Escuela de Ingeniería de Materiales
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Publicación Acceso abierto Recubrimientos nanocompuestos de [TiC/Ti-Si-C-N]n por magnetrón sputtering para aplicaciones mecánicas industriales en empresas metalmecánicas de la región.(Universidad del Valle, 2021-07-19) Caicedo Angulo, Julio Cesar; Hernández Rengifo, Erick; Correa Jacome, Juan F.; Grupo de investigación: TPMR - RDAIEn este proyecto se definió como principales objetivos, la síntesis de recubrimientos monocapas (TiC y TiSiCN) a partir de cátodos de Si3N4 y TiC, donde se pudiera estudiar el comportamiento de dichos recubrimientos por separado y los sistemas multicapas [TiC/TiSiCN]n donde se obtuvieron n= (1, 10, 40 y 70) bicapas, con el fin de estudiar el efecto del aumento del número de bicapas en las propiedades mecánicas, tribológicas y electroquímicas. Dichos recubrimientos monocapas y multicapas fueron caracterizados para determinar propiedades como: Estructura cristalina, propiedades mecánicas (dureza y módulo de elasticidad), propiedades tribológicas (coeficiente de fricción), propiedades electroquímicas (curvas Tafel e impedancia electroquímica), con el fin de determinar el número de bicapas donde se encuentre un mejor conjunto de propiedades. Con los resultados obtenidos, se realizó un índice de mérito donde se relacionó varias propiedades (mecánicas, tribológicas y electroquímicas) donde se determinó que el sistema multicapa [TiC/TiSiCN]n para n= 70 bicapas presentan el mejor conjunto de propiedades, demostrando que este sistema es una muy buena opción a la hora de implementar revestimientos protectores en herramientas de corte.Publicación Acceso abierto Valorización de residuos de construcción y demolición (RCD) para la elaboración de materiales de construcción vía activación alcalina.(Universidad del Valle, 2021-09-08) Villaquirán, Mónica A.; Mejía de Gutiérrez, Ruby; Bonilla, Ashley; Grupo de investigación: Materiales CompuestosActualmente, los residuos de construcción y demolición (RCD) son los residuos mayormente generados a nivel mundial. En Colombia, se generan ~ 22 millones de toneladas de RCD por año, de las cuales 1 millón de toneladas se generan en Santiago de Cali; por lo tanto, la mitigación y reutilización de RCD son importantes para reducir el impacto ambiental del sector de la construcción. Este proyecto consistió en aplicar la tecnología de activación alcalina de RCD, para preparar pastas, morteros y concretos utilizando diferentes activadores alcalinos como silicato de sodio, sulfato de sodio e hidróxido de sodio. Se produjeron diferentes tipos de pastas geopoliméricas utilizando una mezcla de 80%RCD-20%cemento Portland y variando el contenido de silicato-Na, sulfato y NaOH. Los materiales desarrollados se caracterizaron microestructural, física y mecánicamente. Los resultados de la microscopía electrónica de barrido (SEM) y de la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) mostraron que los productos de reacción eran geles N-A-S-H y (N, C) -A-S-H. Además, en las pastas activadas con sulfato de sodio, la etringita se identificó, mediante SEM y difracción de rayos X (XRD), como un producto de hidratación adicional. Los aglutinantes activados con sulfato de sodio (Na2O al 0,8%) (activador de estado sólido) reportaron resistencias a la compresión de hasta 18 MPa en pastas y 7 MPa en morteros a los 28 días. Para las mezclas de RCD activadas alcalinamente con silicato-Na+ NaOH, las resistencias a compresión alcanzaron hasta 40 MPa, por lo cual fueron aptas para la elaboración de concretos. Estos resultados brindan una oportunidad para la reutilización potencial de RCD en nuevos materiales de construcción ecológicos.Publicación Acceso abierto Aerogeles de nanosílice para recubrimientos superaislantes ecosostenibles.