Superficies ultrafílicas que repelen el fundido a más de 1200 °C: Bioinspiración para estructuras direccionales

¿Cómo inhiben las estructuras superficiales la humectación a altas temperaturas?

Inspirados en las hojas de arroz con humectabilidad anisótropa, investigadores de la Universidad Jiaotong del Suroeste han creado estructuras direccionales bioinspiradas (BDS) mediante ablación láser de femtosegundos, inhibiendo la humectación de la fusión a alta temperatura (>1200 °C).

Este trabajo, publicado en la International Journal of Extreme Manufacturing, proporciona una nueva idea para inhibir la humectación de gotas fundidas en superficies super-melt-fílicas bajo condiciones de alta temperatura.

Los recubrimientos de barrera térmica (TBC) más utilizados, compuestos por ZrO₂ estabilizado con Y₂O₃, son esenciales para el funcionamiento fiable de los motores de turbina de gas utilizados para la aviación, la generación de energía y la marina bajo condiciones de alta temperatura. Cuando el aire que contiene silicato CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂ (CMAS) se ingiere en los motores, los TBC se corroen fácilmente por el CMAS fundido (temperatura de fusión habitual > 1200 ^oC), lo que provoca el fallo y el desprendimiento de los TBC.

Como alternativa, inhibir la humectación y la propagación de la fusión de CMAS en los TBC super-CMAS-melt-fílicos es prometedor para aliviar la corrosión desde la fuente. Sin embargo, existen dos desafíos principales en la aplicación del principio superhidrófobo para disminuir la humectabilidad del CMAS fundido a los TBC. Existe una diferencia significativa en las propiedades fisicoquímicas entre el CMAS fundido y el agua, y los modificadores químicos orgánicos empleados comúnmente para la superhidrofobicidad sufren inevitablemente oxidación y descomposición a altas temperaturas, lo que da lugar a opciones limitadas para los modificadores. La creación de micro/nanoestructuras convencionales en TBC super-CMAS-melt-fílicas generalmente aumenta la humectabilidad del CMAS según el modelo de Wenzel.

La naturaleza siempre nos brinda diversas inspiraciones para desarrollar sistemas artificiales avanzados. A diferencia de las hojas de loto, las hojas de arroz muestran una humectabilidad anisótropa porque la barrera de energía proporcionada por las matrices de macrocanales direccionales dificulta el movimiento del agua en la dirección perpendicular a los canales. ¿Pueden las estructuras direccionales bioinspiradas inhibir la humectación a alta temperatura del CMAS proporcionando barreras de energía anisótropas?

Utilizando la ablación láser de femtosegundos, los autores fabrican estructuras direccionales bioinspiradas en superficies de zirconia. Cuando las gotas fundidas entran en contacto con las superficies estructuradas, si la línea de contacto trifásica (TCL) se desplaza paralela a la dirección del canal, no es necesario superar la barrera de energía. Por el contrario, el movimiento de TCL perpendicular a la dirección del canal necesita superar una cierta barrera de energía. Debido a la presencia de la barrera de energía anisótropa, se inhibe la humectación del CMAS fundido a lo largo de la dirección radial de las estructuras.

La estrategia de diseño podría proporcionar una nueva solución para inhibir la humectación de la fusión a alta temperatura en superficies super-melt-fílicas.

Los investigadores continúan el trabajo, con la esperanza de inhibir la humectación dinámica de gotas fundidas a alta temperatura. También quieren asegurarse de que las estructuras ofrezcan un buen rendimiento para inhibir la humectación de otras fusiones a alta temperatura.

Acerca de IJEM:

International Journal of Extreme Manufacturing (IF: 16.1, consecutivo 1er en la categoría Ingeniería, Manufactura) es una nueva revista multidisciplinaria y de acceso abierto después de la revisión por pares doble anónima que cubre de forma única todo el espectro de la fabricación extrema.

La revista está dedicada a la publicación de artículos originales y revisiones de la más alta calidad e impacto en las áreas relacionadas con la ciencia y la tecnología de la fabricación de dispositivos y sistemas funcionales con dimensiones extremas (extremadamente grandes o pequeñas) y/o funcionalidades extremas, que van desde la ciencia fundamental hasta las tecnologías de vanguardia que respaldan la fabricación de productos de alto rendimiento que involucran técnicas emergentes y rompen los límites de las teorías, métodos, escalas, entornos y rendimiento actualmente conocidos.

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