Tecnologia dels materials: amb qüestions i exercicis 2a edició [versió html]

Dins de la disciplina de Ciència i Enginyeria dels Materials, en la qual s’estudia la interrelació entre l’estructura, el processament, les propietats i les aplicacions dels materials, aquest llibre intenta descriure com les tècniques de processament industrial afecten l’estructura dels materials. L’enfocament del text se centra en el material, no pas en les tècniques emprades, temàtica més propera a les tecnologies de fabricació. El temari s’ha organitzat en cinc grans temes. Els quatre primers intenten donar els fonaments d’una tecnologia de processament (colament dels metalls, conformació per deformació, conformació per sinterització, tractaments tèrmics) mentre que el cinquè es dedica a la corrosió. El temari no inclou la tecnologia dels materials polímers que mereixeria un temari específic

Híbridos orgánico-inorgánico a escala nanométrica

Proyecto de investigación de una estancia en el Centro de Física Aplicada y Tecnologia Avanzada de la Universidad Nacional Autónoma de México, Méjico, entre junio y septiembre del 2007. Diseño de nuevos materiales con aplicaciones avanzadas mediante la mezcla íntima de materiales nanométricos (nanopartículas y macromoléculas). El tipo de posibles aplicaciones de tales materiales van desde la fotovoltaica, a la magnetorresistencia (mezcla de polímeros conductores y nanopartículas magn-eticas –objetivo 1 de éste proyecto-), la óptica, la Catálisis, y el drug delivery (utilizando las nanopartículas adheridas a la cápsula de liberación como marcadores y como localizadores mediante campos electromagnéticos, controlando su permeabilidad a voluntad –objetivo 2- de éste proyecto ) entre otras.

Determinación cualitativa de los componentes del cemento portland CEM I 52,5-R endurecido

Se pretende contribuir al esclarecimiento de la causa o causas de la importante disminución de la resistencia de las pastas de cemento portland sometidas a altas temperaturas. Para ello el primer paso y el que desarrolla este trabajo final de carrera es la determinación de los diferentes componentes de las pastas de cemento portland y más concretamente las fases en las que se encuentran los C-S-H a diferentes edades ya que son los responsables de las principales resistencias mecánicas de los materiales realizados con cemento portland, como los morteros y los hormigones.

Desarrollo de nuevos materiales sólidos para la captura de CO2 a alta temperatura

El efecto invernadero provocado por la emisión masiva de CO2 derivado de la combustión de derivados fósiles, entre otros, está provocando serios problemas ambientales que afectan a ecosistemas de todo el planeta. Para reducir las emisiones se emplea la ciencia para diseñar nuevos métodos para capturar CO2 proveniente de la industria, transporte, energía, etc., y así causar el mínimo impacto ambiental posible hasta que dispongamos de la tecnología suficiente para abastecer la demanda energética por fuentes renovables. Entre las distintas tecnologías existentes, el trabajo pretende desarrollar un material sintético basado en calcio para captura Post-Combustión de CO2 en condiciones de presión atmosférica y alta temperatura (750 ºC) para la principal aplicación en centrales termoeléctricas. El material ha sido sintetizado por duplicado aplicando una caracterización de área superficial BET, microestructura con MEB, detección de fases con XRD y finalmente un estudio de la captura de CO2 con microbalanza de suspensión magnética. También es objetivo del trabajo estudiar el comportamiento de captura del material cuando existe la presencia de agua y/o SO2 éste normalmente presente en los gases de salida procedentes de la combustión de combustibles fósiles, tal como carbón, petróleo o gas natural. De nuevo las técnicas mencionadas han sido utilizadas para el estudio del comportamiento de captura. El material, tiene una captura de CO2 superior a otros materiales utilizados con el mismo fin. Se comporta mejor en presencia de agua y se anula la capacidad de captura por la formación de CaSO4, si en el flujo de gases está presente SO2 en una concentración mínima del 0,95%. Finalmente se realiza una breve mención sobre el posible impacto ambiental de la implantación del material así como un pequeño análisis de costes asociados a la utilización del mismo en comparación con otro material utilizado actualmente.

