TREBALL DE RECERCA FINAL.pdf

  • Published on
    14-Apr-2016

  • View
    223

  • Download
    0

Transcript

  • TREBALL DE RECERCA

    A A R O N B E A D E A G U I L A R I N S T I T U T V I L L A R O M A N A 2 0 1 3 - 2 0 1 4 2 n B A T X I L L E R A T A D E P A R T A M E N T D E F S I C A I Q U M I C A

    T U T O R A : M A R I A A N T N I A C A B R A 8 D E N O V E M B R E D E 2 0 1 3

    MATERIALS DEL FUTUR: CERMIQUES TCNIQUES

  • 2

  • 3

    En el futur s possible que els ordinadors no pesin ms de 1,5 tones

    Popular Mechanics, revista de mecnica de 1949

  • 4

    AGRAMENTS

    Aquest treball no el podria haver dut a terme jo sol, sense lajuda dun conjunt de

    persones a les quals estic molt agrat de que em donessin el seu suport incondicional i

    que per aix, considero que es mereixen ser anomenats en la primera pgina daquest

    treball.

    Voldria donar-li les grcies al senyor Bayon per haver-me prestat varies tardes del seu

    temps, aclariments i altres enfocaments del treball. Per sobre de tot li agraeixo que em

    va permetre tindre accs a travs de la Universitat Autnoma de Barcelona una pastilla

    de cermica conductora i poder-la manipular. Sense aquesta ltima part, el meu

    treball no tindria cap fonament experimental i seria purament teric i hipottic.

    Per altra banda, magradaria anomenar a la meva tutora, la professora Maria Antnia

    Cabra, a la qual no puc expressar-li res ms que tota la meva gratitud per tantssimes

    hores que ha dedicat a guiar, aconsellar, corregir, ajudar i sobretot, i per molt poca

    cosa que sembli, limpuls que et dona per tirar tot endavant passi el que passi.

    Tamb els hi dec una gran gratitud als meus pares, sn els que han viscut en primera

    persona, juntament amb mi, aquest treball des de el neguit quan hi havia alguna cosa

    malament, fins en els moments de satisfacci quan et surten les coses b. Sense els

    meus pares jo no hags tingut accs al senyor Bayon ni el recolzament per tirar

    endavant.

    Per ltim i per no poder nomenar-los a tots, magradaria donar les grcies a totes

    aquelles persones: professors, companys i gent diversa, que he anat consultant mentre

    duia a terme el treball, per el seu granet de sorra i que em dons la seva valoraci i

    opini.

  • 5

    NDEX

    INTRODUCCI ............................................................................................................ 8 1. DEFINICI DE CERMICA ...................................................................................... 10 2. EVOLUCI HISTRICA .......................................................................................... 10 3. DEFINICI DE CERMICA TCNICA / AVANADA .................................................. 10 4. PROPIETATS ESPECIFIQUES DE LA CERMICA AVANADA .................................... 11 4.1 PROPIETATS MECNIQUES ..................................................................................................................... 11

    4.1.1 Duresa: .......................................................................................................................................................... 11 4.1.2 Resistncia a la flexi: ............................................................................................................................. 11 4.1.3 Resistncia a les fluctuacions: ............................................................................................................. 11 4.1.4 Resistncia a impacte trmic: ............................................................................................................. 11 4.1.5 Expansi trmica: ..................................................................................................................................... 12 4.1.6 Resistncia a la fricci: ........................................................................................................................... 12 4.1.7 Esfor de compressi: ............................................................................................................................. 12 4.2 PROPIETATS FSIQUES .............................................................................................................................. 12 4.2.1Resistncia a la temperatura: .............................................................................................................. 13 4.2.2 Mdul de Young (densitat i rigidesa): ............................................................................................. 13 4.2.3 Piezoelectricitat: ....................................................................................................................................... 13 4.2.3 Allament trmic / Conductivitat trmica: .................................................................................... 13 4.2.4 Conductivitat elctrica: .......................................................................................................................... 14 4.3 PROPIETATS QUMIQUES ......................................................................................................................... 14 4.3.1 Resistncia qumica: ................................................................................................................................ 14 4.3.2 Resistncia a la corrosi: ....................................................................................................................... 15 4.3.3 Metallitzaci (Tecnologia dacoblament) .................................................................................... 15 4.4 PROPIETATS BIOLOGIQUES .................................................................................................................... 16 4.4.1 Biocompatibilitat: .................................................................................................................................... 16 4.4.2Compatibilitat alimentria: .................................................................................................................. 16

    5. TEORIES ............................................................................................................... 16 5.1 TEORIA BCS ..................................................................................................................................................... 16 5.2. EFECTE MEISSNER ..................................................................................................................................... 17 6. CONDUCTIVITAT ELCTRICA DE LES CERMIQUES SUPERCONDUCTORES SEGONS

    LA TEMPERATURA ................................................................................................ 18

  • 6

    6.1 ALLANT ........................................................................................................................................................... 18 6.2 SEMICONDUCTOR ........................................................................................................................................ 18 6.3 CONDUCTOR ................................................................................................................................................... 18 6.4 SUPERCONDUCTOR ..................................................................................................................................... 19 7. TIPUS DE CERMIQUES TCNIQUES ...................................................................... 20 7.1 CERMIQUES AMB XIDS ........................................................................................................................ 20

    7.1.1 xid dalumini Almina (Al2O3): ................................................................................................. 20 7.1.2 Titanat dalumini (Al2TiO5): ............................................................................................................. 21 7.1.3 Cermica Mixta / Cermica de dispersi: ...................................................................................... 22 7.1.4 Piezocermiques: ...................................................................................................................................... 22 7.1.5 Cermiques amb silicats ........................................................................................................................ 23 7.1.6 xid de zirconi Zircnia (ZrO2) ................................................................................................... 25 7.2 CERMIQUES SENSE XIDS ..................................................................................................................... 26 7.2.1 Nitrur dalumini (AlN) ........................................................................................................................ 26 7.2.2 Carbur de silicona (SiSiC / SSiC) .................................................................................................... 27 7.2.3 Nitrur de silicona (Si3N4) ................................................................................................................... 28 7.3 COMPOSTOS CERMICS ............................................................................................................................ 29 Compost de matriu de metall cermica (MMC) .................................................................................. 29

