Tesis Doctorals - Departament - Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica
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TesiFunctional surfaces obtained by thermal spray techniques(Universitat de Barcelona, 2016-09-29) Robotti, Marco; Dosta Parras, Sergi; Universitat de Barcelona. Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica[eng] The main subject of this PhD Thesis is the manufacturing of titanium dioxide multifunctional coatings by means of two spraying technologies: Cold Gas Spray (CGS) and Atmospheric Plasma Spray (APS). The characteristics of each spraying technique are a key factor to be able to understand the behaviour of the deposited material. Moreover, the process conditions strongly affect the functional response and activity of the metal oxide layers in different application sectors. The starting scope of the PhD thesis consisted in developing nanostructured TiO2 anatase coatings by LP-CGS technique. Using this method, no melting of material feedstock is needed for being deposited and this fact is fundamental because it is possible to preserve this metastable active anatase phase at room temperature. The large specific surface of this nanometric feedstock is useful for applying it in the field of heterogeneous photocatalysis and degradation of contaminants. In order to avoid clogging phenomena of the nanometric powder and not suitable deposition of only ceramic particles, mechanical blends were prepared with ductile materials which flow properly in the pipelines. The presence of anatase phase on the top surface of the final coatings determines their photocatalytic behaviour. Samples successfully degraded NOx gases in less than half an hour (FEAM Grupo de Fotocatálisis y Espectroscopia Aplicada al Medioambiente, Universidad de Las Palmas de Gran Canaria). A second research topic regarded different TiO2 materials with the objective to test them in photoelectrocatalysis. Three commercial powders (TiO2 rutile, TiO2 anatase and TiO2-x) onto Inconel alloy and carbon steel substrates were studied. The influence of APS thermally-activating technique is explained towards the non-stoichiometric secondary phases that are formed. The performance of the coatings as photoanodes in the solar photoelectrocatalysis (SPEC) treatment of a model azo dye was explored (Group LEMMA Laboratori d’Electroquímica de Materials i del Medi Ambient, Universitat de Barcelona). The functional role of these materials has an important added value in the environmental field because of the possibility to achieve cleaner waters in the smart cities of the future. The third purpose of this research was to deposit metal oxides based on titanium dioxide by APS for being applied as electrodes in real batteries. Hydrogen contained in the plasma jet of APS is able to reduce TiO2 metal oxide feedstock, create oxygen vacancies and non stoichiometric compounds such as titanium sub-oxides (TiO2-x) or Magnéli phases (TinO2n-1) during the in-flight interaction of the particles with the jet stream. This lack of oxygen in the crystal structure of TiO2 powder leads to a donor level to the conduction band; therefore a corrosion-resistance ceramic material with an enhanced conductivity was obtained. Coatings were manufactured onto stainless steel, aluminium films, carbon-polymer composite and nickel foam. Four TiO2-x plates onto aluminium substrates were applied as electrodes in a laboratory scale battery. Cyclic voltammograms curves and charge/discharge cycle of the lead acid battery were carried out and gave excellent results (Faculty of Engineering and the Environment, University of Southampton). The fourth objective of this doctorate consisted in developing new functional gas sensors by means of APS technology. It was determined to build-up the sensing layer on a thin ceramic substrate. This fact permits to increase the working temperature respect to polymeric or metallic substrates. Spraying conditions were accurately selected to reach good deposition and not to damage the brittle substrate. The APS process offered also the advantage to increase the quantity of oxygen vacancies in titanium dioxide powder in order to enhance its conductivity and sensing function. Satisfactory performances were obtained testing the response of the device in front of various target gases and sensing efficiency was deeply studied (Group MIND Micro-nanotecnologías y nanoscopias para dispositivos electrónicos y fotónicos, Universitat de Barcelona).- TesiCharacterization of polymers and Microencapsulated Phase Change Materials used for Thermal Energy Storage in building(Universitat de Barcelona, 2015-11-27) Giró Paloma, Jessica; Fernández Renna, Ana Inés; Martínez López, Mònica[eng] The use of renewable heat decreases the consumption of fossil resources, although its usage is intermittent and usually does not match the demand. A proper thermal energy storage system design can eliminate this problem by reducing the consumption of non-renewable resources and improving energy efficiency where used. In buildings, thermal energy storage using phase change materials (PCM) is a useful tool to achieve reduction in energy consumption. These can be incorporated into passive or/and active systems. Thus, a proper selection of materials and extensive characterization for its usage in thermal energy storage is critical for new construction systems and for those already constructed. This Thesis is divided in two blocks and presented as a compendium of published articles in scientific journals indexed in Materials, Engineering, and Energy areas. The emphasis is made in the chemical, physical, thermal, mechanical and environmental characterization of PCM, MPCM (microencapsulated phase change materials), and PCS (phase change slurries). The main purpose is to perform an exhaustive characterization of this kind of materials because several scientific studies have highlighted that PCM mixed with construction materials can suffer leakage. Polymeric encapsulation is an alternative for retaining PCM inside building materials, resulting in a system named MPCM. - Macroscopic samples: the nanoindentation tecnique has been used to characterize thermoplastics that, so far, have had few precedents. As mechanical properties