 99,99% de circona y 0,1% de nanodiamante ambas en volumen, en un molino de atrición con bolas de circona.
El polvo obtenido fue sinterizado en homo de descarga de plasma (SPS) a una temperatura de 1500°C y una presión de 100 MPa durante 3 minutos.
La densidad del material fue medida siguiendo el método Arquímedes, resultando ser del 99,9% de la teórica del material. Para la caracterización mecánica de la muestra se realizaron ensayos de tenacidad a la fractura, resistencia a flexión y microdureza. Los ensayos de resistencia a flexión y tenacidad se llevaron a cabo en una máquina de ensayos Instron 8562 obteniéndose un valor de resistencia a flexión en tres puntos de 1050 MPa y una tenacidad (KIC) de 5,98 MPa.m1/2. Este último se realizó siguiendo el procedimiento descrito en ASTM C1421.
El ensayo de dureza se realizó mediante un indentador vickers aplicando una carga de 200 g durante 10 segundos. El resultado fue una dureza media de 12,2 GPa.
La medida del color de la muestra se realizó mediante un espectrofotómetro (modelo Konica Minolta CM-700d). El valor del índice L* obtenido fue de 53,9.
Ejemplo 2
Se procedió a la fabricación de diferentes materiales de circona con nanodiamante variando el
contenido de nanodiamante utilizado. Las condiciones fueron las mismas que las descritas en
el ejemplo 1. Los resultados se muestran en la tabla I.
Tabla I.- Relación de colores y propiedades mecánicas obtenidas en el material compuesto nanoestructurado de circona en función de la concentración de nanopartículas de diamante.
| % Nanopartículas de diamante en volumen | L* | Resistencia a flexión (MPa) | Tenacidad (MPa.m1/2) | Dureza (GPa) |
| 0 | 98 | 1100 | 6,1 | |
| 0,1 | 53,9 | 1050 | 5,98 | 12,2 |
