Muchos aviones comerciales utilizan sistemas de propulsión basados en la turbina de gas, que es un tipo de turbomáquina o máquina en la que se transfiere energía entre un rotor y un fluido. Por ejemplo, un simple ventilador de los que usamos para refrescarnos es una turbomáquina, ya que usa energía eléctrica para mover sus paletas e incrementar la presión del aire. Los aviones a reacción más antiguos se impulsaban mediante turborreactores, posteriormente reemplazados por turbohélices y turboventiladores, todos basados en la turbina de gas.
La figura 5.1-izqda. ilustra el funcionamiento de un turborreactor. Esta máquina tiene una zona de admisión en la que entra el aire del exterior. El aire se presuriza mediante un compresor (en la zona de compresión) y se mezcla con combustible, quemándose la mezcla continuamente en una cámara de combustión. La combustión calienta los gases, que salen a gran velocidad a través de la turbina. El rotor de esta, que tiene forma de ventilador, se pone a girar. Este movimiento giratorio, transmitido mediante engranajes a la zona de compresión, es precisamente el que hace que funcionen los compresores, que de esta manera siguen inyectando aire en la cámara de combustión. Los gases resultantes de la combustión más la fracción de aire caliente que no se quema salen al exterior a través de una tobera que los acelera (zona de escape). Se comprende que la fuerza impulsora del avión se basa en la tercera Ley de Newton o principio de acción y reacción, y por eso estos aviones se llaman reactores. El avión sufre un empuje hacia adelante porque expulsa hacia atrás grandes masas de gas a gran velocidad (por lo tanto, con una alta cantidad de movimiento o momento lineal mv).
A la hora de fabricar este tipo de motores, uno de los condicionantes principales es que en ellos los gases alcanzan unas temperaturas muy elevadas, por lo que la mayoría de los metales se pueden fundir. Con el paso del tiempo se ha necesitado que los aviones tengan más energía, lo que supone que los motores se calienten aún más. Por eso, fue preciso buscar materiales que soportaran cada vez temperaturas más altas. Y aunque se recurrió a las superaleaciones (apartado 1.6), se pensó también en buscar otro tipo de materiales no metálicos que fueran muy resistentes a la temperatura y tuvieran otras ventajas como un menor peso. Lógicamente, se estaba buscando una cerámica.
Ahora bien, no sirve cualquier cerámica para estos fines porque las condiciones dentro de un motor de turbina son muy severas, como un calentamiento desde temperatura ambiente a unos 1000 oC en segundos, unas presiones altísimas y un baño continuo en gases de combustión muy calientes, erosivos y corrosivos, y todo esto durante las miles de horas de vida útil que se exige a los motores de este tipo. Algunas superaleaciones aguantan bien estas condiciones. En cambio, la mayoría de las cerámicas se fracturan si sufren un cambio de temperatura mucho menor.
La elección de la cerámica adecuada desembocó en el nitruro de silicio, Si3N4. Los primeros materiales de nitruro de silicio no eran lo suficientemente resistentes, pero se fueron mejorando los procedimientos de síntesis y se consiguió desarrollar un nitruro de silicio 10 veces más resistente y tenaz gracias a una particular microestructura, que se muestra en la figura 5.2. Los granos son muy alargados y entrelazados, lo que dificulta la propagación de las grietas del mismo modo que los hilos entrelazados en una tela ayudan a que resista el desgarro.
Pronto se descubrió que el material tenía una combinación más versátil de propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas que casi cualquier material cerámico. Es muy resistente a las tensiones, el desgate, las altas temperaturas y los choques térmicos (cambios bruscos de temperatura) gracias a su bajo coeficiente de expansión térmica (apartado 4.1). Supera a muchos metales en propiedades térmicas con la ventaja de su resistencia a la fluencia (tendencia a deformarse lenta y espontáneamente incluso en ausencia de cargas externas; apartado 2.6) y a la oxidación, incluso a temperaturas elevadas. Empleándolo se consiguió aumentar la temperatura de funcionamiento de los motores de aviones, lo que supuso un incremento de potencia del 30% y además disminuyó el consumo de combustible en un 7%[4].
Pero, a pesar de las significativas mejoras en el material, el nitruro de silicio adolecía de ciertos problemas de confiabilidad (además de costo) que lo condenaron a ser descartado como material básico de las turbinas de gas de aviones, si bien hay fabricantes que lo usan en alguna de sus partes. Sí se emplea, no obstante, en motores de coches de tecnología diésel y de microturbina (figura 5.1-dcha.). No obstante, esto no significa que toda la investigación realizada durante años fuese un fracaso, pues, gracias a los desarrollos que se hicieron, el material tiene actualmente otras importantes aplicaciones, como se verá más adelante. Se aprovechan sus cualidades inusuales, como, por ejemplo, esta: un cable de nitruro de silicio del diámetro del palo de una escoba podría levantar 50 automóviles de 1300 kilos cada uno y no se rompería bajo una tensión de 108 pascales a 1350 oC durante 10000 horas[5].