    1. INTRODUCCI PRCTICA ...................................................................................... 31 2. PRODUCCI DUNA CERMICA SUPERCONDUCTORA ........................................... 32 2.1. MESCLA ............................................................................................................................................................ 32 2.2. CALCINACI OXIDANT .............................................................................................................................. 32 2.3. TRITURACI .................................................................................................................................................. 32 2.4.1 PLASTIFICACI .......................................................................................................................................... 33 2.5.1 ASSECAT PER ASPERSI ....................................................................................................................... 33 2.6.1 COMPRESSI ............................................................................................................................................... 33 2.7.1 SINTERITZACI ......................................................................................................................................... 33 2.4.2 PREPARACI DE LA BEURADA / LLETADA .................................................................................. 34 2.5.2 COLAT EN CINTA ...................................................................................................................................... 34 2.6.2 IMPRESSI / APILAT .............................................................................................................................. 34 2.7.2 LAMINAT I TROSSEJAT .......................................................................................................................... 34 2.8.2 SINTERITZACI ......................................................................................................................................... 34 2.9. ESMERILAT .................................................................................................................................................... 34 2.10. METALLITZACI ...................................................................................................................................... 34

  • 7

    3. VISUALITZACI DE LA PROPIETAT SUPERCONDUCTORA ....................................... 35 3.1 EFECTE MEISSNER ...................................................................................................................................... 35 3.1.1 Materials: ..................................................................................................................................................... 35 3.1.2 Productes qumics: .................................................................................................................................. 35 3.1.3 Procediment: .............................................................................................................................................. 36 3.2 SUPERCONDUCTIVITAT ............................................................................................................................ 36 3.2.1 Materials: ..................................................................................................................................................... 36 3.2.2 Productes qumics: ................................................................................................................................... 37 3.2.3 Procediment: .............................................................................................................................................. 37

    4. APLICACIONS TECNOLGIQUES ............................................................................ 37 4.1. MAGLEV ........................................................................................................................................................... 37 4.2. XARXA / LNEA ELCTRICA .................................................................................................................... 38 5. APLICACI DE LES CERMIQUES TCNIQUES INOVADORES .................................. 39 5.1 ALMINA (Al2O3) .......................................................................................................................................... 39

    5.1.1. Les eines de modelatge d'alt rendiment: ....................................................................................... 39 5.1.2. Els substrats i nuclis de restats en la indstria de l'electrnica: ...................................... 40 5.1.3. Les rajoles per a la protecci contra el desgast i balstica: ................................................... 40 5.1.4. Les guies de fils en l'enginyeria txtil ............................................................................................. 40 5.1.5. Els discos de segellat i del regulador per a les aixetes d'aigua: .......................................... 40 5.1.6. Els dissipadors trmics per als sistemes d'illuminaci: ......................................................... 40 5.1.7. Els tubs de protecci en els processos trmics: ........................................................................... 40 5.1.8. Els portadors cataltics per a la indstria qumica: ................................................................. 40 5.2. NITRUR DALUMINI (AlN) ....................................................................................................................... 41 5.2.1. Microelectrnica i electricitat. ........................................................................................................... 41 5.2.2. Dissipador de calor en tecnologia d'illuminaci LED ............................................................. 41 5.2.3 Electrnica d'alta potncia. ................................................................................................................. 41 5.3. CARBUR DE SILICONA (SiSiC / SSiC) .................................................................................................. 41 5.4. NITRUR DE SILICONA (SI3N4) ................................................................................................................ 42 5.5. MATRIU DE METALL CERMICA (MMC) .......................................................................................... 43

    CONCLUSIONS ......................................................................................................... 45 BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................... 47 WEBGRAFIA ............................................................................................................. 47

  • 8

    INTRODUCCI

    Quan vaig haver de plantejar-me la temtica del meu treball de recerca, no sabia cap a

    on enfocar-ho, sempre he volgut fer-lo relatiu a una cincia i que ajuntes innovaci

    tecnolgica, per el ventall de possibilitats encara era massa gran amb aquestes

    opcions. Aix doncs vaig decantar-me per treballar sobre un tema que magrada molt,

    lautomobilstica. Era una temtica molt curiosa per mi, de seguida tenia un munt

    dinformaci, per la quantitat daspectes a tractar eren massa complexes i diferents

    entre ells. Havia arribat al mateix punt que al principi, per tant havia de detalla ms

    sobre que volia fer el meu treball. Per casualitat, em vaig fixar en els materials de la

    carrosseria, aquests estaven patint canvis degut nous materials innovadors, des de

    magnesi, alumini i plstics reforats fins a la fibra de carboni. Per aqu no va acabar la

    meva recerca, vaig descobrir un material que no s gens conegut per la societat en si,

    almenys no amb aquesta utilitat, que eren les cermiques especfiques per aplicacions

    tcniques. Aquesta cermica en concret la vaig trobar en alguns frens de cotxes molt

    esportius, aquest va ser el primer motiu pel qual vaig triar aquest treball.

    El segon va ser fullejant el llibre de fsica de 4t dESO on em va aparixer un curis

    objecte levitant. Amb les dades que em sortien al llibre vaig descobrir sorprenentment

    que el objecte en qesti tamb era una cermica.

    Per tant, amb el concepte de cermica, vaig poder fonamentar el meu treball i dur a

    terme una part terica completament desconeguda per mi i la possibilitat de

    visualitzar el tema que tracto amb una petita experimentaci que crida molt latenci.

    Cal destacar que no tenia cap coneixement del tema, i que no tenia cap porta oberta

    assegurada per poder-lo realitzar. Des de el primer dia que vaig parlar amb la meva

    tutora, vam deixar molt clar les poques possibilitats que tenia de aconseguir el meu

    objectiu. I amb aix magradaria mostrar en el meu treball lesfor i les hores que he

    hagut dinvertir per arribar jo sol a les portes del laboratori de la Facultat de Qumica

    de la Universitat Autnoma de Barcelona, davant dun professor expert en el tema i

    amb el qual he tingut que aprendre conceptes fsics i qumics de nivell molt ms elevat

    del que em pertoca.

  • 9

    INTRODUCCI TERICA

  • 10

    1. DEFINICI DE CERMICA

    El concepte de material cermic, es defineix com material de carcter inorgnic que

    s'ha obtingut d'una matria primera mineral, no metllica, que ha estat modelada en

    fred i que ha estat consolidada de manera irreversible per l'acci de la temperatura a

    travs duna cocci.

    La matria primera principal de les cermiques sn les argiles. Altres materials sn

    incorporats b de manera natural o artificial, durant el procs d'elaboraci, i fan variar

    les propietats fonamentals de les argiles, convertint-la en una barreja verstil de

    diverses qualitats.

    2. EVOLUCI HISTRICA

    La histria de la cermica va unida a la histria de gaireb tots els pobles del mn.

