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Procesamiento y caracterización de materiales porosos de fases MAX

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2018-01-18
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2018-01-18
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Las fases MAX son un grupo de compuestos ternarios cuya fórmula general es Mn+1AXn, (siendo M un elemento de transición, A un elemento generalmente de los grupos IIIA o IVA, X puede ser C o N, y n=1-3). Tienen una estructura cristalina nanolaminada que les confiere propiedades inusuales. Aúnan propiedades típicas de metales y cerámicos, como alta rigidez, buenas propiedades mecánicas a alta temperatura, alta resistencia a corrosión y oxidación, buena conductividad térmica y eléctrica. Además, presentan un mecanismo de amortiguación mecánica característico de los materiales laminados: deforman creando bandas de tipo “kink”, similares a pliegues, lo que les permite absorber gran cantidad de energía. Con el fin de potenciar estas propiedades, esta tesis doctoral trata de optimizar el procesamiento en forma porosa y con control de la porosidad (cantidad, tamaño, morfología y distribución). En esta tesis doctoral se plantea el procesamiento y la caracterización de estructuras porosas de Ti2AlC y Ti3SiC2, pertenecientes a la familia de las “fases MAX”. Las estructuras porosas se han elaborado a partir del material en polvo mediante dos técnicas pulvimetalúrgicas (i) por vía seca utilizando el método del espaciador y (ii) por vía húmeda mediante técnicas coloidales y el empleo de una plantilla de sacrificio. Se han optimizado los parámetros del procesamiento, se ha estudiado la porosidad (cantidad, tamaño, morfología y distribución) y se ha vinculado esta con los parámetros del procesamiento para poder diseñar propiedades a medida desde la etapa de procesamiento. Por el método del espaciador, vía seca, se han procesado el Ti2AlC y Ti3SiC2. El método incluye mezclado, compactación, disolución y sinterización. Se ha estudiado la compresibilidad de los materiales, se han optimizado las condiciones de eliminación del espaciador y se ha estudiado el efecto del sinterizado en la composición de las fases. Con el fin de controlar la cantidad de porosidad y tamaño de poro en la estructura porosa, se han introducido distintas cantidades de espaciador y tamaños de espaciador. Se ha estudiado la influencia de los parámetros del procesamiento sobre la microestructura de las estructuras porosas producidas. Por la vía húmeda, se han elaborado suspensiones acuosas mediante técnicas coloidales. Para obtener una suspensión estable que genere una estructura con propiedades óptimas, se ha caracterizado la suspensión mediante el estudio del potencial-ζ. Se ha optimizado el pH y la cantidad de dispersante. Mediante reología se ha estudiado la cantidad óptima de contenido en sólidos. El comportamiento reológico se ha optimizado con la adición de metilcelulosa como agente espesante. Mediante un infiltrado en plantilla polimérica se ha conseguido la estructura porosa. La microestructura de los materiales porosos se ha estudiado en profundidad mediante análisis de imagen de SEM y tomografía de RX y se ha vinculado con los parámetros del procesamiento. Se han caracterizado las fracciones sólida y porosa cuantificando: espesor de las paredes, distribución de la fracción de sólido a lo largo de la muestra, homogeneidad de la porosidad, morfología de la porosidad (tamaño medio de poro, relación de aspecto, circularidad, esfericidad y elongación) y fracción de porosidad. A continuación, se estudiaron las propiedades funcionales de los porosos de Ti2AlC y Ti3SiC2 y el efecto de los parámetros de la porosidad. El aumento de la porosidad ha mostrado una disminución lineal de la conductividad térmica (a temperatura ambiente y hasta 300ºC) y la conductividad eléctrica (a temperatura ambiente y hasta 500ºC). El aumento del tamaño de poro incrementa el espesor de las paredes y aumenta la conductividad térmica; la conductividad eléctrica disminuye con el aumento de tamaño de poro debido a que se incrementa la tortuosidad en la estructura porosa. La resistencia a oxidación ha mostrado la misma tendencia que los materiales completamente densos a 1000ºC (Ti2AlC) y a 900ºC (Ti3SiC2) durante 240 h en ciclos de 24 horas. No se ha producido espalación en los porosos mostrando así la buena resistencia y calidad de los materiales elaborados en esta tesis doctoral. La variación de las propiedades elásticas (E, G y ν) con la porosidad se ha ajustado con precisión a modelos matemáticos. Se ha comprobado que las propiedades elásticas dependen principalmente de si existe o no interconectividad en la porosidad y que esta característica influye más en las propiedades elásticas que el tamaño de poro. Las propiedades mecánicas se han caracterizado frente a la porosidad. Se ha determinado cómo el espesor de las paredes modula la resistencia a compresión: el espesor de pared aumenta al disminuir la porosidad y aumentar el tamaño de poro, y esto incrementa la resistencia a compresión. La adición de porosidad permite modular las propiedades finales del material para ajustarlas a aplicaciones específicas desde la etapa de procesamiento. El Ti2AlC y Ti3SiC2 en forma porosa obtenidos en esta tesis han resultado bien consolidados y robustos. El ajuste de las características de la porosidad permite modularlos para una gama de aplicaciones como intercambiadores de calor, filtros de gas caliente, materiales con alta tolerancia al impacto, soportes para dispositivos catalíticos en automóviles, biomateriales, colectores o captadores solares, etc.