of materials are an important criterion for their selection and nanoindentation allows their evaluation, we have studied the hardness and elastic modulus of different polymeric materials through Loubet and Oliver & Pharr methodologies, to discern which is the most suitable concerning the viscoelastic properties. The obtained values by Oliver & Pharr method are based on the unloading curve analysis; in case of Loubet methodology, these values are a function of the penetration depth of the indentation. Also, we have studied the mechanical changes that occur when a polymer that contains a flame retardant is immersed in PCM. It has been observed that using Mg(OH)2 increases rigidity and mechanical strength while reducing the degradation effect and improving the properties against fire. This block contains two scientific published papers. - Microscopic samples: This block is based on MPCM studies. A review of publications related to PCM, MPCM and slurries (PCS) (same shell and different PCM; different shell and same PCM; same shell and same PCM, but different encapsulation ratios) was prepared. Then, the evaluation of the chemical, physical, thermal, mechanical, and environmental properties of different MPCM and PCS samples was performed, concluding that AFM is a useful tool to characterize the stiffness and Young's modulus of MPCM. Because temperature is a key parameter in PCM systems, AFM experiments were carried out at different temperatures, in order to simulate the PCM in solid and/or liquid state. PCS samples were observed using SEM device coupled to a cryogenic system. Besides, environmental properties of PCS have been studied by gas chromatography (VOC’s). In addition, PCS were cycled for the evaluation of the polymeric shell durability after pumping the sample several cycles. Also, the chemical and thermophysical properties before and after pumping the sample were compared. Finally, due to the thermal behavior results of PCS in some performed studies, and depending on the liquid or dried PCS sample, the optimum conditions by means thermogravimetric analysis were evaluated. The second block contains five scientific published articles, one article under review after its first revision, one article finished without being submitted to a journal, and one unfinished research. Finally, the contribution in the state of the art of this PhD Thesis related with thermal energy storage in buildings using PCM, MPCM, and PCS is presented.
- TesiRecubrimientos biocompatibles de Hidroxiapatita-Titania obtenidos mediante Proyección Térmica de Alta Velocidad (HVOF)(Universitat de Barcelona, 2014-01-10) Melero Correas, Hortensia; Fernández González, Javier; Universitat de Barcelona. Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica[spa] Desde hace décadas se implantó el uso en la industria de recubrimientos biocompatibles de hidroxiapatita obtenidos mediante proyección plasma sobre prótesis metálicas. El objetivo de estos recubrimientos es mejorar el enlace tejido óseo-prótesis, de manera que la movilidad de la prótesis sea mínima y se eviten fallos prematuros de ésta. Pero numerosos estudios realizados desde entonces han mostrado las limitaciones de estos recubrimientos por la degradación térmica que lleva tanto a la formación de fases nocivas como a una rápida disolución del recubrimiento por la presencia de fases amorfas. Por esta razón, de entre las diferentes posibilidades que se podían considerar para resolver estos problemas, se ha escogido la adición de un 20% de TiO2 a la hidroxiapatita en la mezcla inicial, combinada con la sustitución de la proyección plasma por proyección térmica de alta velocidad (HVOF). La tesis considera en primer lugar la amplia caracterización de los recubrimientos obtenidos –sobre sustratos de TiAlV-, comparándolos con recubrimientos de otras composiciones u obtenidos mediante proyección plasma. La caracterización mecánica, que considera tanto propiedades de adherencia como de tenacidad a fractura o desgaste, entre otras, permite observar que la combinación escogida presenta iguales o mejores propiedades que otras (como 100% hidroxiapatita o 60%hidroxiapatita-40%titania). De entre las condiciones de proyección consideradas para el caso 80-20, la que presenta más compactación y menor cantidad de fases amorfas es la que mejores propiedades mecánicas presenta. Los ensayos electroquímicos, que comparan este mejor caso 80-20 con recubrimientos 100%hidroxiapatita y con sustratos sin recubrir, muestran que la adición de TiO2 en la mezcla inicial multiplica prácticamente por cuatro la duración de la funcionalidad del recubrimiento en condiciones fisiológicas. Por último, los ensayos in vitro realizados a los cuatro casos 80-20 muestran que el comportamiento celular en superficie es bueno en general, pero que los casos que presentan peores resultados son los de menor cantidad de fases amorfas; es decir, los que mejores propiedades mecánicas presentaban. De ahí la segunda consideración de la tesis: estudiar tratamientos que pudieran mejorar el comportamiento osteoblástico en la superficie de estos últimos recubrimientos o añadirle una funcionalidad biológica extra. Dos vías han sido las elegidas: la comparación entre tratamientos alcalinos y con colágeno, para evaluar cuál de los dos resulta más adecuado para mejorar la bioactividad del recubrimiento; y la comparación entre la adición de ZnO y el tratamiento con gentamicina para otorgarle una función bactericida al recubrimiento. El análisis de estas dos vías ha permitido llegar a dos conclusiones interesantes: el tratamiento con colágeno mejora sustancialmente la viabilidad y sobre todo, la diferenciación de los osteoblastos en superficie; y el tratamiento con gentamicina mejora las propiedades bactericidas del propio recubrimiento, tanto para bacterias Gram-positivas como Gram-negativas. Así, se puede concluir que los recubrimientos 80-20 estudiados son una buena opción de cara a sustituir a los utilizados industrialmente, especialmente los de mejores propiedades mecánicas. Y los dos tratamientos escogidos al final de la tesis (colágeno y gentamicina) resultan ser dos vías muy prometedoras para proseguir el estudio de la mejora de la funcionalidad biológica en los recubrimientos para prótesis.
