Síntesis rápida in situ de nanopartículas bimetálicas de tungsteno-cobre mediante plasma térmico de radiofrecuencia reactivo

Resumen

Se reporta la síntesis in situ de nanopartículas bimetálicas de tungsteno-x % en peso de cobre (x = 5, 10, 20) mediante plasma térmico de radiofrecuencia (RF) acoplado inductivamente. El proceso reduce el trióxido de tungsteno (WO₃) y el óxido cúprico (CuO) a W y Cu metálicos bajo atmósfera de hidrógeno, generando partículas compuestas uniformemente dispersas.

Antecedentes

Los compuestos W-Cu son valorados por su estabilidad a altas temperaturas, baja expansión térmica y excelente conductividad eléctrica, lo que los hace ideales para aplicaciones en automoción, aeroespacial, generación de energía y electrónica. Sin embargo, sus puntos de fusión marcadamente diferentes —W a 3683 K y Cu a 1353 K—, combinados con una solubilidad mutua despreciable y altos ángulos de contacto, plantean desafíos significativos para la sinterización en fase líquida y la densificación convencionales. Ajustar la relación W/Cu (por ejemplo, <20 % en peso de Cu para gestión térmica, <80 % en peso de Cu para contactos de alta potencia) permite adaptar las propiedades mecánicas y de transporte.

Las rutas actuales de fabricación de nanopartículas —fresado mecánico, síntesis termoquímica y reducción química— a menudo producen partículas de forma irregular con uniformidad limitada y pobre densificación durante la sinterización posterior. La inmiscibilidad del W y el Cu dificulta la coalescencia de partículas, resultando en microestructuras subóptimas. Estudios recientes sugieren que recubrir micropolvos de W con nanopartículas de Cu puede mejorar la densificación mediante sinterización en fase líquida, ya que el Cu fundido infiltra los poros y promueve el transporte de masa.

Basándose en estos hallazgos, se empleó plasma térmico de RF acoplado inductivamente para producir nanopartículas compuestas de W-x % en peso de Cu. La alta temperatura del plasma y el enfriamiento rápido promueven la nucleación heterogénea y la coalescencia por colisión, superando potencialmente la barrera de inmiscibilidad y generando partículas bimetálicas uniformes.

Métodos

Los polvos de alimentación se prepararon mezclando micropartículas de WO₃ y CuO (pureza > 99,99 %) en proporciones de 5, 10 y 20 % en peso de Cu. La mezcla se secó a 423 K durante una hora. Estos óxidos fueron elegidos por sus bajos puntos de ebullición (WO₃ = 1973 K; CuO = 2273 K) respecto al W elemental (5828 K) y Cu (2835 K), facilitando su vaporización en el plasma. El plasma de inducción RF de 30 kW (Tekna, Quebec) vaporizó la materia prima; el gas hidrógeno redujo los vapores a metales W y Cu, mientras que los gases argón y nitrógeno proporcionaron enfriamiento y controlaron la cinética de nucleación. Las condiciones de vaporización y reducción completa se resumen en la Tabla 1.

Resultados

La microscopía electrónica de barrido acoplada a espectroscopía de rayos X dispersiva en energía (SEM-EDS) confirmó que las nanopartículas sintetizadas coinciden con las composiciones nominales de W-x % en peso de Cu (Fig. 1). La difracción de rayos X (XRD) reveló la presencia de fases α-W (bcc, Im-3m), β-W (A15, Pm-3n) y Cu (fcc, Fm-3m), indicando reducción completa de los óxidos y persistencia parcial del β-W metaestable (Fig. 2). La microscopía electrónica de transmisión (TEM) mostró partículas cuboides y esféricas con diámetros promedio de 28,2 nm (5 % en peso de Cu), 33,7 nm (10 % en peso de Cu) y 40,2 nm (20 % en peso de Cu) (Fig. 3). El mapeo elemental mediante STEM de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF-STEM) confirmó la dispersión uniforme de W y Cu dentro de nanopartículas individuales (Fig. 4). El análisis estructural de la muestra con 20 % en peso de Cu distinguió cuboides de α-W de esferas de β-W y Cu (Fig. 5).

El tratamiento térmico a 1073 K en hidrógeno eliminó la fase β-W, como evidencian los patrones XRD y de difracción de área seleccionada (Fig. 6), confirmando que las partículas sintetizadas por plasma pueden reducirse completamente durante la sinterización.

Discusión

El uso de WO₃ y CuO como precursores permite una vaporización eficiente y reducción selectiva. Los átomos de W nuclean a temperaturas más altas debido a su menor presión de vapor, seguidos por la nucleación de Cu a medida que el gas se enfría. La condensación heterogénea y la coalescencia por colisión entre átomos de W y Cu producen nanopartículas compuestas. La pobre mojabilidad del Cu sobre el W favorece el crecimiento en islas, pero la inmiscibilidad impide la mezcla completa, resultando en dominios distintos de W y Cu dentro de cada partícula —una arquitectura ventajosa para controlar las vías eléctricas y térmicas.

El β-W residual, una fase metaestable, puede eliminarse completamente mediante tratamiento térmico posterior a la sinterización, asegurando una matriz α-W estable para un rendimiento mecánico óptimo.

Conclusiones

Se demostró un método rápido, in situ, de plasma térmico RF para producir nanopartículas bimetálicas W-x % en peso Cu (x = 5, 10, 20). El proceso logra la reducción completa de WO₃ y CuO, dispersión uniforme de dominios de W y Cu, y morfología de partícula ajustable. Estos hallazgos proporcionan una ruta escalable para fabricar compuestos metálicos inmiscibles para aplicaciones termoeléctricas avanzadas.