SCHOTT solutions n° 1/2013 > Investigación y tecnología

Foto : SCHOTT/C. Costard

En vías de obtener el vidrio superresistente


La industria reclama materiales transparentes cada vez más delgados, pero al mismo tiempo sólidos. Por esta razón, el dpto. de investigación aplicada de schott tiene un objetivo claro: desarrollar vidrios cada vez más resistentes mecánicamente.


Alexander Lopez

Cuenta la leyenda que, alrededor del año 30 d.C., le entregaron al emperador romano Tiberio un vidrio flexible irrompible, pero, como temía que el oro, la plata y el bronce perdieran valor, hizo destruir el taller del vidriero.

¿Supuso esto el fin del sueño de un vidrio que pudiera doblarse sin romperse? No para los investigadores del vidrio de SCHOTT. “El vidrio tiene una resistencia intrínseca enorme. Los productos de vidrio actuales explotan apenas un 1% de este potencial. Queremos aumentar este porcentaje”, ­señala el Dr. Markus Kuhr, experto en resistencia mecánica. La tarea no es sencilla: los metales y los plásticos son flexibles y ­admiten grandes esfuerzos de flexión. En caso de sobreesfuerzo se deforman plásticamente. Nuestra experiencia cotidiana nos dice que esto ­sería impensable con el vidrio, porque sólo se puede curvar o estirar mínimamente, antes de fracturarse casi sin avisar. En el caso del vidrio, al igual que en el de las cerámicas y los cristales, se habla de los denominados materiales de fractura frágil.
Los investigadores de SCHOTT realizan sofisticados ensayos de rayadura para obtener resultados de ­resistencia al rayado diferenciados por tipo de vidrio. Foto : SCHOTT/C. Costard
En la superficie real del vidrio hay unas fisuras microscópicas. Sometidas a un esfuerzo mecánico sus “puntas” no se redondean por fluencia plástica, como ocurre con los metales. A partir de una fuerza de tracción crítica las fisuras se propagan repentinamente desde una estas puntas hacia el interior del vidrio y provocan la rotura del mismo.
El dpto. de Investigación y Desarrollo de SCHOTT dispone de los aparatos más modernos para templar químicamente el vidrio (arriba), caracterizar el material a granel, efectuar análisis microestructurales de la superficie de los vidrios y ­realizar los más variados ensayos de fatiga, como este ensayo de flexión en dos puntos (abajo). Foto : SCHOTT/C. Costard
Con el fin de mejorar la resistencia mecánica de los vidrios, p. ej. de los vidrios de cobertura para smartphones o los acristalamientos de aviones y trenes, se utiliza un método que permite aproximadamente quintuplicarla en comparación con el vidrio convencional. Mediante un denominado proceso de intercambio iónico se provoca, dependiendo del tipo de vidrio y de su aplicación, una alteración de la composición del vidrio de aprox. 30 - 120 micrometros de profundidad, que comporta la formación de una zona de compresión. Si ahora una fisura intenta propagarse con efectos destructivos desde la superficie hacia el interior del vidrio, ha de superar esta enorme tensión de compresión, de hasta 1.000 MPa, como si se tratara de un dique. El resultado es que el producto, p. ej. un vidrio de cobertura de smartphone, es mucho menos susceptible de sufrir fractura bajo el efecto de una carga mecánica. De esta forma se pueden mejorar también la resistencia a la rayadura, al impacto y a flexotracción.

Foto : SCHOTT/ C. Costard

Aparte del importe absoluto de la tensión de compresión también resulta decisiva la profundidad de la zona de intercambio ­iónico dentro del vidrio, porque la resistencia mecánica del producto sólo se resentirá si las fisuras tales como rayaduras rebasan dicha zona. Este proceso químico se viene empleando desde hace tiempo en los acristalamientos de aviones y trenes de alta velocidad para mejorar la resistencia al impacto de los parabrisas. SCHOTT ofrece también bajo la marca paraguas Xensation® un abanico particularmente amplio de vidrios provistos de este tratamiento para diferentes tecnologías táctiles.

¿En qué están trabajando actualmente los investigadores de SCHOTT? “Como las características de uso del producto están determinadas por las propiedades microscópicas, nos hemos marcado el objetivo de hallar a nivel atómico un vidrio lo más flexible posible”, explica el Dr. Ulf Dahlmann, desarrollador de materiales. “Queremos dotar al vidrio de una parte de las propiedades plásticas de los metales y los polímeros, sin afectar a sus propiedades destacadas, como la resistencia mecánica y la calidad óptica. El origen del comportamiento de fractura frágil del vidrio reside en la naturaleza íntima de sus enlaces atómicos y estructura química. Entendiendo estos procesos hallaremos la clave para nuevas soluciones.” Es decir, que se trata de mejorar su capacidad de deformación plástica bajo presión. Los investigadores de SCHOTT están a la búsqueda de elementos formadores de vidrio que promuevan estas propiedades. Para ello han de estar integrados en la red vítrea y con la estructura adecuada. Se trata de una tarea compleja, que requiere tanto modelos estructurales del vidrio y estudios de la mecánica estructural, como la participación de químicos y tecnológos del vidrio, para demostrar experimentalmente estos fenómenos y romper las barreras de lo tecnológica y comercialmente viable.

¿Qué visiones hay tras estos desarrollos? Por ejemplo un vidrio que reaccione con la combinación adecuada de dureza y blandura, de forma que los bordes de las posibles rayaduras ya no se fracturen frágilmente, sino que fluyan plásticamente y, de esta forma, resulten menos visibles. O también vidrios ultradelgados que, de forma similar a una fibra de vidrio, se puedan curvar flexiblemente y hagan posibles procesos de fabricación y productos totalmente novedosos. SCHOTT está desarrollando ya un vidrio con unos cantos de resistencia máxima. La interacción entre método de corte y reacción del material desempeña aquí también un papel decisivo.

En consecuencia, SCHOTT está bien preparada para desarrollar los vidrios superresistentes del futuro. “A lo largo de los próximos 10 años los vidrios ultradelgados flexibles y los vidrios ligeros de alta resistencia bien podrían contribuir a una auténtica revolución tecnológica y de los productos en los campos de la electrónica, la iluminación y los electrodomésticos, así como en aplicaciones de movilidad e industriales”, comenta el Dr. Rüdiger Sprengard, Responsable de Desarrollo de Productos en el dpto. de Investigación de SCHOTT. Quizá finalmente se convierta en realidad: “Vitrum flexile,” el vidrio flexible e irrompible de la Antigüedad. <

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