- TesiMetallic coating deposited by Cold Gas Spray onto Light alhoys(Universitat de Barcelona, 2013-09-27) Villa Vidaller, Maria; Dosta Parras, Sergi; Guilemany, J. M. (José María); Universitat de Barcelona. Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica[spa] Esta tesis se centra en el uso de la tecnología de Cold Gas Spray para proyectar polvos micrométricos sobre diferentes aleaciones ligeras con el fin de obtener un recubrimiento que aumente la resistencia al desgaste y a la corrosión. El creciente interés por parte de la industria en reducir al máximo los costes (consumo de combustible, duración maquinaria, o la seguridad personal) ha fomentado la necesidad de investigar las posibles aplicaciones que las aleaciones ligeras pueden ofrecer. La reducción de peso es una razón por la cual los metales ligeros y sus aleaciones se han asociado con fuertes industrias como el transporte o la industria aeroespacial. Sin embargo, los aspectos de ahorro de peso no debe ocultar el hecho de que los metales ligeros poseen otras propiedades "tecnológicas" como la alta resistencia a la corrosión y alta conductividad eléctrica y térmica del aluminio, la mecanizabilidad de magnesio y la resistencia a la corrosión extrema de titanio. Hay que tener en cuenta que a pesar de estas propiedades de importancia tecnológica, debido a su densidad el aluminio y magnesio tienen una baja dureza y una baja resistencia al desgaste, lo que provoca la necesidad de mejorar sus propiedades superficiales. El objetivo principal ha sido la obtención y optimización de recubrimientos de Ti6Al4V y de acero inoxidable 316L sobre aleaciones ligeras a través del uso de técnicas de proyección térmica, concretamente la proyección fría (Cold Gas Spray), que permite obtener recubrimientos densos y sin rastros de oxidación manteniendo la microestructura original de los materiales de partida, tanto los sustratos como los polvos de proyección. Se han obtenido satisfactoriamente recubrimientos de Ti6Al4V y SS316L sobre sustratos de Al-7075-T6, AZ31 y Ti6Al4V con eficiencias cercanas al 100% y porosidades menores al 0,1%. Se ha mejorado la resistencia al desgaste en un 300% con respecto a los sustratos de partida, y la resistencia a la corrosión de los sustratos empleados debido a la formación de recubrimientos completamente densos. También se han obtenido de forma experimental indicios que confirman las teorías de enlace establecidas hasta el momento para el proceso de proyección fría, entre las partículas y el sustrato así como entre las propias partículas depositadas.
- TesiArsenic inertization through alunite-type phases: Application to copper pyrometallurgy(Universitat de Barcelona, 2013-10-01) Sunyer i Borrell, Alba; Viñals Olia, Juan; Universitat de Barcelona. Departament d'Àlgebra i Geometria[cat] Avui en dia l’arsènic és un problema de contaminació de les aigües important. Una de les fonts de generació de residus amb arsènic són les indústries metal•lúrgiques no ferroses. En la metal•lúrgia del coure, la important demanda d’aquest metall està obligant a obtenir el coure de menes que cada cop contenen més arsènic. Així doncs, cada cop es generen més residus amb arsènic que han de ser abocats a llocs controlats. En alguns països, aquests residus estan provocant problemes de contaminació a les aigües freàtiques. Per tal d’evitar aquests problemes, s’han fet nombrosos estudis per a la precipitació i estabilització de l’arsènic. Malgrat tot, totes les fases estudiades contenen ferro, que és pot reduir fàcilment en sòls reductors. A més a més, molts estudis indiquen que totes aquestes fases, a llarg termini s’acaben descomponent permetent la dissolució de l’arsènic que contenen. Amb la intenció de trobar una solució a aquest problema, en aquesta tesi es proposa la inertització d’arsènic a través de fases del supergrup de l’alunita, concretament les que porten alumini i no ferro en l’estructura. Aquestes fases presenten la característica de poder substituir part del sulfat de l’estructura per arseniat. Aquesta substitució és la que s’ha estudiat en natroalunites, alunites i hidroni alunites, així com en d’altres membres anàlegs. La incorporació d’arseniat ha estat possible en natroalunites i alunites, seguint la mateixa partició: (AsO4/(SO4+AsO4))S ≅ 0.5(AsO4/(SO4+AsO4))L. Amb la incorporació d’arseniat el paràmetre de cel•la c s’incrementava amb una pendent de ~0.58 Å. No obstant, un paràmetre de cel•la c inicial de l’alunita més gran, no té efecte en la incorporació d’arseniat a l’estructura. Finalment, l’estabilitat a curt, a mig i a llarg termini de les natroalunites i les alunites ha resultat sé molt bona. A curt termini aquesta era de 0.01-0.03 mg As/L a pH’s entre 5 i 8. A llarg termini (6 mesos) la natroalunita es va estabilitzar a 0.1 mg/L. En tests a mig termini (5 setmanes) l’alunita es va estabilitzar a 0.3 mg As/L. Aquests valors de dissolució són molt més bons que en d’altres fases utilitzades, com per exemple les escorodites, les quals presenten un valors a curt termini un ordre de magnitud més elevats. A mig termini es va veure que l’escorodita natural presenta un valor similar al de l’alunita (0.4 mg/L), mentre que l’escorodita sintètica presenta un valor de 1.3 mg/L, molt més elevat que els obtinguts per alunites i per natroalunites.