MAX phases are a group of ternary compounds whose general fomula is Mn+1AXn (where M is a transition element, A an element generally from groups IIIA o IVA, X may be C or N, and n=1-3). They have a nanolaminated structure that gives them unusual properties. They combine typical metal and ceramic properties, such as high rigidity, good mechanical properties at high temperatures, high resistance to corrosion and oxidation and good thermal and electrical conductivity. Furthermore, they show the mechanical damping (shock-absortion) characteristic of laminated materials: they deform forming kink bands, which allows them to absorb large amounts of energy. With a view to boost these properties, this doctoral thesis attempted to optimize their processing in a porous form and with control of porosity (amount, size, morphology and distribution). This doctoral thesis approaches the processing and characterization of porous structures of Ti2AlC and Ti3SiC2, both belonging to the MAX phase family. The porous structures were produced from powder material using two powder metallurgy techniques (i) dry processing using a spacer and (ii) wet processing with colloidal techniques using a sacrifice template. Processing parameters were optimized, porosity (amount, size, morphology and distribution) was analyzed and linked with the processing parameters in order to design custom properties from the processing stage. Both Ti2AlC and Ti3SiC2 were dry-processed using a spacer method. The method employed includes mixing, compacting, dissolution and sintering. The compressibility of the materials was analyzed, spacer removal conditions were optimized and we studied the effect of sintering on the phases. To monitor porosity and pore size in the resulting porous structure, the spacer was introduced in varying quantities and sizes. The impact of processing parameters on the microstructure of the resulting porous structures was analyzed. Also, aqueous suspensions were generated through colloidal techniques in wet processing. To obtain a stable suspension capable of producing a structure showing optimal properties, the suspension was characterized by analyzing its ζ potential. We also optimized the pH and the amount of dispersing agent. The optimal quantity of solid content was analyzed using rheology. Rheological behavior was optimized by the adition of metilcelulose as a thickening agent. The porous structure was generated by infiltration in a polymeric template. The microstructure of the porous material was analyzed through SEM image analysis and RX tomography, and it was linked to processing parameters. Solid and porous fractions were characterized quantifying the following: wall thickness, solid fraction distribution in the sample, uniformity of porosity, and porosity morphology (average pore size, aspect ratio, circularity, esfericity and elongation) and fraction. Then, functional properties of porous Ti2AlC and Ti3SiC2 and the effect of the parameters on porosity were analyzed. Increases in porosity produced a linear decrease in thermal conductivity (from room temperature up to 300ºC) and in electrical conductivity (from room temperature up to 500ºC). Increasing pore size increases wall thickness and thermal conductivity along with it; electrical conductivity decreases as pore size increases due to the concomittant increase in tortuosity in the porous structure. Resistance to oxidation showed the same tendency observed in the respective dense materials at 1000ºC (Ti2AlC) and at 900ºC (Ti3SiC2) in 24 hour cycles for a total of 240 hours. No spallation was produced in the porous materials, thus showing the high resistance and quality of the materials produced in this doctoral thesis. Elastic property (E, G and ν) variation with porosity was precisely adjusted to mathematical models. We have verified that elastic properties depend mainly on the existence of interconectivity in the porosity, so that this characteristic has a higher impact on elastic properties than does pore size. Mechanical properties vs porosity were also characterized. We have seen how wall thickness modulates resistance to compression: wall thickness increases as porosity decreases and as pore size increases, which augments resistance to compression. Adding porosity allows modulation of the final properties of the material from the processing stage to fine-tune them to specific applications. The resulting porous Ti2AlC and Ti3SiC2 obtained in this thesis work showed good consolidation and robustness. Fine-tuning porosity characteristics allows their adaptation to a range of applications such as heat exchangers, hot gas filters, high impact tolerance materials, catalytic devices in automobiles, biomaterials, solar energy collectors, etc.
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Pulvimetalurgia, Ensayo de materiales, Optoelectrónica, Tomografía computarizada
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