Desarrollo de materiales sólidos para captura de CO2 a bajas temperaturas

Una vez comprobado el problema medioambiental existente en nuestro planeta en cuanto a emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y con el objetivo de reducir dichas emisiones, se están desarrollando nuevos métodos y materiales sintéticos para la captura de CO2, entre otros. Este proyecto pretende estudiar una tecnología de captura de CO2, centrándose en el estudio postcombustión basado en materiales sólidos compuestos por sílice impregnados del grupo amino. El método experimental utilizado ha consistido en realizar las síntesis por duplicado de tres materiales diferentes basados en un soporte de sílices impregnadas con aminas diferentes: 3‐aminopropiltrimetoxisilano (APTMS), N‐3‐(trimetoxisil)propil)etano‐1,2‐ diamina) (AEAPTMS) y Polietilenimina (PEI). Estos materiales han sido caracterizados mediante las técnicas experimentales: Análisis de área superficial BET, pH, Análisis Termogravimétrico, Análisis Elemental y Microscopia Electrónica de Barrido (MEB). El estudio para evaluar la captura de CO2, se ha realizado mediante la Balanza de Suspensión Magnética en condiciones de presión atmosférica y bajas temperaturas (45‐105ºC). Con un 10 vol. % CO2 en N2 a 45ºC para la absorción CO2 y a 105ºC para la desorción. La capacidad de captura de CO2 para los materiales estudiados se sitúa entorno a un 3%, que difiere considerablemente de los estudios publicados en la bibliografía. En contrapartida el comportamiento de los materiales sometidos al proceso de captura de CO2 es constante, ya que perdura a lo largo de los ciclos, y reversible debido a la práctica totalidad de absorción y desorción de masa en este proceso.

Anàlisi paramètrica de l'assaig a compressió d'un panell de material compost rigiditzat amb tres nervis

L’objectiu d’aquest treball és desenvolupar una metodologia per realitzar l’anàlisiparamètrica de l’assaig de compressió d’un panell de material compost rigiditzat ambtres nervis. En primer lloc és necessari desenvolupar un sistema automatitzat per generar i avaluar el conjunt de parametritzacions. A continuació, s’estudiaran quines variables d’estat són les més adequades per representar el vinclament local, la flexió global, la càrrega crítica de desestabilització i l’índex de fallada en l’anàlisi paramètrica. La modelització amb el mètode dels elements finits serveix per simular l’assaig a compressió del panell. La simulació es realitza mitjançant un càlcul no lineal, per estudiar la desestabilització i els fenòmens no lineals que pateix el panell. L’estudi es complementa amb una anàlisi modal i una anàlisi lineal

Failure mechanism under tensile loads in CFRP 0-90º cross-ply laminates containing voids

The failure mechanism of a voided CFRP 0-90° cross-ply laminate under tensile loads applied in one direction was studied in this Final Degree Project. For this purpose, voided coupons were manufactured for being tested and a FEA was done. In both investigations, voids were placed in 90º and 0º direction, in order to understand the void location influence. On the one hand, the behaviour of the voided laminates was investigated through a FEM in order to preview the stress distribution within the material. On the other hand, voided specimens where manufactured by applying blowing agent in between the inner layers. These specimens were tested by a quasi-static step wise tensile test where data showing its real behaviour was collected. Specimens were X-rayed after each step of the test in order to investigate the failure mechanism of the composite. Data from the test was studied so that relations such as strength of the laminates, crack density per stress, void length per first crack at the void and void area per first crack at the specimen could be characterized

Síntesis de nuevos catecoles como precursores de materiales adhesivos bioinspirados

En nuestro grupo de investigación y en colaboración con el Doctor Daniel Ruiz-Molina del Centro de Investigación en Nanociencia y Nanotecnología (CIN2) de este campus universitario, hemos iniciado un proyecto que se plantea lograr biomimetizar ciertas proteínas adhesivas de moluscos, cuya adherencia se debe a la presencia de la funcionalidad catecol. El objetivo es poder desarrollar nuevos materiales adhesivos basados en esa funcionalidad, siendo necesaria por lo tanto el desarrollar protocolos sintéticos para la obtención de compuestos tipo catecol convenientemente sustituidos. Concretamente, en el presente trabajo de Master en Experimentación Química se ha conseguido la síntesis de los nuevos catecoles 1 y 2, que incorporan en su estructura una cadena alquílica acabada con la funcionalidad tiol, con el fin de poder desarrollar más adelante superficies o nanopartículas de oro adhesivas. Para la síntesis del 4-(3’-mercaptopropil)catecol 1 se ha puesto a punto una ruta de obtención partiendo del producto comercial eugenol, consistente en 3 etapas sintéticas y con un rendimiento global cercano al 70%. También se ha desarrollado una ruta sintética para el 4-(7’-mercaptopropil)catecol 2 que parte del 3,4-dimetoxibenzaldehído, y consta de 6 etapas, presentando un rendimiento global del 25%.

Residual Stress Measurement on a MEMS Structure With High-Spatial Resolution

A new approach to the local measurement of residual stress in microstructures is described in this paper. The presented technique takes advantage of the combined milling-imaging features of a focused ion beam (FIB) equipment to scale down the widely known hole drilling method. This method consists of drilling a small hole in a solid with inherent residual stresses and measuring the strains/displacements caused by the local stress release, that takes place around the hole. In the presented case, the displacements caused by the milling are determined by applying digital image correlation (DIC) techniques to high resolution micrographs taken before and after the milling process. The residual stress value is then obtained by fitting the measured displacements to the analytical solution of the displacement fields. The feasibility of this approach has been demonstrated on a micromachined silicon nitride membrane showing that this method has high potential for applications in the field of mechanical characterization of micro/nanoelectromechanical systems.

