SCHOTT solutions n° 2/2013 > Vitrocerámico

Foto: SCHOTT/C. Costard

Predicciones exactas


Un nuevo modelo matemático para calcular la resistencia mecánica de componentes vitrocerámicos ZERODUR® desarrollado por el experto en óptica de SCHOTT, Dr. Peter Hartmann, suministra valores característicos mejorados. Los clientes de campos como la aeronáutica, la astronomía y la litografía se benefician de la mayor seguridad operativa, fiabilidad y eficiencia de dichos componentes.


Christine Fuhr

Para contrarrestar la fuerza de atracción de la Tierra, los cohetes han de ser impulsados a una velocidad mínima de 8 kilómetros por segundo. Su despegue se produce basándose en el denominado principio de reacción: al quemar combustible se generan gases, que al ser expulsados a alta velocidad y bajo una gran presión, propulsan el cohete hacia arriba. El empuje, la aceleración, la presión y las vibraciones someten tanto los cohetes portadores como los instrumentos que éstos transportan, a unas fuerzas físicas enormes. Para quienes desarrollan los sofisticados ingenios que toman fotografías de alta resolución y efectúan mediciones precisas adquiere gran importancia la comprensión lo más exacta posible de las propiedades físicas de todos los materiales utilizados. En el caso ideal se requiere una probabilidad de fallo lo más baja posible de los componentes respectivos bajo un esfuerzo máximo.
Medición de un espejo de bajo peso en ZERODUR® de 1,2 m de diámetro, que pesa únicamente 45 kg (Izda.). Las oquedades de forma triangular en su cara posterior permiten reducir en hasta un 90 % el peso. Estas delicadas bases de espejo han de cumplir grandes requerimientos de resistencia mecánica, porque deben ser capaces de resistir las enormes fuerzas físicas que se dan durante el lanzamiento de los cohetes portadores de satélites y telescopios espaciales (arriba). Foto: Thinkstock

Vidrio y vitrocerámica: frágiles, pero resistentes y duros


La resistencia mecánica es un factor decisivo cuando se trata de utilizar los frágiles materiales de vidrio y vitrocerámica en aplicaciones técnicas sofisticadas. SCHOTT lleva muchos años dedicado intensivamente a la i+d de temas como la resistencia mecánica y los esfuerzos de flexión. El objetivo es obtener un vidrio todavía más resistente
(
véase también solutions 1/2013).

En teoría, el vidrio y los materiales vitrocerámicos resisten grandes esfuerzos de flexión, gracias a sus enlaces atómicos fuertes. Sin embargo, la realidad es que esta propiedad se deteriora tras la conformación con herramientas de desbaste de diamante, que provocan la aparición de microfisuras en la superficie, que si son suficientemente profundas pueden llevar a la rotura. Por esta razón, para los desarrolladores es obviamente muy importante entender con precisión cuándo ocurrirá esto. Los especialistas en materiales de SCHOTT están ahora en condiciones de suministrar datos mejorados acerca de la resistencia mecánica de ZERODUR®, una vitrocerámica con un coeficiente de dilatación extraordinariamente bajo. Para predecir la resistencia de una vitrocerámica se utilizaba hasta ahora normalmente el método de ”distribución de dos parámetros Weibull”, consistente en representar el esfuerzo (en megapascales/MPa) y en extrapolar la probabilidad de rotura de muestras sometidas a un ensayo de doble anillo. Como el especialista en óptica de SCHOTT Dr. Peter Hartmann pudo demostrar en su trabajo ”ZERODUR®: Planteamiento determinista para el diseño de la resistencia” este método convencional no resulta suficiente, sino que debe ser complementado con un planteamiento (Weibull) modificado, que utiliza tres parámetros. Este nuevo planteamiento proporciona un valor de resistencia mínima para unas condiciones superficiales definidas y permite calcular la durabilidad para un esfuerzo dado.
Este planteamiento tiene, además, otra ventaja: el modelo reduce las anteriores incertidumbres estadísticas y los factores de seguridad demasiado conservadores, permitiendo así someter los componentes de ZERODUR® a esfuerzos mecánicos admisibles notablemente superiores a los que se aplicaban hasta ahora.

LA RESISTENCIA MECÁNICA DE ZERODUR®

Probabilidad de rotura para diferentes condiciones superficiales
En función de las condiciones superficiales, las curvas Weibull de tres parámetros tienden todas hacia una probabilidad de rotura igual a cero. Los valores mínimos son ahora mucho más altos que los 10 MPa hasta ahora utilizados, lo cual hará posible utilizar en el futuro ZERODUR® bajo cargas mecánicas más elevadas. Fuente Fonte: SCHOTT/P. Hartmann
Con su trabajo sobre la resistencia mecánica de la vitrocerámica termoestable ZERODUR® el experto en óptica Dr. Peter Hartmann recibió el Premio SCHOTT por logros destacados en el campo de la investigación y el desarrollo de 2013. Foto: SCHOTT/A. Sell
Ahora los clientes de los campos de la astronomía, la aeronáutica y la litografía interesados en utilizar vitrocerámica ZERODUR® con unos perfiles de esfuerzos estáticos y dinámicos cada vez más elevados estarán en condiciones de hacerlo gracias a unas predicciones de resistencia mecánica más precisas. La vitrocerámica ZERODUR® se utiliza para fabricar delicadas bases de espejo de bajo peso para satélites y telescopios espaciales. Los componentes de ZERODUR® asumen también funciones de alta precisión en las
industrias electrónica y de semiconductores, donde se utilizan como substratos de óptica de espejo en equipos litográficos para la fabricación de miles o, incluso, millones de circuitos para controlar los colores en monitores LCD, así como para la fabricación de chips, en la que los tamaños de las estructuras seguirán disminuyendo en los años venideros, hasta alcanzar tan solo unos pocos nanometros. ”Gracias a este modelo de cálculo optimizado y a estos datos fiables sobre resistencia mecánica hemos sido capaces de probar que la vitrocerámica ZERODUR® es incluso más resistente y sólida bajo condiciones más exigentes que lo que habíamos asumido inicialmente. Esto abre a los usuarios nuevas expectativas a la hora de diseñar sus instrumentos y dispositivos”, explica el Dr. Peter Hartmann, que ha obtenido el Premio a la i&d de SCHOTT por su modelo.

”Este trabajo documenta un alto grado de profesionalidad científico-técnica y demuestra los sobresalientes conocimientos expertos en materiales y tecnológicos existentes en SCHOTT”, explicó el Dr. Hans-Joachim Konz, miembro de su Consejo de Dirección, durante la ceremonia de entrega del premio. ”Aparte de esto, este trabajo subraya nuestro objetivo de ofrecer a nuestros clientes ventajas por medio de nuestro profundo conocimiento de los materiales. Es un ejemplo de exitoso maridaje de ciencia, por una parte, y marketing técnico, por otra”, agregó. <

Dilatación extraordinariamente reducida

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ZERODUR® Glass Ceramic