    Abasta les seves mateixes evolucions i dates i el seu estudi est unit a les relacions dels

    ssers humans que han perms el seu progrs.

    La invenci de la cermica es va produir durant el neoltic, quan es van fer necessaris

    recipients per emmagatzemar l'excedent de les collites produt per la prctica de

    l'agricultura. Al principi aquesta cermica es modelava a m, amb tcniques com el

    pessic o la placa (d'aqu les irregularitats de la seva superfcie), i tan sols es deixava

    assecar al sol en els pasos clids i prop dels focs tribals en els de zones fredes.

    Per la producci de la cermica ha sofert grans canvis amb el pas del temps, grcies a

    les noves innovacions tecnolgiques lsser hum podia produir-la arribant a

    temperatures cada cop ms elevades. Com a conseqncia directe les cermiques van

    deixar de formar-se en base duna estructura amorfa i passar-en a una semicristallina

    o cristallina, emfatitzant les caracterstiques i propietats daquesta.

    3. DEFINICI DE CERMICA TCNICA / AVANADA

    Les cermiques tcniques sn productes constituts per compostos inorgnics,

    policristallins, no metllics, on la seva caracterstica fonamental s que sn

    consolidades en estat slid mitjanant tractaments trmics a altes temperatures, i que

    la seva manufacturaci est pensada per laplicaci industrial i no per objectius

    artstics ni domstics.

  • 11

    4. PROPIETATS ESPECIFIQUES DE LA CERMICA AVANADA

    La cermica avanada es desenvolupa, optimitza i es posa a punt, segons les seves

    propietats especfiques, en diverses aplicacions tcniques. Alguns exemples d'aquestes

    propietats dels materials cermics sn:

    4.1 PROPIETATS MECNIQUES

    Les propietats mecniques sn aquelles propietats dels slids que es manifesten quan

    apliquem una fora. Aquestes propietats dels materials es refereixen a la capacitat dels

    mateixos a resistir accions de crrega.

    4.1.1 Duresa:

    La duresa s l'oposici que ofereixen els materials a alteracions com la penetraci,

    l'abrasi, el ratllat, les deformacions permanents, entre altres.

    4.1.2 Resistncia a la flexi:

    En enginyeria es denomina flexi al tipus de deformaci que presenta un element

    estructural allargat en una direcci perpendicular al seu eix longitudinal. Per tant, la

    resistncia a la flexi queda definida per la oposici que presenta lelement estructural

    a la fora perpendicular a leix longitudinal.

    4.1.3 Resistncia a les fluctuacions:

    Una fluctuaci s la variaci, pertorbaci u oscillaci en el temps d'un medi o sistema

    fsic, al voltant d'un punt central (sovint un punt d'equilibri) o entre dos o ms estats.

    Si el fenomen es repeteix, es parla de fluctuaci peridica. El terme vibraci es refereix

    a les fluctuacions de tipus mecnic. Aix doncs, la resistncia a fluctuacions o ms

    concretament a vibracions, s la capacitat que t lestructura dun element a

    sotmetrel a una pertorbaci que el faci oscillar.

    4.1.4 Resistncia a impacte trmic:

    El concepte de col lapse trmic o impacte trmic es refereix al trencament d'un

    material al patir un canvi drstic de temperatura. Succeeix quan un material slid es

    trenca en sotmetrel a un augment o descens de la temperatura. Els objectes que sn

    vulnerables a aquest efecte sn a causa del seu baix nivell de tenacitat, a la seva baixa

    conductivitat trmica i al seu alt coeficient d'expansi trmica. La variaci de

  • 12

    temperatura causa que diferents parts d'un objecte s'expandeixin ms que altres, fent

    que la tensi de l'objecte no sigui prou fort i llavors es trenca. Les cermiques

    avanades tenen la capacitat de resistir aquest efecte encara que el seu coeficient

    dexpansi trmica varia dalta a baixa.

    4.1.5 Expansi trmica:

    Es denomina dilataci trmica a l'augment de longitud, volum o alguna altra dimensi

    mtrica que pateix un cos fsic a causa de l'augment de temperatura provocada en ell

    per qualsevol mitj. Degut a la variada composici qumica de les cermiques, aquesta

    propietat no s igual per a totes i es pot trobar que tinguin una gran expansi trmica

    o poca

    4.1.6 Resistncia a la fricci:

    Es defineix com a fora de fregament o fora de fricci; la fora entre dues superfcies

    en contacte, i que s'oposa al moviment entre les dues. Es genera a causa de les

    imperfeccions, principalment microscpiques, entre les superfcies de contacte. Per

    en el cas de les cermiques avanades que estan fabricades de forma sinttica, i degut

    a que la seva producci s lassecament a temperatures elevades duna sedimentaci

    dun polmer amb una dissoluci dun xid, provoca que la seva superfcie sigui

    prcticament perfecte sense cap irregularitat microscpicament parlant.

    4.1.7 Esfor de compressi:

    L'esfor de compressi s la resultant de les tensions o pressions que hi ha dins d'un

    slid deformable o medi continu, caracteritzada perqu tendeix a una reducci de

    volum del cos, i a un escurament del cos en una determinada direcci. El formig s

    un material, que com altres materials cermics, resisteix b la compressi, per no

    treballen tan b a tracci.

    4.2 PROPIETATS FSIQUES

    Les propietats fsiques sn aquelles que caracteritzen la matria de lelement del qual

    sest treballant, i que el defineixen per com reacciona davant de condicions externes

    del medi que lenvolta.

  • 13

    4.2.1Resistncia a la temperatura:

    Aquesta propietat no est referida a la oposici a transmetre calor sin a la capacitat

    que t el material per mantenir la seva estructura i propietats a elevades

    temperatures. La cermica s un material ptim daplicaci a ambients dalta

    temperatura.

    4.2.2 Mdul de Young (densitat i rigidesa):

    Relaci entre la resistncia interna d'un cos elstic a l'acci de les forces exteriors, que

    s'expressa en unitats de fora per unitat de superfcie, i la corresponent deformaci

    unitria en un material sotms a un esfor que est per sota del lmit d'elasticitat del

    material.

