Cerámica y Vidrio

PROYECTOS FIN DE MASTER a realizar en el:
Instituto de Cerámica y Vidrio, Consejo Superior de Investigaciones Científicas;
C/ Kelsen 5, Campus de Cantoblanco, 28049 Madrid.
http://www.icv.csic.es/
Proyecto nº 1
Título: Desarrollo de materiales cerámicos porosos con comportamiento mecánico
optimizado para su uso en aplicaciones de interés tecnológico
Directoras: M.I. Nieto y C. Baudín. [email protected]
Breve descripción: selección de composiciones, procesamiento de los materiales,
caracterización microestructural y textural, caracterización mecánica. Establecimiento
de las relaciones procesamiento-microestructura/textura-comportamiento mecánico.
Proyecto nº 2
Título: Recubrimientos cerámicos para aplicaciones biomédicas
Directoras: Begoña Ferrari y Carmen Baudín. [email protected]
Breve descripción: formulación de composiciones en un sistema compatible –
alúmina/circona- y en un sistema incompatible alúmina-titania-. Procesamiento de los
recubrimientos por deposición electroforética y/o inmersión. Tratamientos térmicos.
Caracterización microestructural y mecánica.
Proyecto nº 3
Título: Recubrimientos de biovidrio: Estabilidad y Procesamiento
Objetivo: Estudio de la estabilidad en agua de nanopartículas de biovidrio.
Directoras: Begoña Ferrari e Isabel Gonzalo-Juan
Breve descripción: Funcionalización de su superficie y conformado en forma de
película por técnicas coloidales.
Proyecto nº 4
Título: Arquitecturas complejas tridimensionales de nitruro de silicio con nanotubos
de carbono obtenidas mediante robocasting
Director: Manuel Belmonte. [email protected]
Breve descripción: El nitruro de silicio (Si3N4) es un material cerámico que se emplea
en numerosas aplicaciones tecnológicas gracias a sus excelentes propiedades térmicas y
mecánicas. Además, la adición de nanotubos de carbono (CNTs) mejora
considerablemente sus propiedades eléctricas y su resistencia al desgaste. La
miniaturización y el diseño de estructuras complejas 3D basadas en estos materiales
abriría nuevos campos de aplicaciones bajo condiciones severas de operación de
temperatura y desgaste, como dispositivos microelectromecánicos, microreactores o
microturbinas. Por otro lado, la técnica de robocasting, o colaje controlado mediante
ordenador, permite fabricar componentes cerámicos 3D, capa a capa y con un control
estricto de su estructura, a partir de suspensiones cerámicas altamente concentradas, las
cuales son extrudidas a través de orificios con un diámetro de 200-800 μm. Esto facilita
la obtención de micro- y macrocomponentes con acabados finales cercanos al de uso sin
apenas requerir un mecanizado posterior.
El trabajo propuesto se centrará inicialmente en la preparación de suspensiones de Si3N4
y Si3N4/CNTs para, posteriormente, fabricar estructuras 3D mediante robocasting con
distinta distribución espacial de poros o de contenido de CNTs. Esto incluye el estudio
reológico de las diferentes suspensiones, fundamentalmente medida de la viscosidad, en
función del contenido de sólidos, CNTs y de dispersantes orgánicos, así como el ajuste
de los parámetros del robocasting, desde el diseño de las estructuras en el ordenador
hasta la extrusión de la pasta cerámica y la fabricación del componente.
Proyecto nº 5
Título: Diseño de estructuras biomiméticas: Materiales porosos bifásicos de CaSiO3 y
CaMgSi2O6.
Directora: Maria Antonia Sainz Trigo. [email protected]
Breve descripción: La obtención de biomateriales de porosidad controlada es de capital
importancia en el diseño de materiales capaces de dar lugar al crecimiento de hueso
(osteocondución). Aunque existe gran controversia con respecto al tamaño adecuado de
los poros, hoy en día se considera que un tamaño en el entorno de 100µm es adecuado
para una efectiva biointegración. Uno de los problemas a resolver en estos materiales es
obtener estas características sin comprometer sus propiedades mecánicas.
El propósito del trabajo es diseñar un nuevo tipo de material biocerámico
bifásico de wollastonita (CaSiO3)-diópsido (CaMgSi2O6), con distintos tipos de
microestructuras y adecuada respuesta mecánica, para su posible aplicación en cirugía
ortopédica. El método de obtención será la réplica de espumas poliméricas mediante
impregnación de suspensiones cerámicas del material bifásico. El control del tamaño de
poro, de microestructura, de fases cristalinas y/o vítreas y sus proporciones es uno de
los factores más determinantes para acelerar o retardar la reactividad de las esponjas
cerámicas, lo que permitirá regular la respuesta bioactiva del material.
Proyecto nº 6
Título: Vidrios y vitrocerámicos bioactivos de silicofosfatos alcalinoterreos.
