La imagen avanzada se une a la IA

Transformación del análisis de revestimientos de barrera térmica con la ChemiSEM de Apreo

La caracterización de materiales es clave para el rendimiento y la seguridad en muchos sectores industriales, sin embargo, los métodos convencionales suelen ser deficientes. El sistema Apreo ChemiSEM de Thermo Scientific ofrece una solución completa y eficaz al integrar imágenes avanzadas con análisis impulsados por IA, mejorando significativamente la velocidad y la precisión de la evaluación de materiales.

Aplicados en una capa fina a la superficie de un componente, los revestimientos de barrera térmica (TBC) pueden prolongar la vida útil de los componentes al aumentar la resistencia a las altas temperaturas, la corrosión y la tensión mecánica.1 Por este motivo, los TBC se han adoptado ampliamente en la industria aeroespacial. Sin embargo, la caracterización y optimización de estos materiales sigue siendo un reto debido a sus complejas estructuras y requisitos de rendimiento. El sistema Apreo ChemiSEM de Thermo Scientific ofrece una solución mediante el uso de un enfoque de microscopía correlativa que integra varias técnicas con análisis de imágenes asistido por IA para agilizar este proceso de caracterización.

Problema: Las limitaciones de los métodos tradicionales en la caracterización de materiales

Las industrias que utilizan TBC suelen requerir que el componente resista condiciones extremas mientras soporta la vida humana y una costosa carga. Este es el caso de las aplicaciones aeroespaciales, en las que los álabes de las turbinas y las piezas de los motores deben funcionar a temperaturas cercanas a los 1.800 °C.

Los métodos tradicionales de caracterización de materiales, como la preparación manual de muestras y el extenso análisis de datos, pueden ser lentos y propensos a errores. Esto provoca retrasos en el desarrollo de materiales e ineficiencias en el control de calidad, lo que en última instancia repercute en el rendimiento y la seguridad.

Los TBC suelen constar de una capa superior cerámica, una capa de adherencia y óxidos crecidos térmicamente. La morfología, la composición química y las propiedades físicas y mecánicas de estas capas pueden influir directamente en la eficacia del TBC. La complejidad de este tipo de materiales multicapa supone un reto para las técnicas convencionales de obtención de imágenes, ya que los métodos tradicionales de preparación de muestras, como el corte, el esmerilado y el pulido, requieren un esfuerzo manual y un tiempo considerables. Además, el procesamiento manual y la interpretación de las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) y el análisis de la composición de grandes superficies requieren mucho trabajo y pueden introducir sesgos por parte del usuario, lo que complica aún más el proceso.

Solución: El enfoque integrado del Apreo ChemiSEM de Thermo Scientific

El sistema Apreo ChemiSEM está diseñado para superar estos desafíos mediante la combinación de imágenes de alta resolución, análisis químico integrado y automatización avanzada para agilizar el proceso de caracterización de materiales. A continuación se describen los pasos necesarios para superar estos retos clave:

1. Preparación eficaz de las muestras

Para superar los métodos de preparación de muestras que requieren mucho tiempo y trabajo, el sistema Apreo ChemiSEM es compatible con el sistema de haz de iones amplio CleanMill para reducir significativamente el tiempo de preparación de muestras de hasta 13 horas a sólo 90 minutos. Esto garantiza que incluso materiales complejos como los TBC puedan prepararse de forma eficiente sin comprometer la calidad de los datos.

2. Imágenes de alta resolución para muestras grandes y complejas

El sistema de detección Trinity de la ChemiSEM de Apreo proporciona imágenes de alta resolución incluso para muestras complejas mediante la recopilación simultánea de información de superficie, topográfica y de composición, ofreciendo un amplio conjunto de información de una sola vez. Un flujo de trabajo como el descrito, optimizado para la máxima automatización con el fin de garantizar los resultados más fiables, es especialmente valioso en entornos industriales. En estos entornos, la capacidad de analizar con rapidez y precisión muestras de gran tamaño puede dar lugar a productos de mayor rendimiento y longevidad.

3. Análisis químico y estructural exhaustivo

Una característica clave del ChemiSEM de Apreo es su tecnología ChemiPhase, que mapea automáticamente la distribución y cuantifica las diferentes fases dentro de un material. En aplicaciones aeroespaciales, esta técnica permite un análisis detallado de las capas de adherencia y de acabado de TBC, identificando las transformaciones de fase causadas por la exposición a altas temperaturas. El detector TruePix de difracción de electrones en retrodispersión (EBSD) y el software EBSD del sistema mejoran aún más la caracterización del material al proporcionar información cristalográfica junto con la composición química, lo que permite conocer más a fondo las propiedades del material, como la estructura del grano, que son cruciales para aplicaciones de alta tensión.