    4.2.3 Piezoelectricitat:

    La piezoelectricitat s un fenomen presentat per determinats materials cristallins que

    en ser sotmesos a tensions mecniques, adquireixen una polaritzaci elctrica en la

    seva massa, apareixent una diferncia de potencial i crregues elctriques en la seva

    superfcie. Aquest fenomen tamb es presenta al revs, s a dir, al aplicar un a

    diferencia de potencial a lestructura de la cermica, aquesta mitjanant vibracions i

    canvi de pressions pot alterar lambient que lenvolta. Per expressar-ho duna manera

    ms representativa, el material en qesti t la capacitat de generar electricitat segons

    els canvis fsics que lafectin del seu voltant, o b, inversament a laplicar-li electricitat

    produeix un canvi fsic en el seu voltant.

    4.2.3 Allament trmic / Conductivitat trmica:

    La conductivitat trmica es defineix com una propietat fsica dels materials que mesura

    la capacitat de conducci de calor. En altres paraules la conductivitat trmica s tamb

    la capacitat d'una substncia de transferir l'energia cintica de les seves molcules a

    altres molcules adjacents o substncies amb les que no est en contacte. La seva

    magnitud inversa s la resistivitat trmica, que s la capacitat dels materials per

    oposar-se al pas de la calor.

    Les cermiques, com he mencionat anteriorment, sn materials que disposen duna

    gran varietat de composicions qumiques i les propietats depenen de si est format

  • 14

    amb un polmer o un metall, la cermica tindr propietats allants si es tracta dun

    polmer i conductores si s un metall. Encara que hi ha varies excepcions.

    4.2.4 Conductivitat elctrica:

    La conductivitat elctrica s una mesura de la capacitat d'un material de deixar passar

    el corrent elctric, la seva aptitud per deixar circular lliurement les crregues

    elctriques. La conductivitat depn de l'estructura atmica i molecular del material, els

    metalls sn bons conductors perqu tenen una estructura amb molts electrons amb

    lligams febles i aix permet el seu moviment. La conductivitat tamb depn d'altres

    factors fsics del propi material i de la temperatura.

    Aquesta propietat fsica es molt variable a les cermiques ja que s molt depenent de

    la temperatura, hi podem trobar que es comporta com allant (temperatura ambient),

    semiconductor (o dielctric) a lescalfar-lo i superconductor (noms unes poques

    cermiques tenen present aquesta capacitat i sobserva a temperatures entre -250C i

    -140C). Aquestes propietats les esmentar ms endavant i ms profundament.

    4.3 PROPIETATS QUMIQUES

    Una propietat qumica s qualsevol propietat evident durant una reacci qumica, s a

    dir, qualsevol qualitat que pot ser establerta noms en canviar la identitat o estructura

    qumica d'una substncia. En altres paraules, les propietats qumiques no es

    determinen simplement veient o tocant la substncia, sin que l'estructura interna ha

    de resultar afectada perqu les seves propietats hagin estat modificades. Les

    propietats qumiques poden ser contrastades amb les propietats fsiques, les quals es

    poden discernir sense canviar l'estructura de la substncia.

    4.3.1 Resistncia qumica:

    Les cermiques sn materials completament inerts. Aix significa que no poden

    reaccionar i que la seva composici qumica no es veur afectada per cap altre

    compost o element qumic. Sin hi ha cap tipus dalteraci en la composici les seves

    propietats especfiques tampoc canvien.

  • 15

    4.3.2 Resistncia a la corrosi:

    La corrosi es defineix com el deteriorament d'un material a conseqncia d'un atac

    electroqumic pel seu entorn. De manera ms general, es pot entendre com la

    tendncia general que tenen els materials a buscar la seva forma ms estable o de

    menor energia interna.

    La corrosi s una reacci qumica (oxidoreductora) en la qual intervenen tres factors:

    la pea manufacturada, l'ambient i l'aigua, o per mitj d'una reacci electroqumica.

    Els factors ms coneguts sn les alteracions qumiques dels metalls a causa de l'aire,

    com el rovell del ferro i l'acer o la formaci de ptina verda en el coure i els seus

    aliatges (bronze, llaut).

    No obstant aix, la corrosi s un fenomen molt ms ampli que afecta tots els

    materials (metalls, cermiques, polmers, etc.) i tots els ambients (mitjans aquosos,

    atmosfera, alta temperatura , etc.).

    Per les cermiques avanades ja sn compostos xids per tant no reaccionen a la

    oxidaci. Tampoc reaccionen davant de compostos cids ni alcalins.

    4.3.3 Metallitzaci (Tecnologia dacoblament)

    Metallitzaci s el nom genric per a una tcnica de revestiment de metall sobre la

    superfcie d'objectes. A vegades es considera que l'altre objecte s no metllic perqu

    no es pot metallitzar una cosa que ja s metllic. Aquest mtode modifica les

    propietats superficials dels productes mitjanant l'aplicaci de la capa superficial de

    metall. Quan s'aplica sobre un altre metall es busca millorar alguna propietat daquest.

    Pel metallitzat es poden emprar diferents tecnologies per la utilitzada en el procs

    de fabricaci de cermica nicament s:

    Projecci trmica que s una tcnica utilitzada en la fabricaci de components que

    consisteix a projectar petites partcules foses, semifuses, calents i fins i tot fredes

    (cold spry) que s'uneixen successivament a una superfcie

  • 16

    4.4 PROPIETATS BIOLOGIQUES

    4.4.1 Biocompatibilitat:

    Els materials cermics, com l'xid d'alumini, aluminats de calci, xids de titani i alguns

    carbonis sn usats com a biomaterials. Els seus avantatges sn la bona

    biocompatibilitat (s un compost farmacolgicament inert dissenyat per ser implantat

    o incorporat dins del sistema viu), resistncia a la corrosi i inrcia qumica. No obstant

    aix presenten problemes davant esforos d'alt impacte, sn inelstics, posseeixen

    alta densitat (alguns) i sn de difcil producci.

    4.4.2Compatibilitat alimentria:

    Les cermiques compleixen un seguit de requisits que permeten treballar els aliments

    amb aquest material. Com per exemple: no es deteriora, no es gasta, no soxida, no t

    porositats, no te la necessitat de ser esmolat com els ganivets de acer inoxidable,

    entre daltres.

    5. TEORIES

    5.1 TEORIA BCS

    La teoria es basa en el fet que els portadors de crrega no sn electrons sin parelles

    d'electrons (conegudes com parells de Cooper). Els electrons habitualment es

    repelleixen a causa que tenen igual crrega. No obstant aix, quan es troben

    immersos en una xarxa cristallina (s a dir, la microestructura del material) s possible

    que l'energia entre ells sigui negativa (atractiva) en lloc de positiva (repulsiva), de

    manera que es cren parelles per minimitzar l'energia.

    s possible comprendre l'origen de l'atracci entre els electrons, grcies a un argument

    qualitatiu simple. En un metall, els electrons, al tenir crrega negativa, exerceixen una

    atracci sobre els ions positius que es troben en el seu venatge. Aquests ions en ser

    molt ms pesats que els electrons, tenen una inrcia molt gran. Per aquesta ra,

    mentre que un electr passa prop d'un conjunt d'ions positius , aquests ions no tornen

    immediatament a la seva posici d'equilibri original. Aix resulta en un excs de

    crregues positives en el lloc pel qual l'electr ha passat. Un segon electr sentir

    doncs una fora atractiva resultat d'aquest excs de crregues positives.