- TesiTitanium Dioxide coatings obtained by Thermal Spray technlologies and their functional application(Universitat de Barcelona, 2013-10-25) Gardon Ramos, Marc; Guilemany, J. M. (José María); Universitat de Barcelona. Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica[spa]El principal objetivo de esta tesis es la fabricación de recubrimientos funcionales de óxido de titanio obtenidos por Atmospheric Plasma Spray (APS) y Cold Gas Spray (CGS). El rol funcional debe ser entendido cómo la capacidad de las superfícies de TiO2 de responder de una manera determinada ante ciertas condiciones. El H2 contenido en el plasma podía reducir el TiO2 hacia compuestos no estequiométricos o estequiométricos como los sub-óxidos de titanio (TiO2-x) o las fases de Magnéli (TinO2n-1). Una gran acumulación de vacantes de oxígeno en la estructura cristalina del rutilo llevó a la formación de un nivel dador hacia la banda de conducción. Este inesperado procedimiento llevó a producir recubrimientos APS TiO2-x / TinO2n-1 sobre acero inoxidable y aplicarlos como electrodos en baterías bi-polares. Posteriormente, se decidió recubrir con este material electrodos típicamente utilizados como láminas finas de acero inoxidable y aluminio, compuestos de carbono-polímero y espumas de níquel. Con la intención de ofrecer más innovación a los sensores convencionales de óxido metálico, se decidió fabricar la capa activa sobre un sustrato polimérico flexible. Fue posible alcanzar ciertas condiciones experimentales que evitaron la degradación térmica del polímero. Se centraron esfuerzos en CGS, que no necesita fundir el material para producir el recubrimiento. De esta forma, anatasa nanoestructurada se utilizó como materia prima con el objetivo de lograr capas fotocatalíticas con gran superfície específica, capaces de degradar diferentes contaminantes. Se utilizó un polvo capaz de crear enlaces químicos con el sustrato. Se prepararon mezclas con otros polvos con el objetivo de mejorar su fluidez y evitar la obstrucción de las tuberías. Primero, recubrimientos Cu/nano-TiO2 fueron depositados utilizando condiciones que favorecieron el anclaje de las partículas de anatasa en la superfície del recubrimiento. Las muestras degradaron tolueno en fase gaseosa con éxito. Por otro lado, la mezcla micro-TiO2/nano-TiO2 no se depositó sobre acero. Se utilizó un sustrato préviamente recubierto con APS TiO2-x. Estos recubrimientos degradaron con éxito fenol y ácido fórmico en fase líquida. Se decidió incrementar la bioactividad del PEEK (polyetheretherketone). Sin embargo, fue posible anclar partículas de TiO2 sobre el polímero previamente recubierto por Ti mediante CGS, obteniendo recubrimientos gruesos con una buena adherencia. Cultivos de osteoblastos fueron analizados sobre PEEK, Ti en PEEK y nano-TiO2 en PEEK. Se obtuvo una mayor adhesión, proliferación y diferenciación celular a medida que los recubrimientos CGS fueron aplicados.
