Materiales vitrocerámicos funcionales basados en feldespatos jerárquicamente micro-nanoestructurados

Resumen

La presente tesis doctoral se ha centrado en el desarrollo de materiales vitrocerámicos micro-nanoestructurados, basados en cristalizaciones de feldespatos de tipo plagioclasa, que presenten nuevas y mejoradas funcionalidades con respecto a materiales convencionales del sector cerámico. El método de síntesis empleado es un método cerámico convencional, fácilmente reproducible y que emplea un ciclo de sinterización rápida con el fin de conseguir materiales de alta sostenibilidad y viabilidad económica, de cara a su escalado a nivel industrial. La minuciosa ingeniería de su estructura y microestructura ha permitido obtener materiales vitrocerámicos de tipo plagioclasa sódica y cálcica, con elevada cristalinidad, > 90 %, elevada densificación, una baja porosidad y una micro-nanoestructuración jerárquica. La combinación de cristales de tamaño micro y nanométrico en los vitrocerámicos, resulta en un mayor número de fronteras de grano con respecto a los materiales convencionales del sector cerámico, lo cual va a favorecer que se produzcan una mayor cantidad de fenómenos de dispersión de electrones, fonones y fotones. La evaluación de las propiedades termorreflectantes, permitió determinar que estos materiales se caracterizan por poseer un elevado albedo y una baja difusividad térmica (0,17¿10-6m2/s). En cuanto a la respuesta mecánica, poseen una elevada resistencia a la fractura (hasta 2,1 MPa¿m1/2) y a la flexión (en el rango 83-111 MPa) y alcanzan los mejores valores de dureza (9,5 GPa) obtenidos para un esmalte cerámico. Además, se ha demostrado que las zonas nanoestructuradas actúan como lubricantes sólidos, reduciendo considerablemente el coeficiente de fricción, la tasa de desgaste y el daño sufrido por la superficie del esmalte vitrocerámico, de manera que, el proceso de desgaste se puede asemejar a un proceso de pulido. La mejora simultánea de ambas propiedades permite la aplicación de esta nueva familia de materiales vitrocerámicos en baldosas cerámicas, de cara a su empleo en pavimentos en zonas de alto tránsito y en pavimentos o revestimientos reflectantes para el diseño de edificios sostenibles. En lo que respecta a las propiedades dieléctricas, estos materiales poseen un comportamiento aislante dieléctrico muy superior a otros materiales cerámicos convencionales, destacando por tener los valores más altos de resistencia dieléctrica en un material cerámico, > 59 kV/mm a temperatura ambiente y 30-44 kV/mm hasta 200 ºC. Todo ello, sumado al ahorro energético que conlleva el empleo de un ciclo rápido de sinterización, les sitúa en una posición privilegiada de cara a su uso en aplicaciones de aislamiento eléctrico de alto voltaje. Por último, se ha comprobado que las matrices de tipo plagioclasa rica en sodio con cierto desorden estructural de Si,Al en las posiciones tetraédricas del feldespato son adecuadas para aplicaciones luminiscentes, mientras que las matrices de tipo plagioclasa rica en calcio no lo son, puesto que en ellas predomina el orden estructural. Dicho desorden permite la generación de defectos estructurales que actúan como centros activos luminiscentes, principalmente enlaces de tipo Al-O--Al y complejos [AlO4/alcalinos+]. Todo ello, junto con la elevada cristalinidad de la matriz vitrocerámica desarrollada, se traduce en un aumento de la intensidad de emisión luminiscente de un orden de magnitud y de seis veces en las emisiones del UV/azul y rojo, respectivamente, con respecto a un feldespato natural. Además, se determinó que tanto la intensidad de la emisión fotoluminiscente, como la longitud de onda de la emisión, se pueden sintonizar controlando dicho desorden, por medio de la modificación química de los elementos estructurales. Todo esto sugiere que sean considerados como una alternativa a los fósforos vitrocerámicos basados en tierras raras, destacando en aplicaciones como marcadores de seguridad o vidrios emisores de luz.