  • 17

    Formalment se sol dir que els electrons interaccionen entre si mitjanant fonons, sent

    aquests una mena de partcula imaginria que representa la vibraci de la xarxa

    cristallina (generada en aquest cas pel pas dels electrons).

    Grcies a aquesta teoria podem afirmar que:

    L'existncia d'una temperatura crtica, per sota de la qual el material passa a l'estat

    superconductor.

    L'existncia d'una discontinutat en la calor especfica en passar a l'estat

    superconductor, amb el fet notable que, independentment del material, en l'estat

    superconductor s 2.43 vegades ms gran que en el normal (per a T = Tc).

    L'efecte Meissner, i pel qual el camp magntic s expulsat de l'interior del material

    superconductor, donant lloc a efectes molt populars , com la levitaci d'imants .

    5.2. EFECTE MEISSNER

    L'efecte Meissner, consisteix en la desaparici total del flux del camp magntic a

    l'interior d'un material superconductor per sota de la seva temperatura crtica.

    Es va trobar que el camp magntic s'anulla completament a l'interior del material

    superconductor i que les lnies de camp magntic sn expulsades de l'interior del

    material, de manera que aquest es comporta com un material diamagntic perfecte.

    L'efecte Meissner s una de les propietats que defineixen la superconductivitat i el seu

    descobriment va servir per deduir que l'aparici de la superconductivitat s una

    transici de fase a un estat diferent. L'expulsi del camp magntic del material

    superconductor possibilita la formaci d'efectes curiosos , com la levitaci d'un imant

    sobre un material superconductor a baixa temperatura.

  • 18

    6. CONDUCTIVITAT ELCTRICA DE LES CERMIQUES

    SUPERCONDUCTORES SEGONS LA TEMPERATURA

    6.1 ALLANT

    s lestat en que es troba a temperatura ambient i fins a -140C (cada cop la

    temperatura augmenta grcies a nous descobriments). s un allant degut a que la

    seva composici est formada per xids que no permeten lintercanvi delectrons.

    6.2 SEMICONDUCTOR

    En el moment que saplica calor, augmenta lenergia cintica de les partcules i

    permeten que els electrons de les ltimes capes del nvol electrnic poden

    transmetres. Aquest flux de corrent elctric s molt fluix i es necessita dependre de la

    temperatura per al seu funcionament.

    6.3 CONDUCTOR

    No hi ha cap cermica que actu com a conductor, per es necessari definir el seu

    procs fsic per tal de comparar-lo amb la superconductivitat. Els materials conductors,

    com els metalls, tenen un nvol electrnic molt gran i molt lluny del nucli, facilitant

    que els electrons de les ltimes capes es transmetin de forma uniforme sense aplicar

    calor. Per tots els materials conductors presenten un problema, no sn perfectament

    conductors i ells mateixos tenen una resistncia elctrica deguda a la distncia del

    material. Aquesta resistncia crea un increment de la temperatura del material excitant lactivitat cintica de les partcules del nucli entorpint el pas delectrons:

    Representaci de l'efecte de l'increment de temperatura a la transmissi d'un material conductor, on les esferes blaves sn els protons i els punts vermells sn els electrons

  • 19

    6.4 SUPERCONDUCTOR

    s la transmissi ideal, no hi ha cap tipus de resistncia degut a que els electrons no

    troben cap impediment a la seva trajectria. Aquest estat de superconductivitat

    noms es dona a temperatures inferiors als -160C i en aquest cas sn nicament

    cermiques dltima generaci encara en processos destudi. Per el ms habitual sn

    cermiques que actuen al voltant de una temperatura crtica que s propera a la

    temperatura de fusi del nitrogen, -196C.

    En aquest estat les partcules de la cermica es reorganitzen entrant en una vibraci

    cclica (fonons) que deixa espais buits simultniament per cada vibraci. Aquests

    espais reben el nom de fluxons, que ser lespai per on passaran el electrons. La

    velocitat amb qu passa cada electr coincideix amb una vibraci del nucli, per tant el

    material entra en estat de fase, on hi ha un continuo pas de electrons fixats en uns

    canals determinats, creant a ms una fixaci quntica, ja que les partcules es mouen a

    velocitats properes a les de la llum.

    Representaci de les partcules en fase degut a l'estat de superconductivitat

  • 20

    7. TIPUS DE CERMIQUES TCNIQUES

    Les cermiques sn un material que disposa duna gran varietat de classificacions

    degut a les seva gran varietat de composicions i propietats. Endavant exposar les

    cermiques ms innovadores que hi ha a la actualitat, situades en una classificaci de:

    cermiques amb xids, cermiques de silicats, cermiques sense xids i per ltim

    compostos de cermica.

    7.1 CERMIQUES AMB XIDS

    7.1.1 xid dalumini Almina (Al2O3):

    s el material cermic que ms sutilitza. Aquesta cermica es pot trobar en diferents

    tipus de granat (conglomeraci de divisions que te una estructura) que poden variar

    des de divisions ms grans de 3m a ms petites d1m.

    xid d'alumini CeramTec Iberia

    Molt bon allament elctric (1x1014 a 1x1015 cm)

    Fora mecnica entre moderada i summament alta (de 300 a 630 MPa)

    Fora compressiva molt alta(de 2.000 a 4.000 MPa)

    Alta duresa (de 15 a 19 GPa)

    Conductivitat trmica

    moderada (de 20 a 30 W/mK)

    Alta resistncia a la corrosi

    Bones propietats de desplaament

    Baixa densitat (de 3,75 a 3,95 g cm3)

    Temperatura operativa sense carga mecnica de 1.000 a 1.500C.

  • 7.1.2 Titanat dalumini (Al2TiO5):

    La caracterstica fonamental del titanat dalumini s la seva excellent resistncia

    trmica als impactes. Els components fets amb aquest material poden resistir fins i tot

    els ms severs canvis de

    temperatura de varis

    centenars de graus sense

    patir cap deteriorament.