- TesiModelització del nivell de ferrita "delta" (FN) als acers inoxidables austenítics sotmesos a fusió per arc elèctric(Universitat de Barcelona, 2010-06-29) Valiente Bermejo, María Asunción; Molera i Solà, Pere; Llorca i Isern, Núria; Universitat de Barcelona. Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica[cat] Aquest estudi mostra els resultats experimentals obtinguts en analitzar el nivell de ferrita "delta" residual en condicions de velocitat de refredament per arc elèctric, així com els resultats de la determinació experimental de la ràtio crítica Cr(eq)/Ni(eq) en la que es produeix la transició entre els modes de solidificació primaris [AP] i [FA]. Per això s'han preparat dues sèries de mostres d'acers inoxidables austenítics mitjançant forn de refusió amb arc elèctric, de manera que s'han mantingut els nivells d'aliatge constants (Cr(eq)+Ni(eq))=30% i (Cr(eq)+Ni(eq))=40% i s'ha anat variant la ràtio Cr(eq)/Ni(eq) entre 1.22 i 2.00 a cada sèrie. De forma complementària s'ha validat la metodologia emprada, determinant experimentalment l'ordre de magnitud de les velocitats de refredament a les que s'ha sotmès el metall, quantificant les variacions de composició química experimentades pel material en ser refós per arc elèctric i optimitzant el procediment experimental en la preparació de mostres per arc elèctric en forn d'atmosfera inert. Els resultats obtinguts han permès determinar la importància de les variables (Cr(eq))+Ni(eq)) i (Cr(eq)/Ni(eq)) en la microestructura dels acers inoxidables austenítics, de manera que s'ha modelitzat el nivell de ferrita "delta" en funció d'aquestes dues variables. A partir d'aquest model establert pels inoxidables austenítics fosos en les condicions marcades per l'arc elèctric, només coneixent la composició química del material es pot aconseguir predir el nivell de ferrita diferint de l'experimental entre (-1.11,+3.13) FN amb una fiabilitat del 95%. La informació obtinguda en aquest estudi sobre l'evolució microestructural de les mostres en funció de la composició química en les condicions de fusió per arc elèctric, pot ser de molta utilitat en el camp de la soldadura, donat que aporta una informació complementaria al diagrama de fases Fe-Cr-Ni.
- TesiStudy of the structure-properties relationship of Fe-Al, Nb-Al and Ni-Ti intermetallic coatings obtained by thermal spray technologies(Universitat de Barcelona, 2008-12-03) Cinca i Luis, Núria; Guilemany, J. M. (José María); Universitat de Barcelona. Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica[eng] Due to the current interest on intermetallic compounds (IMCs), specially for their use at high temperatures being capable to substitute superalloys and, for the lately improvement of their lack of ductility, this work evaluates the use of intermetallics as coatings by using Thermal Spray technologies, thus providing improved surface component properties. The IMCs chosen for this study have been the following: FeAl, NiTi and NbAl3. Regarding their high Al contents, the aluminides present low densities and the possibility to form protective alumina compact layers against hostile environments. NiTi was selected as an interesting intermetallic for its shape memory properties and excellent corrosion resistance.FeAl and NbAl3 coatings were produced by means of High Velocity Oxygen Fuel process trying to optimize the spraying conditions in order to achieve the lowest oxidation and porosity content as possible. On the other hand, Air Plasma Spraying and Vaccum Plasma Spraying were also evaluated for the production of NiTi coatings; in that case, the main purpose was the prevention of titanium oxidation and retention of autenitic NiTi phase, so that its shape memory properties could be preserved. The coatings were properly characterized by Scanning and Transmission Electron Microscopies and X-ray diffraction analysis. Afterwards, they were tested in laboratory conditions in order to study the mechanical properties such as hardness, sliding and abrasion wear and, corrosion and oxidation resistance.FeAl coatings (obtained from a mechanically alloyed and a mechanically milled powders) were compared in terms of oxidation and wear resistance. A higher hardness was found to be correlated with a higher abrasion resistance. Iron aluminide coatings showed to have a fairly good oxidation resistance up to 900ºC. The uniform oxide scale without significantly spallation guarantees a reliable performance at such temperature. The NbAl3 coating was about 20% harder than the hardest nitinol and iron aluminide coatings. Nb-Al based deposits displayed more wear damage than iron aluminides. When these coatings were oxidized, they followed a logarithmic behaviour but with a much more rapid kinetics than the iron aluminide coatings. At 900ºC, whereas the steady state is reached for a weight increase below 10% in the different Fe-Al coatings, the corresponding to the Nb-Al coatings increases up to 40% due to the pesting phenomenon.With regard to the NiTi coatings, those obtained from HVOF presented the highest retention of original austenitic phase. The hardness of such coatings is much higher than that of the iron aluminide coatings and a correlation was also found with their abrasion resistance. Finally, the as-sprayed VPS and HVOF coatings exhibitted superior corrosion resistance than APS in terms of corrosion potentials and current densities.
