La combinación de aluminio y cerio demostró ser estable y tener mayor dureza y resistencia que la que se produce con métodos tradicionales
16 de mayo de 2022
El doctor Oscar Marcelo Suárez, profesor y coordinador del Programa de Ciencias e Ingeniería de Materiales del Colegio de Ingeniería de la Universidad de Puerto Rico (UPR) Recinto de Mayagüez, investiga el método powder-in-tube para producir materiales a menores costos y con mejores propiedades físicas, empleando metales como el cerio. Una microestructura basada en la combinación de aluminio y cerio demostró ser estable, exhibió una menor porosidad y, por consiguiente, una mayor densidad. El material presentó mayor dureza que el que es preparado tradicionalmente.
Dr. Oscar Marcelo Suárez
De esta forma, la innovadora investigación demuestra que el método conocido como powder-in-tube (utilizado para fabricar cables de superconducción eléctrica), se puede emplear para la creación de nuevas composiciones mediante aleaciones (producción de un material cuyo componente principal es un metal) y reduce la pérdida de materia prima.
“En las minas donde se extraen minerales que contienen metales conocidos como tierras raras, para microelectrónica, también se generan residuos que contienen un metal llamado cerio. El cerio es un subproducto con pocas aplicaciones. En ocasiones, se utiliza en aleaciones de aluminio-silicio para modificar el tamaño de las partículas de silicio, pero no es en cantidades masivas”, expone Suárez.
El método consiste en sellar una mezcla de materiales en estado sólido en un tubo, para luego ser sometido a altas presiones y temperaturas. En el laboratorio de Suárez, este método emplea un tubo de acero inoxidable como material de revestimiento. Posteriormente, en el tubo se agregan cerio y aluminio, en polvo, como precursores del material deseado.
“Tradicionalmente, las aleaciones de aluminio se producen mediante la fusión de grandes cantidades de este material, por lo que tiende a oxidarse con relativa facilidad. Para evitar la oxidación, las aleaciones líquidas se recubren con capas protectoras. Cuando se funde, el aluminio se vuelve más susceptible, aún, a la corrosión por la alta temperatura, por lo que es necesario protegerlo. Así que se le agregan un conjunto de sales (compuestos químicos) que, a esa temperatura, cubren el aluminio líquido y de esa forma evitan la oxidación del metal. Obviamente eso implica una inversión de dinero, por esta razón probamos la idea de hacerlo por encapsulación [powder-in-tube]. De este modo, se evita el problema de la oxidación, ya que no hay forma de que el oxígeno entre por ningún lado y se protege el material cuando lo estás fabricando”, explica Suárez.
En los laboratorios de Oak Ridge se comenzó a investigar la posibilidad de consumir el cerio para producir aleaciones a base aluminio. Estas nuevas aleaciones poseen gran resistencia mecánica y son usadas en aplicaciones como bloques de motores, pistones y otros componentes. Este uso del cerio disminuye los residuos de la explotación de tierras raras. Aunque esto es una gran ventaja, las aleaciones aluminio-cerio actualmente se emplean en aplicaciones comerciales de forma limitada, a diferencia de otras aleaciones de aluminio que se usan en estructuras aeroespaciales desde hace mucho tiempo.
“En plantas industriales de fundición de hierro de Wisconsin, las aleaciones de tierras raras, o mischmetals, que contienen cerio, son utilizadas para fabricar partes de motores de automóviles, por ejemplo. Allí el consumo de cerio es importante, siendo de los pocos lugares que trabaja este tipo de aleaciones. A nivel mundial, el consumo de cerio es bastante bajo, esto se debe a que una pequeña cantidad de este tiene un gran efecto en la aleación, a diferencia de otras composiciones de metales”, agrega Suárez.
“En el futuro se espera perfeccionar este método alterno de fabricación de materiales colocando un revestimiento interno de grafito u oxido de aluminio [a la vaina de acero inoxidable] de tal manera que haya una capa protectora adicional. Del mismo modo, con base en los hallazgos de esta investigación, existe la posibilidad de realizar nuevas combinaciones de materiales primarios y producir una variedad de composiciones a través de este método”, comenta Suárez
Mayrim Vazquez
El doctor Suárez cuenta con varias publicaciones en este tema, una reciente es la publicada en el Journal of Composites Science, llamada Effect of Ce Content on Properties of Al-Ce-Based Composites by Powder-in-Tube Method, la cual hizo parte de la tesis de su exalumna Mairym Vázquez. Esta estudiante se graduó de la maestría en Ciencias e Ingeniería de Materiales (MSE, por su sigla en inglés), programa interdisciplinario único en Puerto Rico y uno de los pocos a nivel de Estados Unidos.
La investigación, además, cuenta con colaboradores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, Tennessee (TN), del Departamento de Ciencias e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Tennessee en Knoxville, y de Eck Industries, Wisconsin (WI).
Este proyecto fue subvencionado por la Transformational Initiative for Graduate Education and Research (TIGER) a través del Departamento de Educación de los Estados Unidos, el programa Promoting Postbaccalaureate Opportunities for Hispanic Americans (PPOHA), y el premio Extramural Research Experience Award (EREA). Asimismo, contó con el financiamiento del Critical Materials Institute del Departamento de Energía (DOE, por su sigla en inglés) de los Estados Unidos, y Eck Industries. Además, para el uso de espacio y equipos de laboratorio, recibió el apoyo del Nanotechnology Center for Biomedical, Environmental and Sustainability Applications – Phase II con fondos de la Fundación Nacional de la Ciencia (NSF, por sus siglas en inglés).
Por Ricardo J Pérez Burgos
Biólogo, estudiante del Programa Graduado de Lingüística de la UPR en Río Piedras e integrante de la iniciativa de Comunicación Científica de la UPR.