    La seva bona resistncia

    trmica als impactes s el

    resultat de la seva baixssima

    expansi trmica i de certa

    porositat en la seva

    microestructura. La baixa

    humeactibilitat daquest

    material cermic amb

    metalls fosos tamb fa idoni el seu s en la tecnologia de fusi i en el camp de la fusi

    metallrgica.

    Excellent resistncia trmica a impactes (0 1.000C)

    Excellent resistncia trmica a impactes (

  • 22

    7.1.3 Cermica Mixta / Cermica de dispersi:

    Les cermiques amb xids mixta o de dispersi sn productes obtinguts com a resultat

    de diverses mescles de certs materials cermics bsics especficament dissenyats per a

    millorar i optimitzar algunes propietats.

    Els exemples que sinclouen sn el zirconi de almina endurit (ATZ) i lalmina de

    zirconi endurida (ZTA). Un dels efectes positius de reforar un xid amb un altre sn les

    propietats de fora que es poden obtenir. Existeixen material ZTA que poden

    aconseguir forces de flexi de fins a 1350 MPa i forces compressives de 4700 MPa.

    Fora fins a 1.350 Mpa

    Mdul de Weibull de fins a 14 (una mesura de la fiabilitat del material)

    Fora compressiva fins a 4.700 MPa.

    Resistncia a fractures: 6.4 MPam1/2

    Duresa Vickers: 17 GPa

    Cermica de dispersi CeramTec Iberia

  • 23

    7.1.4 Piezocermiques:

    La piezocermica sutilitza pera convertir els parmetres mecnics, tals com la pressi

    y la acceleraci, en parmetres elctrics o, inversament, per a convertir les senyals

    elctriques en moviment o vibracions mecniques. Aquests conjunt de cermiques no

    es poden identificar per un nic compost, sin que el formen en diferents

    proporcionalitats: xid plumbs (PbO), dixid de titani (TiO2) i dixid de zirconi (ZrO2).

    Aquests materials es poden classificar segons les seves propietats per aplicacions

    especfiques:

    Materials per a transductors denergia (aplicacions ultrasniques).

    Materials per a sensors (transmissors i receptors ultrasnics).

    Materials per a actuadors (posicionament de precisi o sistemes dinjecci).

    El contacte entre la piezocermica metallitzada pot fer-se utilitzant adhesius o cautxs

    conductors, contactes de molla o mitjanant soldadura.

    Transductors denergia

    Sensors Actuadors

    Permissivitat relativa 33 /0 1,000 1,300 1,500 1,850 1,800 3,800 Factor de perduda 2x10-3 3x10-3 12x10-3 20x10-3 15x10-3 16x103 Constant de freqncia KHzmm 2,210 2,280 2,210 2,280 2,020 2,050 Factors dacoblament 0.55 0.57 0.59 0.62 0.65 Constant de carga 10-12 C/N 240 310 390 450 475 680

    Constant de voltatge 10-3 Vm/N 26.9 27.1 26.9 33.1 20.2 28.5 Observacions elstiques 10-12 m2/N 11.4 14.9 16.3 18.5 15.8 17.9

    Rigidesa elstica 1010N/m2 15.9 16.2 14.5 15.8 14.7 15.2 Densitat g/cm2 7.65 7.70 7.65 7.80 7.70 7.83 Qualitat Qm 500 1,000 60 90 75 80

    ndex dobsolescncia % -4.5 -3.0 -2.3 -0.3 - 1.6 -0.8

  • 24

    7.1.5 Cermiques amb silicats

    Els primers desenvolupaments en lrea de la cermica tcnica van comenar amb ls

    de la cermica amb silicats per a allament elctric. Es poden produir molts tipus

    diversos de cermica amb diferents propietats variant la classe i la quantitat de

    matries primeres. Els materials cermics amb silicats consten de:

    Porcellanes: Silicats dalumini alcal.

    Esteatites: Silicats de magnesi.

    Cordierites: Silicats de silici alcal mineral.

    Mullites: Composicions dxid de silici i almina.

    Cermiques amb silicats CeramTec Iberia

    Molt bon allament elctric (de 1x1010 a 1x1013 cm)

    Expansi lineal de mnima a moderada (de 0.4x10-6K-1 a 6x10-6K-1)

    Excellent resistncia trmica a impactes (de 250 a 610 K)

    Baixa conductivitat trmica (de 2 a 4 W/mK)

    Resistncia a la flexi de 80 a 180 MPa

  • 25

    7.1.6 xid de zirconi Zircnia (ZrO2)

    A diferncia daltres materials cermics, lxid de zirconi s un material que presenta

    una resistncia molt alta a la propagaci de ruptures. La cermica tamb posseeix un

    ndex dexpansi trmica molt elevat, per tant es sol escollir com a material per a unir

    la cermica i lacer.

    Una altra gran combinaci de propietats es la seva baixa conductivitat trmica i la seva

    extrema solidesa. A ms, alguns tipus de cermica dxid de zirconi poden conduir els

    ions doxigen.

    Elevada expansi trmica (=11 x 10-6/K, similar a alguns tipus de acer)

    Excellent allament trmic / baixa conductivitat trmica (de 2,5 a 3 W/mK)

    Molt alta resistncia a propagaci de ruptures, resistncia a las fractures elevada (de

    6.5 a8 MPam1/2)

    Capacitat per conduir els ions doxigen

    xid de zirconi CeramTec Iberia

  • 26

    7.2 CERMIQUES SENSE XIDS

    7.2.1 Nitrur dalumini (AlN)

    El nitrur dalumini s lnic material cermic tcnic que presenta una interessant

    combinaci duna molt alta conductivitat trmica i unes excellents propietats de

    allament elctric.