(Universidad del Valle, 2019-06-28) Delvasto Arjona, Silvio; Bolaños Barrera, Gustavo Eduardo; Pardo, Juan David; Rodríguez Cabrera, Eliana; Gómez Rivera, Michael Andrés; Torres León, John Alexander; Gómez, Gustavo; Zuluaga Rosero, Diana Carolina; Fernández Ruiz, Miller Alexis; Calambas Galvis, David Steven; Bernal Medaglia, Laura Marcela; Grupo Materiales Compuestos; Grupo de Termodinámica Aplicada y Fluidos SupercríticosEn esta investigación se obtuvieron partículas de nanosílice, hidrogeles, xerogeles y aerogeles silíceas a partir de un residuo agroindustrial (cascarilla de arroz), a través de un tratamiento termoquímico, una síntesis sol gel y secado supercrítico. Los procesos seguidos se diferencian de los métodos convencionales porque la materia prima es un desecho agroindustrial, la cascarilla de arroz, y no emplean reactivos de elevada toxicidad y costo como los alcóxidos metálicos. La fase experimental fue desarrollada en los laboratorios del grupo Materiales Compuestos y en el laboratorio del Grupo de Termodinámica Aplicada y Fluidos Supercríticos para obtener las aerogeles mediante una fase final de secado supercrítico. Se obtuvo y caracterizó una ceniza de cascarilla de arroz (CCA) óptima mediante un tratamiento termoquímico de la CA. Se obtuvieron dos precursores silíceos de silicato de sodio (SS), el primero SS1 (por calcinación de la CA) y el SS2 (obtenido directamente de la CA mediante un tratamiento químico). Se obtuvieron hidrogeles silíceos a partir de la cascarilla de arroz con 14 días de gelificación y con una resistencia mecánica capaz de soportar el secado supercrítico y con una apariencia traslúcida. Se hizo una combinación de tratamientos hidrotermales y de sol-gel que permitieron un mayor control de la porosidad final. Los materiales y reactivos implicados en el proceso fueron, entre otros: H2SO4, TEOS, CO2, N2, TEPA, HCl, Etanol, CETAB, etc. La síntesis seguida es un proceso amigable al ambiente con parámetros de operación económicos, tales como bajos tiempos de envejecimiento (no superiores a las 18 horas) y una temperatura de gelificación de 25 oC. Se obtuvieron aerogeles silíceas con una densidad de 0,08 g/cm3 y un volumen de poros del 96 %, comparable a las aerogeles obtenidas por precursores tóxicos y costosos como el TMOS y TEOS. Las xerogeles obtenidas mostraron una capacidad de fisiadsorción importante del CO2 debido a su elevado valor de área específica (AE) con valores superiores a los 40 mg CO2/g ads obtenido en la termobalanza, un resultado similar a capacidades de captación de materiales sintéticos como el SBA-15. El método planteado para el intercambio de solvente fue efectivo al poder realizarse un secado supercrítico con CO2, que permitió obtener aerogeles silíceas con una densidad de 0,08 g/cm3 y un volumen de poros del 96 %, comparable a las aerogeles obtenidas por precursores tóxicos y costosos como el TMOS y TEOS. La aplicación de nanosílice (nS) en morteros de cemento portland generó en estos valores resistente superiores en un 30% en edades tempranas, siendo la muestra con 0,5 de adición con mejores resistencias a los 7 días de curado, en comparación con morteros sin adición. También fue posible emplear microsílice obtenida del proceso químico como material de recubrimiento. La principal característica evaluada fue la conductividad térmica presentando una reducción del 45,8% respecto a la placa sin recubrimiento, con lo cual se comprobó su propiedad de aislamiento térmico.Publicación Acceso abierto Investigación de un material cementicio ecoeficiente para elementos de construcción de bajo costo.(2019-10-22) Delvasto Arjona, SilvioEn esta investigación fueron desarrollados materiales cementicios alternativos y ecoeficientes, los cuales fueron caracterizados y con los que se plantearon aplicaciones en elementos constructivos de bajo costo, principalmente para vivienda de interés social prioritario. Varios de estos materiales cuentan con propiedades similares a las del cementoportland (OPC), las cuales se lograron por vía de incorporación de adiciones minerales, aditivos, principalmente de origen natural, tal como el jugo de las pencas u hojas de fique, de banano, de papa parda y papa cidra que sirvieron como plastificantes (retardantes de fraguado, aceleradores de fraguado y