Investigador responsable: Dr. AH. De Aza, [email protected]
Breve descripción: El desarrollo de vitrocerámicos con propiedades mejoradas,
respecto a los ya existentes desde el punto de vista de su bioactividad y propiedades
mecánicas, es hoy en día un área prioritaria de investigación.
El objetivo de este trabajo es estudiar las reacciones, que tiene lugar en estado sólido, y
que conducen a la nucleación y crecimiento de fases del tipo apatita (Ca5(PO4)3(F,OH))
o apatita y wollastonita (CaSiO3) en vidrios basados en composiciones de silicofosfatos
alcalinotérreos para dar lugar a diferentes materiales vitrocerámicos. Se estudiara la
microestructura y se evaluaran las propiedades mecánicas de los vitrocerámicos
obtenidos.
Durante el trabajo, el estudiante utilizará hornos de alta temperatura y adquirirá
experiencia en la utilización e interpretación de datos obtenidos mediante las siguientes
técnicas, principalmente: Difracción de Rayos X (DRX), Microscopia Electrónica de
Barrido (MEB) y de Transmisión (MET) con microanálisis, Análisis Térmico
Diferencial (ATD) y ensayos mecánicos.
Proyecto nº 7
Título: Caracterización estructural de películas delgadas mesoporosas por
microscopía de fuerzas atómicas (AFM)
Directoras: Y. Castro y B. Ferrari. [email protected]
Breve descripción: El trabajo se centra en la puesta apunto de la técnica de microscopía
de fuerzas atómicas para la caracterización de películas delgadas preparadas por la
técnica sol-gel que presenta porosidad en el rango de los mesoporos y donde los poros
están ordenados.
Proyecto nº 8
Título del proyecto: Propiedades elásticas de vidrios de fosfato nitrurados
Investigador responsable: Dr. Francisco Muñoz Fraile, [email protected]
Breve descripción: Los vidrios de fosfato poseen características especiales con
respecto a las de los vidrios de silicato y borosilicato convencionales. Además de
temperaturas de fusión más bajas, estos vidrios presentan bajas temperaturas de
transición vítrea, altos coeficientes de expansión térmica y mayor transparencia en el
ultravioleta. Sin embargo, como consecuencia de su alta higroscopicidad, su aplicación
está limitada debido a una muy baja resistencia química, la cual puede mejorarse
notablemente mediante la sustitución parcial de oxígeno por nitrógeno en la red vítrea.
El método de obtención de vidrios de oxinitruro más utilizado comúnmente se basa en
el tratamiento térmico del vidrio de fosfato original bajo una corriente de amoniaco a
temperaturas no superiores a los 800ºC. Como resultado, su viscosidad, densidad,
microdureza y temperatura de transición aumentan con el incremento del contenido de
nitrógeno, mientras que se produce una disminución del coeficiente de expansión. Pero
principalmente, es la notable mejora de la resistencia química de los vidrios el cambio
más importante, abriendo así las puertas de su aplicación en muy diversos campos.
Entre estas potenciales aplicaciones destaca su utilidad como elementos de sellado para
soldaduras de baja o muy baja temperatura en la industria microelectrónica, como
vidrios con alta conductividad eléctrica para su utilización como electrolitos en baterías
de litio, vidrios de fosfato biodegradables como biomateriales, y hasta láseres o
materiales para el almacenamiento de residuos radioactivos altamente volátiles.
La obtención de vidrios con altos módulos de elasticidad constituye un tema de interés
dentro del desarrollo de nuevos soportes para discos duros para la industria informática.
Los vidrios de oxinitruro obtenidos por nitruración de vidrios de silicato son los
materiales vítreos con mayores módulos de elasticidad conocidos, pero poseen, sin
embargo, temperaturas de fusión muy altas. La introducción de nitrógeno en los vidrios
aumenta el módulo de elasticidad de éstos a la vez que mejora su resistencia química. El
objetivo del presente proyecto se basa, por lo tanto, en el estudio de las propiedades
elásticas de vidrios de fosfato nitrurados. Durante el proyecto se prepararán vidrios de
oxinitruro partiendo de diferentes composiciones de vidrios de fosfato y se estudiarán
sus propiedades, principalmente sus propiedades mecánicas y químicas además de
evaluar su posibilidad de aplicación.