- TesiMillora de la resistència a la degradació de bescanviadors de calor en plantes IRSU mitjançant recobriments de projecció térmica HVOF.(Universitat de Barcelona, 2008-06-13) Torrell Faro, Marc; Guilemany, J. M. (José María); Universitat de Barcelona. Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica[cat] En el document final presentat com a tesi doctoral per a la obtenció del grau de doctor per a la Universitat de Barcelona s'hi inclouen els resultats tant en forma d'articles internacionals, així com en forma de memòria de resultats obtinguts durant l'investigació. El projecte en el que es va incloure aquesta investigació presentava com a objectius l'optimització de recobriments de projecció tèrmica de diferents tipus per tal de protegir les peces dels bescanviadors de calor de les incineradores de residus sòlids urbans (IRSU); així com el disseny i optimització de la seva aplicació a nivell industrial. Així doncs el document presentà una fase més experimental d'optimització i estudi en laboratori, seguida de una segona etapa d'estudis i d'implantació a escala industrial. Es varen depositar de l'ordre de uns 12 materials diferents, obtenint tant recobriments metalics com de tipus cermets (metall + ceràmic). De tots ells s'en varen seleccionar 3 sistemes els quals presentaven les característiques òptimes per a l'aplicació a gran escala. Els resultats que es troben a la tesi s'estructuren doncs amb una primera part de selecció de recobriments i optimització de condicions per a cada un d'ells. Mentre que la segona part mostra un capitol per a cada un d'els tres sistemes seleccionats. Els tres sistemes escollits corresponen a les composicions comercials de materials com són el Inconel-625 (Base Níquel), el Hastelloy C-22 (Base Níquel) y finalment l'acer inoxidable 316L (Base Ferro). Cada un d'aquests va ser depositat a través de la tecnologia de projecció tèrmica HVOF a partir de dues condicions optimitzades amb diferents gasos de combustió. Això va donar lloc a l'estudi detallat de 6 sistemes que s'anomenaren en funció de la seva composició i les seves condicions de Projecció. L'avaluació de la resistencia a la seva aplicació i caracterització estructural d'aquests sistemes a partir de tècniques com són la Microscopia Electronica d'Escombrat, la Difracció de Raig X, Espectroscopia d'energia dispersada o la Microsonda electrónica formen part de la gran quantitat de resultats obtinguts sobre el comportament d'aquests recobriments sota condicions extremes de degradació. També s'hi presenten per cada un d'ells els resultats de resistència a l'erosió, i corrosió obtinguts mitjançant assaigs tant electroquímics com de corrosió dinámica i estàtica. La compilació de tots aquests resultats i la seva relació amb les condicions de projecció així com amb l'estructura obtinguda permeten extreure conclusions sobre l'aplicació del material a escala industrial. Els resultats dels assaigs realitzats a l'interior de la incineradora són concordants amb els obtinguts mitjançant l'assaigs de corrosió i erosiócorrosió dissenyats en el Centre de Projecció Tèrmica. D'aquesta manera es pot realitzar una avaluació d'una forma accelerada de la resistència en servei dels recobriments generats. Per altra banda es comprova que els recobriments base Níquel són aquells que presenten una millora més significativa de la resistència a la degradació del bescanviador, incrementant la seva vida en servei, de mitjana, en més de 100.000 hores. Per altra banda els recobriments d'aliatges cermets presenten problemes mecànics, i els recobriments d'aliatges base Ferro, oxidació activa. Com a conclusió de caire general s'obté que la projecció tèrmica HVOF és una alternativa econòmica que aporta les millors prestacions que altres tecnologies de revestiment en la seva aplicació per plantes IRSU en tubs intercanviadors i parets d'aigua, així com en altres sectors industrials, com són plantes químiques de liquació de gasos o plantes de generació d'energia per combustió de carbó polvoritzat i biomassa.
- TesiFormulaciones de nuevos morteros y cementos especiales basadas en suproductos de magnesio(Universitat de Barcelona, 2012-12-03) Formosa Mitjans, Joan; Chimenos Ribera, Josep Ma.; Lacasta Palacio, Ana María; Chimenos Ribera, Josep Ma.; Universitat de Barcelona. Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica[spa] En la presente tesis doctoral se evalúa el potencial de algunos subproductos de magnesio empleados para la formulación de diferentes materiales de construcción y su utilización en diferentes soluciones constructivas. En este sentido, el uso de subproductos industriales para el desarrollo de materiales de construcción potencia criterios de sostenibilidad y beneficios medioambientales asociados a la reutilización de materiales secundarios y a la disminución de actividades extractivas de recursos naturales. La memoria de la presente tesis doctoral se ha estructurado siguiendo el mismo eje conductor desarrollado en la parte experimental del trabajo. Así, ésta incluye una primera parte en la que se detalla el estado del arte referente a los materiales de construcción, así como las soluciones constructivas propuestas. Estas soluciones son, por un lado, el desarrollo de morteros destinados a la protección pasiva frente al fuego (PPF) y, por otro, la formulación de cementos químicos de fosfato (CBPC) de magnesio como material reparador de estructuras de hormigón. Como primer punto del trabajo experimental se ha estudiado y caracterizado exhaustivamente los diferentes subproductos empleados, tanto físico-química como