Re-disseny d’utillatge i anàlisi de vinclament per l’assaig de compressió en laminats prims

El grup de recerca AMADE de la Universitat de Girona està especialitzat en la caracteritzacióde materials compòsits. Per avaluar la resistència i la tolerància al dany d'aquestes estructures,típicament es realitzen dos assajos: impacte a baixa velocitat i compressió després d'impacte(CAI per les sigles en anglès de Compression After Impact), respectivament. L'objectiu del'assaig CAI és obtenir la resistència residual a compressió de l'estructura.L'objectiu d'aquest treball és el de crear una adaptació per l'utillatge capaç d'assajar plaquesamb baix gruix . La modelització amb el mètode dels elements finits serveix per avaluar quantitativament el valorde les càrregues crítiques de vinclament per diferents gruixos de placa.Les plaques d'assaig són plaques de material compòsit amb làmines unidireccionals amb apilamentsimètric i balancejat

A Thermodynamically Consistent Damage Model for Advanced Composites

A continuum damage model for the prediction of damage onset and structural collapse of structures manufactured in fiber-reinforced plastic laminates is proposed. The principal damage mechanisms occurring in the longitudinal and transverse directions of a ply are represented by a damage tensor that is fixed in space. Crack closure under load reversal effects are taken into account using damage variables established as a function of the sign of the components of the stress tensor. Damage activation functions based on the LaRC04 failure criteria are used to predict the different damage mechanisms occurring at the ply level. The constitutive damage model is implemented in a finite element code. The objectivity of the numerical model is assured by regularizing the dissipated energy at a material point using Bazant’s Crack Band Model. To verify the accuracy of the approach, analyses ofcoupon specimens were performed, and the numerical predictions were compared with experimental data

Anàlisi paramètrica de l'assaig a compressió d'un panell de material compost rigiditzat amb tres nervis

L’objectiu d’aquest treball és desenvolupar una metodologia per realitzar l’anàlisi paramètrica de l’assaig de compressió d’un panell de material compost rigiditzat amb tres nervis. En primer lloc és necessari desenvolupar un sistema automatitzat per generar i avaluar el conjunt de parametritzacions. A continuació, s’estudiaran quines variables d’estat són les més adequades per representar el vinclament local, la flexió global, la càrrega crítica de desestabilització i l’índex de fallada en l’anàlisi paramètrica. La modelització amb el mètode dels elements finits serveix per simular l’assaig a compressió del panell. La simulació es realitza mitjançant un càlcul no lineal, per estudiar la desestabilització i els fenòmens no lineals que pateix el panell. L’estudi es complementa amb una anàlisi modal i una anàlisi lineal

Modelització de la contribució del formigó traccionat entre fissures en estructures reforçades amb armadures de materials compostos amb matriu polimèrica (FRP).

El present treball s’emmarca dins el camp de les estructures de formigó, i mésconcretament, a les que es troben reforçades amb armadures de materials compostos amb matriu polimèrica, és a dir FRP “Fiber Reinforced Polymer”

Modelització de la contribució del formigó traccionat entre fissures en estructures reforçades amb armadures de materials compostos amb matriu polimèrica (FRP).

El present treball s’emmarca dins el camp de les estructures de formigó, i més concretament, a les que es troben reforçades amb armadures de materials compostos amb matriu polimèrica, és a dir FRP “Fiber Reinforced Polymer”

Parametric analysis of different compact tension specimens for fracture toughness characterisation in woven composite materials

Estudi elaborat a partir d’una estada a l’ Imperial College London, entre juliol i novembre de 2006. En aquest treball s’ha investigat la geometria més apropiada per a la caracterització de la tenacitat a fractura intralaminar de materials compòsits laminats amb teixit. L’objectiu és assegurar la propagació de l’esquerda sense que la proveta falli abans per cap altre mecanisme de dany per tal de permetre la caracterització experimental de la tenacitat a fractura intralaminar de materials compòsits laminats amb teixit. Amb aquesta fi, s’ha dut a terme l’anàlisi paramètrica de diferents tipus de provetes mitjançant el mètode dels elements finits (FE) combinat amb la virtual crack closure technique (VCCT). Les geometries de les provetes analitzades corresponen a la proveta de l’assaig compact tension (CT) i diferents variacions com la extended compact tension (ECT), la proveta widened compact tension (WCT), tapered compact tension (TCT) i doubly-tapered compact tension (2TCT). Com a resultat d’aquestes anàlisis s’han derivat diferents conclusions per obtenir la geometria de proveta més apropiada per a la caracterització de la tenacitat a fractura intralaminar de materials compòsits laminats amb teixit. A més, també s’han dut a terme una sèrie d’assaigs experimentals per tal de validar els resultats de les anàlisis paramètriques. La concordança trobada entre els resultats numèrics i experimentals és bona tot i la presència d’efectes no previstos durant els assaigs experimentals.