Proyecto nº 9
Título del proyecto: Vitrocerámicos para el sellado de pilas de combustible de óxido
sólido (SOFC)
Investigador responsable: María Jesús Pascual Francisco, [email protected]
Breve descripción:
El proyecto de investigación implica el desarrollo de materiales
vitrocerámicos para el sellado de SOFC, especialmente de los sistemas ZnO-MgOBaO/SrO-B2O3-SiO2 empleando distintas rutas de procesamiento. Una ruta es la
preparación de materiales compuestos comenzando a partir de una mezcla de polvo de
vidrio y fases cristalinas coexistentes del coeficiente de expansión térmica. Otro
objetivo es evaluar la viabilidad del uso de sellos alternativos basados en un concepto
de sello híbrido de unión rígida y sello a compresión tal como mica flexible a partir de
una arquitectura del sello en capas, vitrocerámico/mica/vitrocerámico, el cual puede
mejorar la tenacidad y el comportamiento termomecánico del sistema. Los mecanismos
de degradación de los materiales se estudiarán en las condiciones de trabajo de la pila,
incluyendo la caracterización de las posibles interfases de reacción debido a la
reactividad química con los componentes de la pila. La capacidad de sellado y la
estanqueidad sobre periodos prolongados de tiempo y el ciclado térmico serán
evaluados a través de medidas eléctricas en atmósfera dual (aire/H2). En las etapas
finales del proyecto, el sello se escalará y probará en un simulador SOFC.
Proyecto nº 10
Título del proyecto: Capas anticorrosivas para la protección activa de metales ligeros
Investigador responsable: Prof. Alicia Durán, [email protected]
Breve descripción: El tema se refiere a la protección activa de metales ligeros, en
particular aluminio y magnesio y sus aleaciones, contra la corrosión. Un tema clave es
el desarrollo de recubrimientos con propiedades de protección activa (self-healing)
conteniendo cerio como inhibidor o con capas vítreas de CexOy. El estudiante deberá
sintetizar distintas soluciones sol-gel conteniendo inhibidores de corrosión, y
depositarlas sobre sustratos metálicos con diversas técnicas. Otro objetivo es escalar
estas capas, la síntesis y la deposición, utilizando pulverización automática y
pintándolas con la misma técnica. Otra parte del trabajo abordará el pretratamiento que
reciben los metales previamente al tratamiento y producción de las capas. Se ralizará
asimismo la caracterización electroquímica (impedancia compleja, voltametrías) y
también ensayos normalizados (niebla salina, adherencia, corrosión filiforme, etc.)
sobre todos los sistemas estudiados.
Proyecto nº 11
Título del proyecto: Nuevos materiales para electrolitos y electrodos para baterías de
litio de lámina delgada obtenidos por sol-gel
Investigador responsable: Dr. Mario Aparicio Ambrós, [email protected]
Breve descripción: Este proyecto tiene como objetivo el desarrollo de nuevos
materiales por sol-gel para su aplicación como electrolitos y electrodos sólidos en
baterías de litio de lámina delgada cuyos componentes sean totalmente sólidos. La
aplicación está orientada hacia la miniaturización de las baterías de litio para su
aplicación en dispositivos electrónicos. El proyecto incluye el desarrollo de materiales
inorgánicos e híbridos orgánico-inorgánicos nanoestructurados a partir de soluciones. El
control de los parámetros de síntesis de las soluciones y métodos de deposición es
fundamental para optimizar las características físicas (espesor, tamaño, rugosidad,
adherencia) y estructurales (porosidad, naturaleza química) de los materiales. Una
segunda etapa del proyecto estará enfocada al desarrollo de estructuras bi y tri-capa a
partir de los electrolitos y electrodos (positivo o negativo) desarrollados.
El alumno comenzará adquiriendo los conocimientos básicos del procesamiento sol-gel
y la preparación de recubrimientos delgados a partir de las soluciones sintetizadas. Por
otro lado, aprenderá los fundamentos y llevará a cabo trabajos de caracterización de los
materiales preparados, especialmente microscopía electrónica, difracción de Rayos X,
análisis térmico y caracterización electroquímica.
Proyecto nº 12
Título del proyecto: Fabricación de estructuras 3D mediante serigrafiado y
robocasting. Recubrimientos protectores para SiC y Si3N4.
Investigador responsable: M.A. Sainz. [email protected]
Breve descripción: Para las aplicaciones avanzadas de los materiales cerámicos se
requieren propiedades muy específicas y exigentes en determinadas zonas, que no se
pueden conseguir con los materiales y estructuras convencionales. Por ejemplo, el
empleo de materiales basados en Si3N4 y en SiC en componentes de microturbinas y
motores, supone que la superficie está sometida a elevadas temperaturas y ambientes
corrosivos, lo que produce la recesión superficial del material. En el presente proyecto,
se plantea el diseño y desarrollo de nuevos recubrimientos con estructura multicapa
resistentes a la temperatura y al vapor de agua para ser empleados como barreras
ambientales y térmicas. Se formularán dos tipos de recubrimientos; unos basados en
vidrios del sistema RE2O3-Al2O3-SiO2-Si3N4 (RE ≡elementos de tierras raras) y otros
de diferentes composiciones de mullita/ZrO2. La fabricación de los recubrimientos se
abordará mediante la técnica de serigrafiado y/o colaje controlado mediante ordenador
(Robocasting). En este proyecto también se abordará la caracterización de los materiales
fabricados, llevando a cabo un estudio cuantitativo de la microestructura y de las
propiedades más importantes, especialmente de las propiedades mecánicas y térmicas.