4. Microscopía correlativa y análisis de imágenes asistido por IA

El ChemiSEM de Apreo integra múltiples modalidades de imagen para proporcionar una visión completa de las microestructuras de los materiales. El SEM se utiliza junto con la Espectroscopía de Energía Dispersiva de Rayos X (EDS) para identificar los diferentes materiales presentes en las distintas capas del TBC, mientras que el análisis de imágenes asistido por IA automatiza la detección de fases en toda la superficie del material. Esto permite la visualización simultánea de la morfología y la composición química en un área extensa, lo que reduce la introducción manual de datos y acelera la obtención de resultados. Al automatizar el análisis de imágenes mediante el aprendizaje automático, el sistema puede identificar y segmentar fases con una precisión superior al 95 % para las métricas de segmentación de fases. Este enfoque basado en IA garantiza una caracterización más rápida y precisa de materiales complejos.

Impacto en la industria: Implicaciones para la industria aeroespacial, automovilística y de fabricación de baterías

Las capacidades del sistema ChemiSEM de Apreo son especialmente beneficiosas en industrias de alto rendimiento como la aeroespacial, la automoción y la fabricación de baterías, como se destaca a continuación:

> Aeroespacial: como se ha explicado anteriormente, los TBC utilizados en motores de aviación pueden caracterizarse en cuanto a difusión elemental, transformación de fases e integridad estructural tras un servicio prolongado a temperaturas extremas. El rápido análisis proporcionado por el ChemiSEM de Apreo ayuda a garantizar la fiabilidad de los componentes y a reducir los costes de mantenimiento. Además, la caracterización automatizada y exhaustiva de materiales permite una inspección minuciosa de los diversos materiales utilizados en la industria aeroespacial, ofreciendo una visión más profunda de esta industria en constante evolución.

> Automoción: El sistema ChemiSEM de Apreo permite el examen detallado y la optimización de los revestimientos y materiales utilizados en la industria del automóvil. Los revestimientos mejorados aumentan la durabilidad de los vehículos al proporcionar una mayor protección contra la corrosión, los daños causados por los rayos UV y el desgaste, al tiempo que mejoran la eficiencia del combustible gracias a sus propiedades aerodinámicas o de baja fricción. Además, los revestimientos de larga duración y los acabados superiores ofrecen un mayor atractivo estético con menores costes de mantenimiento....

> Fabricación de baterías: Los componentes de las baterías de iones de litio requieren un control preciso de la composición y microestructura del material. El ChemiSEM de Apreo podría ofrecer imágenes y análisis químicos de complejos electrolitos de estado sólido multicapa para baterías de litio, permitiendo una mejor comprensión y optimización de las interfaces de los electrolitos. Esto podría aumentar el rendimiento de las baterías, incrementar la densidad energética y aumentar la seguridad de las baterías de litio de estado sólido, lo que hace que el sistema sea muy valioso para el avance de las tecnologías de baterías de próxima generación.

Conclusiones: Mayor rendimiento industrial con Apreo ChemiSEM

El sistema Apreo ChemiSEM de Thermo Scientific proporciona una solución eficiente y automatizada para la caracterización de materiales en industrias donde el alto rendimiento y la fiabilidad son esenciales. Al integrar la microscopía correlativa con el análisis asistido por IA, el sistema reduce significativamente el tiempo y la complejidad que conlleva el análisis de materiales multicapa como TBCs, recubrimientos de automoción y componentes de baterías. Para los fabricantes aeroespaciales, de automoción y de baterías, Apreo ChemiSEM es una potente herramienta que promete acelerar el desarrollo de productos, reforzar el control de calidad y garantizar la durabilidad a largo plazo de componentes críticos. Su capacidad de integración con otros dispositivos, que permite mejorar la preparación de muestras y automatizar la obtención de imágenes y el análisis de fases, lo convierte en un activo vital para cualquier laboratorio industrial que se enfrente a los retos de la caracterización moderna de materiales.

Referencias y lecturas adicionales

1. NASA. (2010). [En línea] Coatings Extend Life of Engines and Infrastructure. Disponible en: https://spinoff.nasa.gov/Spinoff2010/t_7.html (Consultado el 18 de septiembre de 2024).

2. Thermo Scientific. (2024). [RESOURCE PROVIDED IN BRIEF] App Note, Datasheet, Case Study, White Paper, Technical Note.

3. ThermoFisher Scientific. [Hoja de datos] Apreo ChemiSEM System. Disponible en: https://assets.thermofisher.com/TFS-Assets/MSD/Datasheets/apreo-chemisem-system-ds0508-en.pdf

4. Hu, Y, et al. (2023). Multi-layered electrolytes for solid-state lithium batteries. Next Energy. doi.org/10.1016/j.nxener.2023.100042

5. Clerici, D. (2024). Diffusion-induced stress amplification in phase-transition materials for electrodes of lithium-ion batteries. International Journal of Mechanical Sciences. doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2024.109541

6. Bogdan, M., et al. (2024). A Comprehensive Understanding of Thermal Barrier Coatings (TBCs): Applications, Materials, Coating Design and Failure Mechanisms. Metals. doi.org/10.3390/met14050575