aireantes). También se activaron alcalinamente residuos de mampostería. Con estos se obtuvieron m atricespara obtener elementos simples (sin refuerzo) y reforzados con fibras discontinuas o fibras continuas ortogonales (mallas). Las aplicaciones desarrolladas fueron elementos de construcción de mampostería (bloques y ladrillos), placas y elementos para cubiertas (tejas). Los cementos Portland en Colombia son adicionados desde fabrica, por ello en el proyecto se estudió el efecto de la inclusión de cal hidratada, para que la reserva de cal esté disponible para las reacciones puzolánicas. Además, con la adición de cal se buscó recuperar la tecnología de los morteros o concretos bastardos, donde el cementante está compuesto de cemento portland y cal aérea. El uso de adiciones mejoró las propiedades reológicas y reduce la tendencia al agrietamiento del material, generado por los calores de hidratación del cemento. Como adición se usaron entre otros, ceniza de cascarilla de arroz, residuos de ladrillo cocido o de mampostería. La sustitución del cemento por estos desechos o subproductos con características activas son opciones altamente atractivas, ya que permiten no solo reducir el impacto ambiental generado durante la producción del cemento Portland, sino reducir sensiblemente el problema ambiental que se crea con la combustión o con la inadecuada y costosa disposición de los residuos de actividades industriales, agroindustriales o mineras. Se utilizaron agregados finos y gruesos, tanto de aquellos disponibles en los ríos, como gravas y arenas, así como de residuos de demolición.Publicación Acceso abierto Preparación y caracterización de materiales compuestos de almidón termoplástico y fibras naturales para aplicación en prefabricados compostables.(2019-10-21) Albán Achinte, Fred; Mina Hernández, José Herminsul; Hurtado Chávez, Natalia Marcela; Quintero Rodríguez, Ana Cristina; Roldán, Mayra AlejandraEn este trabajo se presentan los resultados de la preparación de materiales compuestos a base de almidón termoplástico (TPS)de yuca fibroreforzado con fibras de fique cortas de fique, las cuales se usaron orientadas al azar, tanto en su estado nativo (sin tratamiento), como modificadas superficialmente mediante un tratamiento de alcalinización. Los materiales compuestos se prepararon por moldeo por compresión en caliente con diferentes proporciones de fibras de fique (10, 20 y 30% en peso), utilizando glicerol como plastificante para el almidón, en una proporción del 30% en peso. Tanto los compuestos con fibras tratadas y no tratadas se cortaron con un sistema láser para obtener muestras de ensayo, posteriormente los especímenes de prueba se secaron a 60ºC durante 24 h. El material se acondicionó a 47, 77 y 97% de humedad relativa y una temperatura de 25°C. A partir de la medición de los pesos de las muestras se determinó la absorción de humedad y se registraron las correspondientes isotermas de absorción. Los datos de absorción de humedad del TPS mostraron una disminución con la incorporación de las fibras en el material compuesto, esto debido en parte a una mejor unión interfacial entre la matriz y las fibras. Las muestras se caracterizaron en sus propiedades mecánicas a tensión donde se observó que las propiedades del almidón termoplástico de yuca mejoraron tanto con la incorporación de fibras nativas, como de las alcalinizadas, siendo mejores las propiedades con estas últimas. Con los resultados obtenidos de microscopía electrónica de barrido (SEM) se explica la naturaleza de este fenómeno, debido a la generación de una aceptable zona interfacial fibra-matriz. Se moldearon por compresión macetas con el material pero no se logró una buena distribución de la fibra. Finalmente los resultados obtenidos permiten inferir que el material compuesto es susceptible de ser empleado en la fabricación de embalaje biodegradable.Publicación Acceso abierto Fabricación de recubrimientos utilizando la técnica de proyección térmica para reducir el desgaste en turbinas hidráulicas.