    Molt elevada conductivitat trmica (> 170 W/mK)

    Elevada capacitat de allament elctric (>1.1012cm)

    Fora segons el mtode de doble anella >320 MPa (fora biaxial)

    Baixa expansi trmica de 4 a 6x10-6K-1 (entre 20 i 1000C)

    Bona capacitat de metallitzaci

    Nitrur d'alumini CeramTec Iberia

  • 27

    7.2.2 Carbur de silicona (SiSiC / SSiC)

    El carbur de silicona t gaireb las mateixes propietats que un diamant. No s noms el

    material cermic ms lleuger sin tamb el ms slid, a ms, posseeix una excellent

    conductivitat trmica, un baix ndex dexpansi trmica i s molt resistent

    Baixa densitat (de 3.07 a 3.15 g/cm3)

    Elevat grau de duresa (HV10 2,200 GPa)

    Elevat ndex en Mdul de Young (de 380-430 MPa)

    Alta conductivitat trmica (de 120 a 200 W / mK)

    Sota coeficient d'expansi lineal

    (de 3.6 a 4.1x10-6 / K a temp. entre 20 i 400 C)

    Mxima temperatura operativa del SSiC sota gas inert: 1.800 C

    Excel lent resistncia trmica a impactes del SISIC: At 1,100 K

    erosionable

    Resistent a corrosi i desgast fins i tot a altes temperatures

    No txic

    Bones propietats de lliscament

    Carbur de silicona CeramTec Iberia

  • 28

    7.2.3 Nitrur de silicona (Si3N4)

    El nitrur de silicona (Si3N4) presenta una excellent combinaci de propietats de

    materials. Sn gaireb tan lleugeres com les cermiques de carbur de silicona (SiC),

    per a ms la seva microestructura els confereix una excellent resistncia trmica als

    impactes i la seva elevada resistncia a les fractures les fa resistents a tot tipus

    d'impactes i cops.

    La seva microestructura consisteix en una srie de vidres allargats que s'entrellacen

    formant micro-barres.

    Molt baixa densitat (3.21 g/cm3)

    Molt elevada resistncia a les fractures (7 MPam1 / 2)

    Bona resistncia a les flexions (850 MPa)

    Excel lent resistncia trmica als impactes: parmetres de tensi

    trmica elevats (569 K)

    Mxima temperatura operativa en atmosfera oxidant: 1.300 C

    Mxima temperatura operativa en atmosfera neutral 1.600 C

  • 29

    7.3 COMPOSTOS CERMICS

    Compost de matriu de metall cermica (MMC)

    L'mbit d'aplicacions dels components de

    metall lleugers i d'elevada duresa

    principalment l'alumini, per tamb el

    magnesi i el titani est creixent constantment.

    La motivaci per utilitzar metalls lleugers en

    la indstria de l'autombil s rebaixar el pes i

    en ltima instncia reduir les emissions i el

    consum de

    combustible.

    No obstant aix, la construcci de

    metalls lleugers aconsegueix els seus

    lmits en rees on ha de resistir altes

    tensions teriolgiques, trmiques o

    mecniques. Aquestes debilitats

    poden resoldre, mantenint un baix

    pes de components, mitjanant el

    refor selectiu i, en alguns casos,

    parcial del metall amb partcules de cermica. s possible variar el tipus de partcules

    de cermica, aix com la seva grandria i fraccions de volum. Els objectius del disseny

    estructural tcnic i especfic d'una aplicaci per a aquests cermiques inclouen:

    Augment de la fora mecnica

    Influncia en la fricci i el desgast

    Influncia en l'expansi

    Millora de l'estabilitat trmica

    *Totes les imatges de tipus de cermica tcnica sn obtingudes de CeramTec Iberia

    Aliatge de metall 60 Vol -% AlSi9MgMn

    Cermica 40 Vol -% Al2O3

    Densitat 3.21 g/cm3

    Resistncia a la flexi: de 550-620 MPa

    Elasticitat: de 380-460 MPa

    Crrega de ruptura: aprox. 0,5%

    IMMC CeramTec

  • 30

    PART PRCTICA

  • 31

    1. INTRODUCCI PRCTICA

    Abans dexplicar la meva part prctica, us introduir perqu la he realitzat i les

    dificultats que he tingut per portar-la a terme.

    Des dun principi volia realitzar la producci en primera persona duna cermica,

    exposar les seves propietats amb un experiment molt visual i finalment explicar les

    aplicacions que tenen sortida segons les seves propietats; per tal de fer tot el cicle

    industrial dun material tcnic. Un cop vaig saber quin era el mtode totes les meves

    opcions de portar-lo a terme es van anullar, bsicament per la dificultat de mantenir

    un cos durant tan temps (14h) a temperatures de ms de 1200C. Aix va suposar una

    gran decepci, tamb va afavorir que deixes aquest treball quan vaig saber la

    inaccessibilitat que tenia per adquirir una cermica conductora o manipular-la, degut

    al elevat preu que suposa produir-la. Per encara que la gent anava aconsellant-me

    que busques alternatives, jo no podia concebre el fet de deixar aquest tema que em

    crea tanta curiositat. A lanar molt perdut lnic lloc on veia possibilitats que tinguessin

    coneixements del tema eren les universitats, (UB i UAB) tenen el grau denginyeria de

    materials i era possible que tinguessin al seu abast el material en qesti.

    Trucant durant varies setmanes als diferents departaments de ambdues universitats i

    enviant correus electrnics, vaig arribar a poder contacta amb doctors del Institut de

    Materials de Catalunya (ICMAB), per no va haver cap resposta.

    Finalment, grcies a un professor de la facultat de qumica de Bellaterra, Joan Carles

    Bayon, que treballa juntament amb el meu pare; ens va brindar loportunitat de

    importar una pastilla de cermica (YBa2Cu3O7) des de la Universitat de Saragossa.

    Un cop ens vam reunir vaig aprofitar per poder resoldre dubtes i ampliar

    coneixements, des de explicacions seves fins a llibres i documents relatius al treball.

    Tot seguit comenrem amb la preparaci dels materials necessaris, entre ells el

    nitrogen lquid, que est emmagatzemat a una temperatura de -196C. Sincerament

    ha estat una experincia molt divertida i entretinguda treballar amb aquesta

    substncia, pots arribar a tocar-la durant pocs segons, fins hi tot el pots tirar al terra o

    a la roba i no mulla, ja que sevapora de seguida pel contrast trmic que hi ha.

    Seguidament realitzrem lexperiment que descriure ms endavant.

  • 32

    Respecte a lapartat de producci no lhe pogut realitzar jo per la seva complexitat,

    per si que abstret la informaci de primera m de lempresa CeramTec Iberia s.a que

    s una multinacional pionera en aquest mbit.

    Tot seguit en aquest apartat far una descripci de lexperimentaci que he realitzat

    per dur a terme el meu treball, aquest consta dun seguit de processos per explicar la

    producci de la cermica, la visualitzaci de les seves caracterstiques i propietats i per

    acabar les aplicacions tcniques de les cermiques ms innovadores.

    2. PRODUCCI DUNA CERMICA SUPERCONDUCTORA

    Concretament en aquest apartat explicar el procs que segueix la manufacturaci de

    la cermica superconductora amb la qual mhe basat per realitzar la meva part

    prctica. El procs consta de diverses etapes:

    2.1. MESCLA

    Aquesta etapa consisteix en combinar els components principals del superconductor

    (YBa2Cu3O7) que sn xids de itri (Y2O3), bari (BaO) i coure (CuO). En aquest procs

    tamb sintrodueixen inhibidors per tal de que la futura reacci doni: YBa2Cu3O7 i no

    YBa2Cu3O9.