morfológicamente. Esta caracterización preliminar es de gran importancia en el desarrollo de la investigación, dado que, al tratarse de subproductos industriales, no se conocen de antemano las características y las propiedades que éstos presentan, siendo su conocimiento de vital importancia para la correcta consecución de los objetivos establecidos. En el desarrollo experimental de la primera de las soluciones constructivas propuestas, se ha empleado dos subproductos de magnesio [Low-Grade Magnesium Hydroxide (LG-MH) y Low-Grade Magnesium Carbonate (LG-MC)] en la formulación de morteros PPF, utilizando en este caso el cemento Portland convencional como material aglomerante. Ambos subproductos industriales descomponen térmicamente mediante procesos endotérmicos que cubren un amplio rango de temperaturas, retardando así el tiempo necesario para alcanzar una determinada temperatura. En este caso, se han formulado morteros empleando como áridos distintos porcentajes de ambos subproductos, dando lugar a un material con buenas propiedades térmicas y mecánicas, factible de ser utilizado como un mortero PPF. Sin embargo, su utilización como mortero revoco puede verse limitada por la elevada densidad de los áridos utilizados. En este supuesto, puede mejorarse su aplicabilidad añadiendo a los morteros formulados con subproductos de magnesio un árido ligero, como la vermiculita, sin que ello perjudique al resto de propiedades evaluadas. En la consecución de la segunda solución constructiva propuesta, se evalúa la viabilidad del uso como materia prima de otro subproducto de magnesio [Low-Grade Magnesium Oxide (LG-MgO)], en este caso para el desarrollo de cementos químicos de fosfato (CBPC) de magnesio. A tal efecto, se han determinado las propiedades mecánicas de distintas dosificaciones, así como el efecto de un aditivo retardante del fraguado, el ácido bórico (HB), descrito en la bibliografía como retardante de fraguado que permite mejorar la trabajabilidad de los CBPC. Este estudio se ha realizado empleando una herramienta estadística, el diseño de experimentos (DoE), con la finalidad de obtener modelos matemáticos que justifiquen las interacciones entre los distintos componentes de la mezcla y su efecto sobre las propiedades mecánicas y el tiempo de fraguado. Asimismo, el uso del DoE ha de permitir reducir el número de experimentos y establecer el mejor rango de dosificaciones en función de las características deseadas, dando lugar a una formulación adecuada para su utilización en las soluciones constructivas objeto de estudio. Destacar que el uso de LG-MgO en la formulación de CBPC introduce fases inertes no-reactivas contenidas en el propio subproducto, lo que implica que los CBPC desarrollados puedan considerarse como morteros. A partir de los resultados obtenidos se ha seleccionado un pequeño grupo de formulaciones con porcentajes adecuados para evaluar su potencial empleo en el desarrollo de morteros reparadores de estructuras de hormigón. Con este propósito, se han realizado ensayos de adhesión sobre distintos sustratos (hormigón o terrazo) y se ha determinado algunas propiedades requeridas para su uso en la solución constructiva propuesta. La presente tesis doctoral pretende confirmar la viabilidad tecnológica para los distintos campos de aplicación que se han postulado. Sin embargo, no es un objetivo de este estudio el desarrollar un producto final que pueda ser comercializado, sino demostrar su viabilidad gracias al know-how adquirido durante los años de esta investigación, y sentar así las bases para futuros estudios en el desarrollo de materiales de construcción empleando estos subproductos.
- TesiSíntesis de cerámicos tecnológicos mediante métodos de combustión de geles de acrilamida(Universitat de Barcelona, 2007-04-30) Garcia Capdevila, Xavier; Segarra Rubí, Mercè; Calleja Lázaro, Alberto; Espiell Álvarez, Ferran; Universitat de Barcelona. Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica[spa] Dentro de la síntesis de óxidos, la obtención de nanopartículas se muestra como una alternativa atractiva a los métodos tradicionales ya que el aumento de superfície específica generado al disminuir el tamaño de grano, provoca una mejora sustancial en aquellas propiedades que se relacionan con la superfície de la partícula, como la sinterizabilidad. Se utilizan métodos de combustión de geles de acrilamida para la síntesis de diferentes familias de óxidos magnéticos, superconductores, conductores iónicos y mixtos, etc. El hecho de partir de una disolución proporciona una gran homogeneidad estructural y composicional a los productos así obtenidos, mientras que la combustión de geles de acrilamida se revela como un método ágil, versatil y robusto de síntesis, permitiendo la fabricación de lotes relativamente grandes en un breve lapso de tiempo.En este trabajo, en primer lugar, se estudia el propio método para determinar cuáles son los factores significativos en la síntesis utilizando el diseño de experimentos para maximizar la información que se puede extraer del sistema con el menor número posible de experimentos. A continuación se aplica la combustión de geles de acrilamida para la síntesis de diversos óxidos : Conductores iónicos, conductores mixtos, óxidos magnéticos, óxidos magnetorresistivos y óxidos superconductores.En capítulos posteriores se procede a estudiar la síntesis mediante combustión de geles de poliacrilamida como una alternativas que sortea la toxicidad de la acrilamida.Finalmente se describe un dispositivo de spray-pirólisis para la síntesis en continuo a escala piloto.