(2018-04-20) Jurado Montaño, Arturo; Sequeda Osorio, FedericoPor medio de un molino planetario se realizó una mezcla de polvos de Níquel (Ni) y Carburo de Silicio (SiC), incrementando el porcentaje de Ni con 4 porcentajes distintos (30, 50, 70 y 80%), con el fin de obtener una aleación mecánica para formar un material compuesto, que será utilizado para elaborar un recubrimiento capaz de reducir el desgate y la corrosión mediante la técnica de proyección térmica. El material obtenido se analizó a través de microscopia electrónica de barrido y espectroscopia de energía dispersiva (SEM/EDS), con el fin de determinar la morfología y el tamaño de partícula, al igual que la composición elemental; de igual forma se empleó la técnica de difracción de rayos X (XRD) para el análisis cristalográfico, Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) y Análisis Termogravimétrico (TGA) con el fin de observar si se presentó formación de nuevas fases durante el proceso de molienda. Se determinó que las mezclas con alto porcentaje de Níquel (70% y 80%) presentaron partículas con morfologías esféricas, lo cual es ideal para mejorar la fluidez del material hacia el sistema de proyección térmica.Publicación Acceso abierto Reciclar escombros en concretos.(2018-04-20) Delvasto Arjona, Silvio; Guerrero Zuñiga, Aydée Patricia; Silva Urrego, Yimmy Fernando; Robayo, Rafael Andres; Mattey, Pedro Enrique; Pardo, Juan DavidEn la presente investigación se realizó la búsqueda de soluciones integrales que permitan un adecuado manejo, gestión y aprovechamiento de los diferentes materiales que componen los residuos de la construcción y demolición (RCD). Se realizó un análisis sobre la viabilidad de emplear los RCD en la elaboración de concreto convencional (CC) y concreto autocompactante (CAC); en especial se investigó la utilización de los residuos de mampostería como reemplazo del cemento portland en la elaboración de CAC, en diferentes porcentajes que iban de 0% a 50% en peso, y residuo de concreto como agregados gruesos en reemplazo (de cantera) de agregados vírgenes, en porcentajes de sustitución que van de 0% a 100% en peso. Se realizó muestreo, selección, clasificación y adecuación de los escombros de demolición. Se diseñaron y probaron las propiedades en estado fresco y endurecido de mezclas de concreto convencional y de concreto autocompactante. En el primer caso la influencia de la fluidez, en mezclas con agregados reciclados, evaluada mediante el cono de Abrams, y para el CAC la influencia del residuo de mampostería y posteriormente la de los agregados en la trabajabilidad, fluidez y resistencia al bloqueo mediante el cono de Abrams, embudo en V y caja en L respectivamente. Para el CAC todos los reemplazos del cemento por RM cumplieron con las propiedades en estado fresco estando en los rangos estipulados por la EFNARC, pero los mejores resultados se obtuvieron con un reemplazo del 20%. Cuando se empleó el agregado reciclado con el óptimo CAC, las propiedades en estado fresco disminuyeron con el aumento de reemplazo del agregado reciclado por agregado virgen, a pesar de esto todas las mezclas cumplieron con las especificaciones para ser consideradas CACs. Respecto a las propiedades mecánicas de las mezclas endurecidas se moldearon probetas cilíndricas evaluando la resistencia a la compresión y tracción indirecta a diferentes edades de curado, vigas para resistencia a la flexión, además de evaluar propiedades de permeabilidad como absorción y porosidad y succión capilar. Se hicieron elementos constructivos como muretes, con refuerzo de acero de refuerzo y sin refuerzo, utilizando como matriz el concreto que reportó mejores resultados, que fue el CAC obtenido con un reemplazo de 20% de RM por cemento portland y con un 59% de agregado reciclado en sustitución del agregado virgen. Adicionalmente, sin estar comprometidas, y como un plus en la investigación, se evaluaron mezclas con refuerzo de fibras de cascarilla de arroz tratada y también con refuerzo de mallas, para conformar ferrocemento. Se concluye que los residuos de demolición y los escombros de construcción sí pueden ser reutilizados como agregados (finos y gruesos) y como filler en la producción de nuevos concretos, lo cual permitiría disminuir la cantidad de los escombros en los sitios de disposición final y por consiguiente los problemas ambientales, sociales y económicos originados en las escombreras informales. Además de otros impactos positivos para el medio ambiente, para el espacio público y para la movilidad en las ciudades debido al menor flujo de vehículos transportando RCD.Publicación Acceso abierto Caracterización Biomédica de Materiales Osteoconductivos.