¿Qué son los materiales funcionales inclinados?

El título puede parecer un poco confuso a primera vista. ¿Qué son los materiales funcionales basculantes? Esto no es sorprendente, porque se trata de un material nuevo con "funciones especiales" que sólo ha aparecido en las últimas dos décadas. La mayoría de los materiales existentes temen al frío y al calor, y le temen aún más al frío cuando se calientan. Incluso el acero duro resistente al calor se dañará debido a una expansión y contracción térmica extremadamente desigual si se lo somete a condiciones de temperatura tan duras y "oscilantes".

Te preguntarás, ¿en qué ocasión se darían condiciones tan malas? ¡tener! En los años 80, los japoneses diseñaron el llamado avión aeroespacial. Este tipo de avión puede despegar horizontalmente a bajas altitudes y aprovechar al máximo el oxígeno de la atmósfera para favorecer la combustión a bajas altitudes. En un espacio libre de oxígeno, podemos utilizar el hidrógeno líquido y el oxígeno líquido que llevamos como combustible. Los cambios de temperatura que experimenta el motor del avión aeroespacial son peores que "llevar una chaqueta acolchada de algodón por la mañana y una gasa por la noche, comiendo sandía alrededor de la estufa". La temperatura de la cámara de combustión del motor es tan alta como 3000 ℃ ~ 3500 ℃. A esta temperatura, cualquier material existente se derretirá. Por lo tanto, la cámara de combustión debe enfriarse con hidrógeno líquido, de modo que la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la cámara de combustión sea de tres a cuatro mil grados centígrados. Es decir, la pared interior debe soportar una barbacoa de 3000°. C ~ 3500°C, y la pared exterior tiene que soportar una temperatura ultrabaja de -200°C. Incluso los materiales "saludables" no pueden soportarlo.

Por lo tanto, en 1987, el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Japón estableció un grupo de investigación especial y formuló un "plan de investigación para el desarrollo de materiales funcionales inclinados". Los llamados materiales funcionales inclinados son materiales que no temen ni al calor ni al frío cuando la diferencia de temperatura es grande. Este plan no es fácil de implementar, por lo que tardará cinco años en completarse. Sin embargo, los japoneses también concentraron sus fuerzas superiores y organizaron 20 empresas de primera clase, 6 institutos nacionales de investigación, 9 universidades y 3 miembros de investigación científica para abordar problemas clave. Como resultado, en 1988 se desarrolló con éxito un material funcional inclinado hecho de cobre y diboruro de titanio. Este material aún puede funcionar sin problemas cuando la temperatura de la superficie es de hasta 1500 ℃ y la temperatura de la superficie es de 800 ℃. Pero todavía queda un largo camino por recorrer hasta que se cumplan los requisitos para los motores de los aviones aeroespaciales.

¿Por qué este material tiene tales propiedades? Resulta que la composición química de este material cambia gradualmente a lo largo de la dirección del espesor. Es decir, un lado del material es 100% cobre, que es resistente a las heladas; el otro lado es 100% diboruro de titanio, que es muy resistente al calor; Pero entre las dos superficies, el diboruro de cobre y de titanio disminuyen alternativamente. Es decir, el cobre cambia gradualmente de 100% a 0, mientras que el diboruro de titanio cambia gradualmente de 0 a 100% empezando por el lado del cobre, es decir, aumenta "oblicuamente". Debido a que la composición del material entre las superficies frías y calientes cambia gradualmente, los cambios en la expansión y contracción térmica son muy suaves y no causarán grietas. Este material debe producirse mediante un proceso especial. El proceso general es el siguiente: bajo control por computadora, las proporciones de los cuatro polvos de materia prima: cobre, boro, titanio y diboruro de titanio se cambian gradualmente en un disco, capa por capa en el disco, y luego se calientan a 200 °C. El gas se extrae de la cámara de vacío y el volumen se comprime entre un 60% y un 70% de su volumen original. En este momento, se coloca en una cámara de reacción sellada y un lado del disco se calienta eléctricamente. En este momento, se produce inmediatamente una reacción química entre estos polvos, generando una gran cantidad de calor. Este calor, como una mecha encendida, se difunde automáticamente de un lado al otro del disco a una velocidad de 0,1 ~ 0,15 cm por segundo. El calor generado por la reacción química hace que el polvo se sinterice formando un material funcional denso e inclinado.

Este proceso particular, llamado combustión autopropagante, se puede utilizar para producir materiales funcionales inclinados para una variedad de necesidades y diferentes usos. Los materiales funcionales inclinados también son de gran utilidad en reactores nucleares y en medicina. Los reactores nucleares requieren cerámicas resistentes a la radiación en el interior y metales de alta resistencia con buena conductividad térmica en el exterior. Los dentistas utilizan materiales funcionales en ángulo para crear dentaduras postizas. Por ejemplo, se utiliza apatita porosa para la raíz del diente, cerámica de alta resistencia para las partes expuestas del diente y materiales de alta tenacidad para la parte central del diente. Después de insertar este tipo de diente, las células humanas pueden crecer en la raíz del cálculo de calcio con muchos microporos, haciendo que el diente se fije firmemente a las encías.