{"id":872,"date":"2020-10-21T08:28:18","date_gmt":"2020-10-21T07:28:18","guid":{"rendered":"http:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/?p=872"},"modified":"2020-10-21T08:28:18","modified_gmt":"2020-10-21T07:28:18","slug":"material-resistente-a-los-cortes","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/2020\/10\/21\/material-resistente-a-los-cortes\/","title":{"rendered":"Material resistente a los cortes"},"content":{"rendered":"\n

Uno de los problemas m\u00e1s importantes en ingenier\u00eda es el de los diversos materiales que nuestra sociedad precisa, o le gustar\u00eda tener: los materiales naturales poseen limitaciones claras que solventamos con materiales artificiales, pero una vez que empezamos a usarlos, exigimos o buscamos prestaciones nuevas, lo que implica nuevos materiales o formas de conformarlos.<\/p>\n\n\n\n

Acaba de a\u00f1adirse un nuevo material con una propiedad muy \u00fatil en determinados usos: no es posible cortarlo, no porque sea muy duro, sino porque su estructura interna provoca que cualquier herramienta cortante se estropee y desgaste sin poder cortar todo el material. La investigaci\u00f3n est\u00e1 publicada en la revista \u00abScientific Reports\u00bb y comienza haciendo una introducci\u00f3n a la diferencia entre materiales artificiales y naturales.<\/p>\n\n\n\n

Comenta que las estructuras jer\u00e1quicas(1) naturales son capaces de presentar protecci\u00f3n frente a cargas muy grandes, dando varios ejemplos muy curiosos en los que no solemos deternernos o son poco conocidos. Las uvas aguantan ca\u00eddas desde 10 m sin romperse y las escamas de unos peces llamados Arapaimas aparentemente pueden aguantar mordiscos de las pira\u00f1as gracias al dise\u00f1o jer\u00e1rquico de sus escamas. Parece ser que sus capas externas est\u00e1n fortalecidas por una estructura de fibras de col\u00e1geno cruzadas.<\/p>\n\n\n\n

Siguiendo este ejemplo, el art\u00edculo contin\u00faa citando ejemplos de dise\u00f1os artificiales imitando este sistema de la naturaleza, desde modernas estructuras milim\u00e9tricas impresas con sistemas 3D hasta barreras que pueden eliminar ondas s\u00edsmicas colocadas por los romanos en algunas de sus construcciones. Todas estas estructuras comparten un principio de dise\u00f1o com\u00fan basado no en una estructura repetitiva, como los cristales de los metales, sino en un estudio de todas las interacciones a las que se somete el material.<\/p>\n\n\n\n

Contin\u00faan luego con el resultado final de su investigaci\u00f3n, la creaci\u00f3n de una nueva estructura jer\u00e1rquica metalo-cer\u00e1mica. La estructura est\u00e1 formada por una espuma de aluminio que rodea a esferas cer\u00e1micas colocadas en un orden determinado. En esta estructura las esferas cer\u00e1micas est\u00e1n dise\u00f1adas para romperse bajo vibraciones internas debido a cargas o fuerzas localizadas. Esto no es malo, porque al romperse estas bolas, y crear vibraciones muy fuertes en el agente que est\u00e9 creando las vibraciones, le crean un desgaste tan grande que no es capaz de continuar provocando las fuerzas sobre este nuevo material, dejando de cortarlo. De hecho, usaron esferas cer\u00e1micas que no eran demasiado duras, sino que por ser fr\u00e1giles y romperse, creaban grandes cantidades de polvo cer\u00e1mico que ayudaba a generar el desgaste del elemento cortante.<\/p>\n\n\n\n

La estructura del material se puede observar en la figura siguiente, donde la estructura jer\u00e1rquica es clara, as\u00ed como las diferentes configuraciones que tiene que hacer seg\u00fan el tipo de forma externa que quieren hacer.<\/p>\n\n\n\n

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Estructura jer\u00e1rquica del metamaterial en varias configuraciones. El dibujo (a) muestra el material cunado se us\u00f3 una forma de panel plano, mientras que la (c) lo muestra en un cilindro. La fotograf\u00eda (b) muestra la organizaci\u00f3n en columnas de las esferas cer\u00e1micas, mientras que en las fotograf\u00eda (d) y (g) se observa la densidad de la espuma de alumnio, no uniforme, siguiendo la escala de la derecha. En el dibujo (e) y la foto en detalle (f) se observa que las esferas cer\u00e1micas est\u00e1n separadas por la espuma de alumnio y que las \u00abburbujas\u00bb de la espuma son como m\u00ednimo, un orden de magnitud m\u00e1s peque\u00f1as que las esferas. De la figura 1<\/strong> <\/span>del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Como este material combina cer\u00e1micas y metales, es necesario realizar operaciones metal\u00fargicas para poder manufacturarlo, y los autores del art\u00edculo describen con cierto detalle el m\u00e9todo que emplearon.<\/p>\n\n\n\n

