Caracterización estructural y mecánica de un material cerámico de borato de aluminio: un enfoque integral experimental y computacional

Abstract

El borato de aluminio (Al5BO9) es un material cerámico que puede obtenerse mediante distintas rutas de síntesis basadas en compuestos de aluminio y boro, y que ha despertado interés debido a sus propiedades estructurales y mecánicas, así como a su potencial en aplicaciones donde se requiere estabilidad térmica y baja densidad. El presente trabajo aborda el estudio de las propiedades estructurales y mecánicas del Al5BO9 mediante un enfoque que integra técnicas experimentales de síntesis y caracterizaci ón con simulaciones computacionales basadas en cálculos primeros principios. Experimentalmente, se sintetizaron muestras por reacción en estado sólido, evaluando el efecto de distintas presiones de conformado en la consolidación del material. La identificación de las fases cristalinas se llevó a cabo mediante difracción de rayos X, confirmando la obtención de la fase de interés y permitiendo el análisis de los parámetros estructurales mediante refinamiento Rietveld. Asimismo, se empleó el método de Arquímedes para determinar la porosidad y la gravedad específica aparente, observando que no se presentan variaciones significativas entre las muestras, lo cual permite aislar el efecto de la microestructura en la respuesta mecánica del material. El análisis mediante microscopía electrónica de barrido permitió observar la presencia de cristales con morfología acicular, revelando que el aumento en la presión de conformado promueve una microestructura con mayor grado de empaquetamiento e interconectividad. La respuesta mecánica se caracterizó mediante la técnica de excitación por impulsos, estableciendo una correlación directa entre la presión de conformado y los módulos elásticos. En particular, se encontró que las muestras prensadas a mayores presiones exhiben un comportamiento mecánico más cercano al del material completamente denso, evidenciando que la mejora en la conectividad efectiva de la red favorece la transmisión de esfuerzos más allá de lo esperado únicamente por cambios en la porosidad. Por otro lado, el estudio computacional basado en la Teoría del Funcional de la Densidad permitió determinar las propiedades del material en su límite completamente denso. A través del ajuste de una ecuación de estado se caracterizó el comportamiento elástico del sistema, obteniendo resultados en buen acuerdo tanto con los valores experimentales determinados en este trabajo como con los reportados en la literatura. Esto proporciona un marco de referencia teórico para interpretar y validar las observaciones experimentales. Los resultados muestran que, si bien es sabido que la porosidad define en gran medida las propiedades mecánicas, factores microestructurales tales como la morfología acicular, el ancho característico de los cristales y su conectividad efectiva también son determinantes en la transmisión de esfuerzos. Además, se concluye que la combinaci ón de métodos experimentales y teóricos resulta de utilidad para desacoplar los efectos microestructurales de la porosidad, permitiendo una descripción más robusta del comportamiento mecánico del Al5BO9.