Para mejorar el rendimiento de los turborreactores, los ingenieros buscan hacer funcionar los motores a temperaturas cada vez más elevadas. Cuanto mayor es la temperatura, más eficiente es la combustión, lo que permite obtener el mismo empuje con menos combustible.
Pero este enfoque tiene un límite bien conocido: las piezas metálicas utilizadas tradicionalmente en los motores soportan mal estas condiciones extremas. Más allá de cierto umbral, pierden su resistencia mecánica y requieren sistemas de refrigeración internos. Estos circuitos, complejos y pesados, aumentan el peso del avión y reducen la eficiencia global del motor.
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Los composites de matriz cerámica, o CMC, aparecen como una solución prometedora. Estos materiales se distinguen por su capacidad para permanecer sólidos y estables incluso a temperaturas muy altas, a la vez que son más ligeros que las aleaciones metálicas.
Un CMC puede compararse a un hormigón sofisticado: unas fibras aseguran la robustez, mientras que una matriz cerámica las rodea y mantiene la cohesión del conjunto. En el caso estudiado por los investigadores del CNRS, de la Universidad de Burdeos, del CEA y de Safran, esta matriz está compuesta de carburo de silicio (SiC), un material a la vez duro, ligero y químicamente estable.
Sin embargo, incluso estas cerámicas de alto rendimiento deben enfrentarse a un enemigo temible: la corrosión en caliente. En un motor, los gases de combustión contienen oxígeno, vapor de agua y otros compuestos que interactúan con la matriz y pueden, con el tiempo, degradar sus propiedades. Para contrarrestar este fenómeno, los investigadores introdujeron boro en el silicio, formando una aleación Si-B. Esta idea no es totalmente nueva, pues el efecto protector del boro ya se había observado en la industria, pero aún no se había explicado de manera precisa.
Al reproducir el proceso industrial a escala de laboratorio, los científicos pudieron observar finamente la acción del boro gracias a herramientas de análisis avanzadas, capaces de sondear la materia hasta la escala atómica.
Sus trabajos muestran que el boro actúa en varios frentes. Primero estabiliza la estructura del carburo de silicio, en particular sus defectos, que suelen ser puntos débiles donde puede iniciarse la corrosión. Luego, forma pequeñas agrupaciones con el carbono, llamadas co-clusters, que limitan la difusión del carbono a través del material y así ralentizan el desgaste interno. Finalmente, los investigadores descubrieron que los átomos de boro se concentran en las interfaces entre el SiC y la aleación Si-B. En apenas unos nanómetros, esta capa protectora frena la disolución del carbono y refuerza la barrera contra la corrosión.
Gracias a este triple papel, el boro aporta una protección duradera a los composites. Concretamente, esto significa que las piezas fabricadas con estos nuevos CMC pueden funcionar durante más tiempo y a temperaturas más elevadas que las versiones actuales. Para la aeronáutica, es un avance mayor: los motores se vuelven más eficientes, los aviones consumen menos combustible y emiten menos gases de efecto invernadero. Detrás de una innovación de laboratorio se esconde, por tanto, un reto directo para el transporte aéreo del mañana.
Fuente: CNRS INC