Primero mezclaron polvos de aluminio con un agente espumante, dihidrido de titanio en su caso, que luego se compact\u00f3 para evitar el aire que se pueda quedar en su interior y poder extruir cilindros de polvo compacto que se cortaron en discos peque\u00f1os. Luego, las esferas cer\u00e1micas hechas previamente y estos discos se colocan en un patr\u00f3n fijo en una caja de acero que se suelda para cerrarla. Con el calentamiento de esta estructura hasta una temperatura tal que genera la espuma de aluminio y posterior enfriamiento tranquilo se produce la pieza deseada, como se indica en la figura siguiente:<\/p>\n\n\n\n

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Proceso de formaci\u00f3n de las piezas con esta estructura. Las piezas extruidas de polvo deben colocarse de con una estructura determinada en el horno, y las esferas cer\u00e1micas se han hecho previamente. De la figura 2<\/span><\/em> del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Posteriormente estudiaron sus propiedades mec\u00e1nicas, m\u00e1s all\u00e1 de ser imposible de cortar por medios habituales, y obtuvieron un m\u00f3dulo de Young(2) de 5,5 GPa. Para realizar una comparaci\u00f3n, el m\u00f3dulo de Young del acero inoxidable est\u00e1 en torno a los 200 GPa, lo que nos indica que nos es un material especialmente duro, por lo que no ser\u00e1 posible usarlo en tareas estructurales, pero s\u00ed de refuerzo de las mismas.<\/p>\n\n\n\n

Posteriormente, el art\u00edculo describe con mucho detalle como y porqu\u00e9 el material es capaz de resistir el ataque de una sierra radial cargada con discos de diamante, comi\u00e9ndose al disco. La clave est\u00e1 en que la ruptura de las esferas cer\u00e1micas genera por un lado, un polvo muy abrasivo, y por el otro oscilaciones laterales en el disco que lo rompen, impidi\u00e9ndole cortar el material estructurado.<\/p>\n\n\n\n

Tambi\u00e9n intentaron atacar el material con chorros de agua muy alta presi\u00f3n, y tampoco lograron cortarlo. En este caso, el material es capaz de ampliar el di\u00e1metro del chorro inicial, bajando tanto su velocidad que ya no puede penetrar el material y se desv\u00eda.<\/p>\n\n\n\n

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En la parte final del art\u00edculo comentan que esta estructura se puede ajustar de varias maneras para mejorar o cambiar algunas de sus propiedades. Por ejemplo, cambiar la dureza o el tama\u00f1o de las esferas cer\u00e1micas, la porosidad de la espuma met\u00e1lica o incluso los material iniciales.<\/p>\n\n\n\n

Por otra parte, aunque por comodidad los investigadores generaron s\u00f3lo estructuras sencillas, sin apenas curvas, no hay en principio problemas para poder generar estructuras m\u00e1s complicadas, con curvaturas y que se puedan soldar entre s\u00ed o que encajen. Una aplicaci\u00f3n obvia de semejante material es el de puertas de seguridad: si el material no se puede cortar, tampoco se puede penetrar en el interior.<\/p>\n\n\n\n

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El art\u00edculo se public\u00f3 en la revista Scientific Reports, volumen 10: Scientific Reports<\/em> volume\u00a010<\/strong>, Article\u00a0number:\u00a011539 (2020)<\/a><\/p>\n\n\n\n

(1) Estructuras jer\u00e1rquicas son las estructuras que tiene formas que cambian seg\u00fan la escala en al que la observemos. Por ejemplo, las conchas de los moluscos tienen una estructura en capas microsc\u00f3pica que se sostiene sobre elementos m\u00e1s peque\u00f1os para separar cada capa.<\/p>\n\n\n\n

(2) M\u00f3dulo de Young: el par\u00e1metro que caracteriza lo deformable que es un material cuando se le aplica una fuerza. El art\u00edculo de la wikipedia en espa\u00f1ol est\u00e1 bastante bien para entender este concepto: Wiki: M\u00f3dulo de Young<\/a><\/p>\n\n\n\n

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Uno de los problemas m\u00e1s importantes en ingenier\u00eda es el de los diversos materiales que nuestra sociedad precisa, o le gustar\u00eda tener: los materiales naturales poseen limitaciones claras que solventamos con materiales artificiales, pero una vez que empezamos a usarlos, exigimos o buscamos prestaciones nuevas, lo que implica nuevos materiales o formas de conformarlos. Acaba … Continuar leyendo \u00abMaterial resistente a los cortes\u00bb<\/span><\/a><\/p>\n","protected":false},"author":378,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[2],"tags":[32,35],"class_list":["post-872","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-articulo-interesantes","tag-ingenieria","tag-materiales"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/872","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/users\/378"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=872"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/872\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=872"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=872"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=872"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}