El nitruro de silicio no es un material natural (aunque se ha encontrado en muy pequeñas proporciones en meteoritos). A pesar de que el silicio es uno de los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre y el nitrógeno constituye casi el 80% del aire que respiramos, son dos elementos que no tienen tendencia natural a enlazarse. El material se sintetiza calentando polvo de silicio a una temperatura muy alta (en torno a 1300 °C) empleando catalizadores (apartado 8.10) para acelerar el proceso en un recipiente cerámico cerrado lleno de gas nitrógeno. La reacción es:
3 Si + 2 N2 ⟶ Si3N4 [5.1]
Otra opción de síntesis es mediante reducción del SiO2 con carbón, que es un proceso habitual en metalurgia. El matiz en este caso es que la reacción se realiza en atmósfera de N2 (a casi 1450 oC) para que el Si obtenido en la reducción se combine con N2:
3 SiO2 + 6 C + 2 N2 ⟶ Si3N4 + 6 CO [5.2]
También se puede obtener en forma de películas por deposición química de vapor (apartado 4.1) haciendo reaccionar algún compuesto gaseoso de silicio (como SiH4, SiCl4 o SiCl2H2) con NH3[6]. Se pueden sintetizar otros nitruros de silicio de estequiometrías diferentes (Si2N(g), SiN, Si2N3), pero son menos estables.
Normalmente, al producto obtenido se le añade aproximadamente un 1-5% de MgO para mejorar sus prestaciones y se somete a prensado en caliente (apartado 5.2), tratamiento que puede darle prácticamente el 100% de la densidad teórica que puede alcanzar. Sin el prensado su densidad es mucho menor.
El nitruro de silicio se ha empleado mucho para fabricar elementos de herramientas de mecanizado de metales y otros materiales (cortado, taladrado, limado, torneado, fresado…). Las brocas, discos o plaquitas de tornear hechas de nitruro de silicio son excelentes gracias a que el material tiene gran tenacidad y resistencia al desgaste y es muy estable térmicamente, lo que le permite resistir los fuertes calentamientos que muchas de estas operaciones llevan consigo por rozamiento (las piezas se pueden calentar a más de 1000 oC enseguida). Está especialmente recomendado para el mecanizado rápido de hierro fundido, acero duro y superaleaciones, compitiendo a menudo con ventaja con la widia (carburo de wolframio; apartado 8.3).
Pero el material no solo se emplea en los elementos de corte de máquinas herramienta, sino también en sus rodamientos. Los rodamientos son bolas que sirven para reducir la fricción entre una pieza y el eje al que está conectada porque se sustituye un movimiento deslizante por uno de rodadura. En el centro de la figura 5.3 se muestra un cojinete de rodamientos. Se emplean en automóviles, patines, bicicletas, batidoras, turbinas eólicas e incluso en tornos de dentista. Estos tornos giran a velocidades que pueden superar las 200000 rpm y deben esterilizarse completamente después de su uso en un autoclave a altas presiones y temperaturas, condiciones que podrían alterar los lubricantes de los rodamientos hechos con otros materiales. Los de nitruro de silicio, que pueden funcionar con poca lubricación, resuelven el problema. Los rodamientos de Si3N4 se pueden fabricar extraordinariamente redondos y lisos. Si se pudieran ampliar al tamaño de la Tierra, la montaña más alta tendría menos de 10 metros de altura[7]. Entre las ventajas de los rodamientos de nitruro de silicio sobre los de acero se cuentan su mayor resistencia al rayado y desgaste; que se pueden pulir muy bien, de modo que ofrecen una fricción mucho más baja; que son más livianos y que se calientan menos, por lo que se dilatan poco.
Otra aplicación es en válvulas de retención de bola. Estos dispositivos consisten en un cuerpo esférico introducido en una tubería cilíndrica, siendo la función obvia de la esfera bloquear o permitir el paso del fluido contenido en la tubería. Este sistema se emplea en tuberías de bombas extractoras, ya sea de agua o de otros fluidos como el petróleo. Cuando la bomba extrae líquido, la bola se levanta y se coloca en un alojamiento lateral para permitir el paso del líquido; pero cuando la bomba cesa de actuar, la bola retorna por gravedad a su posición de cierre, con lo que impide que el líquido retorne. Por eso estas válvulas se llaman también anti-retorno. En las extracciones petrolíferas las bolas tienen que soportar presiones muy altas e impactos muy fuertes y además estar en contacto con fluidos corrosivos. Las de nitruro de silicio sobreviven muy bien en estas condiciones.
[1] Imagen: Jet engine spanish.svg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Jet_engine_spanish.svg&oldid=446766512.
[2] Imagen: Advanced ceramics for gas turbines. Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS. https://www.ikts.fraunhofer.de/en/departments/structural_ceramics/nonoxide_ceramics/nitride_structural_ceramics_with_electrical_function/advanced_ceramics_for_gas_turbines.html.
[3] A. Baggott et al. Mater. Charact., 141 (2018) 362-369. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.05.006.
[4] D. W. Richerson (op. cit.).
[5] D. W. Richerson (op. cit.).
[6] Silicon nitride. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Silicon_nitride.
[7] D. W. Richerson (op. cit.).
[8] Estas imágenes aparecen en varios sitios de Internet.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