(2018-04-18) Aguilar Castro, Yesid; Gutiérrez, Óscar; Muñoz, Jaime; Esguerra Arce, Adriana; Esguerra Arce, JohannaSe diseñó una novedosa mezcla de fosfatos de calcio y titanato de calcio con el fin de obtener un recubrimiento con comportamiento mecánico, adhesión y osteoconducción superiores a los recubrimientos usados actualmente en vástagos de prótesis de cadera. Para ello se obtuvieron mezclas de hidroxiapatita en polvo con 25, 50 y 75% en volumen de titanato de calcio, se compactaron y se sinterizaron en atmósfera de aire. Después del tratamiento térmico, estos compuestos de oxihidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx□x) y titanato de calcio se evaporaron por medio de magnetrón sputtering sobre un sustrato AISI 304/Ti, obteniéndose los respectivos recubrimientos. Igualmente se produjeron recubrimientos 100% fosfato de calcio (CP) y 100% titanato de calcio (TC). Se hizo un análisis detallado de los pasos polvo → blanco y blanco → recubrimiento mediante caracterización química y microestructural en cada paso. A los recubrimientos se les evaluaron sus características topográficas, mecánicas, electroquímicas, tribológicas y biomédicas in vitro. Se encontró que los recubrimientos 75CP-25TC y 0CP-100TC son superiores a los recubrimientos 100CP-0TC, 50CP-50TC y 25CP-75TC, por lo que son candidatos apropiados como recubrimientos para remplazo de tejido óseo y regeneración. El recubrimiento 75CP-25TC mostró como ventaja una mayor osteoconductividad in vitro y el recubrimiento 0CP-100TC mostró como ventaja que desgasta menos al tejido óseo en interacción tribo-electroquímica. Por tanto, ambos se proponen para estudios posteriores de caracterización in vivo. Por otro lado, se propuso el uso del sistema de recubrimientos Ti-Al-N/Fosfato de calcio – quitosano (FC-QS) para aplicación en sistemas de fijación ósea externa. El recubrimiento Ti-Al-N para mejorar la resistencia a la corrosión por fretting, y el recubrimiento de fosfato de calcio – quitosano como recubrimiento bioactivo y biodegradable. El recubrimiento de Ti1-xAlxN se sintetizó por medio de magnetrón co-sputtering. Se evaluó el efecto del contenido atómico de aluminio, x, en su resistencia a la corrosión y a la corrosión por fretting, así como en su desempeño biomédico in-vitro. El valor de x fue igual a 0.39, 0.47, 0.61 y 0.69 y las fases encontradas fueron la TiN tipo NaCl y la Ti2AlN. Todos los recubrimientos mostraron ser biocompatibles. El recubrimiento con x = 0.39 se escogió como el recubrimiento óptimo dado su mejor desempeño. El recubrimiento de 70%FC-30%QS se sintetizó por medio de co-precipitación química y por inmersión de los sustratos. Se evaluó el efecto de la relación ácido cítrico a [Ca+2] en la estabilidad de películas de FC-QS, en su topografía superficial y en su adherencia, variando la relación en 2:1, 3:1 y 4:1. Los tres recubrimientos mostraron ser biocompatibles y se encontró una influencia de la relación ácido cítrico a [Ca+2] en la composición química de los recubrimientos, así como en su rugosidad y adherencia sobre el acero. El recubrimiento con relación 2:1 presentó la mayor adherencia y biocompatibilidad, por lo que se seleccionó para ser depositado sobre el recubrimiento óptimo de Ti1-xAlxN. Se concluyó que el sistema Ti0.61Al0.39N/FC-QS con relación ácido cítrico a [Ca+2] de 2:1 exhibe las propiedades idóneas para la aplicación propuesta, por lo que se propone como candidato para pruebas biomédicas in-vivo.