- TesiMechanical Properties of HTSC at Micro/Nanometric Scale(Universitat de Barcelona, 2010-04-16) Roa Rovira, Joan Josep; Segarra Rubí, Mercè; Garcia Capdevila, Xavier; Universitat de Barcelona. Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgicaThe nanoindentation or indenter testing technique (ITT) is a functional and fast technique that can give us a lot of information about the mechanical properties of different materials at nanometric scale, from soft to brittle materials. The principle of the technique is the evaluation of the response of a material to an applied load. In a composite material, if the size of the residual imprint resulting from a certain load is lower than the size of the studied phase, then it is possible to determine its mechanical properties, and therefore its contribution to the global mechanical properties of the composite. Depending on the tipped indenter used, different equations should be applied to study the response of the material, and thus calculate stress-strain curves, and parameters such as hardness, Young's modulus, toughness, yield strength and shear stress. These equations are related to the different deformation mechanisms (elastic and elasto-to-plastic) that the material undergoes. In the case of most of the ceramic composites, when a spherical tipped nanoindenter is used, elastic deformation takes place, and Hertz equations can be used to calculate the yield strength, shear stress and the strain-stress curves. On the other hand, when a Berckovich indenter is used, plastic deformation takes place, then Oliver and Pahrr equations must be applied to evaluate the hardness, Young's modulus and toughness. Nevertheless, in the hardness study, Indentation Size Effect (ISE) must be considered. The mechanical properties of a ceramic superconductor material have been studied. YBa2Cu3O7-ä (YBCO or Y-123) samples textured by Bridgman and Top Seeding Melt Growth (TSMG) techniques have been obtained, and their mechanical properties studied by nanoindentation. This material presents a phase transition from tetragonal to orthorhombic that promotes a change in its electrical properties, from insulating to superconductor, and that can be achieved by partially oxygenating the material. On the other hand, the structure of the textured material is heterogeneous, and two different phases are present: Y-123 as a matrix and Y2BaCuO5 (Y-211) spherical or quasi-spherical inclusions. Moreover, the texture process induces an anisotropic structure, thus being the ab-planes the ones that transport the superconductor properties while the c-axis remains insulating. Nowadays, efforts are focused on the production of long length Superconductor Materials. Silver welding is a technique that allows us to join several TSMG samples thus trying to obtaining larger samples. Nevertheless, one important factor to be accounted for is the mechanical stability across the welding zone, which has been studied in this Thesis. Another attempt to produce long length superconductor materials is to shape thus as wires or plates. In this case, a metallic sheet, covered with different buffer layers is used as substrate on which YBCO layers can be deposited by PED for example. These structures have been also studied in the present Thesis.
- TesiRecubrimientos biocompatibles obtenidos por Proyección Térmica y estudio in vitro de la función osteoblástica.(Universitat de Barcelona, 2007-06-20) Gaona Latorre, Mireia; Fernández González, Javier; Guilemany, J. M. (José María); Universitat de Barcelona. Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica[cat] La hidroxiapatita (HA) ha sido ampliamente estudiada y clínicamente probada debido a sus propiedades bioactivas. Al ser un material demasiado frágil para ser implantado en condiciones sometidas a carga, se suele aplicar en forma de recubrimientos sobre sustratos metálicos para combinar las buenas propiedades mecánicas de los metales con las excelentes propiedades biológicas de HA. Aunque los recubrimientos de HA pueden ser obtenidos por una amplia gama de técnicas de deposición, la proyección térmica por plasma atmosférico (APS) es el proceso más utilizado industrialmente La principal limitación que presentan de los recubrimientos de HA obtenidos por APS es la generación de una fase amorfa y otras fases de fosfato de calcio diferentes a la HA. Estas fases, al ser más solubles que la HA cristalina en medios fisiológicos, pueden causar inestabilidad mecánica y adhesiva en el recubrimiento poniendo en compromiso la integridad de la interfaz hueso-recubrimiento. Por este motivo el principal objetivo de la presente tesis doctoral fue estudiar técnicas alternativas para mejorar la adherencia de estos recubrimientos después de estudios inmersión en medios fisiológicos. Una posible alternativa es la proyección térmica de HA por alta velocidad (HVOF), ya que al utilizar temperaturas inferiores a la proyección APS se minimiza la degradación térmica del material. En este estudio se han comparado recubrimientos obtenidos mediante la técnica HVOF y APS, pudiéndose observar que los recubrimientos obtenidos por HVOF presentan la misma adherencia que los de APS pero una mayor cristalinidad y mayor pureza. Este tipo de recubrimientos presentaron así mismo un buen comportamiento in vitro con cultivos celulares de osteoblastos. A pesar de las mejoras en la cristalinidad y pureza de los recubrimientos obtenidos por HVOF respecto los obtenidos por APS, la fase amorfa se concentraba en la interfaz substrato-recubrimiento como ocurría con los obtenidos por APS. Esta fase amorfa debido a su rápida disolución en medios fisiológicos compromete el anclaje del recubrimiento una vez en funcionamiento, por lo que se plantearon posibles mejoras entre las que se encuentran la cristalización total del recubrimiento mediante tratamientos térmicos, la utilización de capas de anclaje de materiales cerámicos biocompatibles entre el substrato metálico y la capa de HA y la obtención de recubrimientos de cristalinidad gradual, es decir, más cristalino en la interfaz y menos en la superficie. Estos últimos han permitido combinar las buenas propiedades de una interfaz cristalina, resistente a la degradación en medios fisiológicos y con buena adherencia, con las propiedades de una superficie parcialmente amorfa como son la capacidad de depositar una capa de apatita que favorece una buena respuesta in vitro de la diferenciación celular y una osteointegración más rápida en los primeros estadios.