    2.2. CALCINACI OXIDANT

    La calcinaci s el procs d'escalfar una substncia a temperatura elevada,

    (temperatura de descomposici), per provocar la descomposici trmica o un canvi

    d'estat en la seva constituci fsica o qumica. El procs, que sol dur-se a terme en

    llargs forns cilndrics, t sovint l'efecte de tornar frgils les substncies.

    Les temperatures a les quals poden arribar aquest forns sn de fins a 1200C, encara

    que la mescla anterior noms necessita entre 800 i 900 graus centgrads durant 11-17

    hores.

    2.3. TRITURACI

    La trituraci s el nom dels diferents mtodes de processament de materials. El

    triturat s tamb el nom del procs per reduir la mida de les partcules d'una

    substncia per la mlta per tal daugmentar la seva puresa.

  • 33

    COMPONENTS PREMSATS

    2.4.1 PLASTIFICACI

    El procs de plastificaci s discontinu, i s portat totalment per una sola mquina

    anomenada injector. El procs dinjecci consisteix bsicament en:

    1. Plastificar i homogenetzar, amb ajuda de calor, el material plstic (normalment un

    polmer com el polivinil acetat).

    2. Injectar el material fos (polivinil acetat escalfat) per mitj de pressi en les cavitats

    del motlle, del qual prendr la forma o figura que tingui aquest motlle.

    3. En el temps en qu el plstic es refreda dins del motlle sest duent a terme el pas

    1, posteriorment sobre el motlle i sexpulsa la pea modelada.

    2.5.1 ASSECAT PER ASPERSI

    L'assecat per aspersi comena amb l'atomitzaci d'un lquid en un esprai o fines

    gotes, l'esprai entra en contacte i s susps per un corrent de gas calent, permetent

    l'evaporaci del lquid i traient el slid sec, en essencial amb la mateixa mida i forma

    que les gotes atomitzades. Finalment, del corrent de gas, la pols seca s separada i

    collectada.

    Amb aquest procs podem eliminar tota la humitat que contingui el material

    processat.

    2.6.1 COMPRESSI

    L'emmotllament per compressi s un procs de conformat de peces en qu el

    material, generalment un polmer, s introdut en un motlle obert al que desprs se li

    aplica pressi i calor perqu el material adopti la forma del motlle desitjada.

    2.7.1 SINTERITZACI

    Sinteritzaci s el tractament trmic d'un pols o compactat metllic o cermic a una

    temperatura inferior a la de fusi de la mescla (1000C 1300C), per incrementar la

    fora i la resistncia de la pea creant enllaos forts entre les partcules.

  • 34

    COMPONENTS MULTICAPA

    2.4.2 PREPARACI DE LA BEURADA / LLETADA

    La lletada s un compost en base de ciment que sutilitza per unificar i homogenetzar

    un compost slid estructurat per partcules molt petites.

    2.5.2 COLAT EN CINTA

    El sistema permet l'obtenci de forma reproduble de lmines cermiques amb gruixos

    de >10 millmetres. El desplaament continu i sense vibracions en un ampli rang de

    velocitats de la fulla doble posicionada mitjanant cargols micromtrics de gran

    precisi, asserena el pla amb el parallelisme de la cinta. Mitjanant aquesta tcnica es

    poden obtenir substrats cermics, recobriments cermics controlats, elements

    cermics multicapa i materials cermics controlats amb gradient de funci.

    2.6.2 IMPRESSI / APILAT

    Consisteix en el desplaament de trossos de cermica al quals es fan girar en un angle

    de 90 amb unes maquines conegudes com a voltejador.

    2.7.2 LAMINAT I TROSSEJAT

    En aquest procs, la cermica sintrodueix en una mquina que la tritura utilitzant uns

    corrons giratoris que la esmicolen en forma amorfa o b en petites lmines.

    2.8.2 SINTERITZACI

    Sinteritzaci s el tractament trmic d'un pols o compactat metllic o cermic a una

    temperatura inferior a la de fusi de la mescla (1000C), per incrementar la fora i la

    resistncia de la pea creant enllaos forts entre les partcules.

    2.9. ESMERILAT

    Consisteix en abrasar la superfcie de la cermica amb un disc aglutinat desmeril, que

    gira a velocitats molt elevades.

    2.10. METALLITZACI

    Procs de recobriment o dacoblament dun metall a una cermica segons els

    procediments explicats.

  • 35

    3. VISUALITZACI DE LA PROPIETAT SUPERCONDUCTORA

    Un cop sha obtingut la pastilla cermica, per poder observar que s un material

    superconductor, es pot visualitzar amb dos efectes. Per realitzar lexperiment cal

    arribar a la temperatura crtica de la cermica, que sn 96 K (-178C), en aquesta

    temperatura lestructura de la cermica es reorganitza i entre un estat doscillaci

    (fonons), que permeten que qualsevol flux magntic en el que estigui sotms la

    cermica no la travessi i que el flux envolti lestructura.

    Aquest fet causa dos efectes que demostrar endavant, lefecte Meissner que la

    resistncia elctrica que sigui 0 (Ohm):

    3.1 EFECTE MEISSNER

    Per realitzar aquest experiment, vaig haver danar a la facultat de cincies i biocincies

    de la Universitat Autnoma de Barcelona (UAB), per parlar amb el professor Bayon i

    realitzar lexperiment. Aquest experiment el vaig haver de repetir dos cops, ja que en

    el primer intent, la cermica no entrava en fase i per tant limant no levitava. Degut al

    repetitiu canvi brusc de temperatura, la cermica no va resistir el xoc trmic,

    esmicolant-se en petits trossets.

    En el segon intent si que vrem poder observar lefecte i en el laboratori preparem

    totes les eines i materials necessaris:

    3.1.1 Materials:

    Recipient cilndric de poliestir expandit 500ml

    Safata de poliestir

    Guants dallament trmic

    3.1.2 Productes qumics:

    Cermica (YBa2Cu3O7)

    Nitrogen lquid (N2 -196C)

    Imant dalta densitat (Fe3O4)

  • 36

    3.1.3 Procediment:

    Per comenar, s necessari omplir el recipient de poliestir amb nitrogen lquid, que

    est emmagatzemat en un dipsit especial. Tot seguit es colloca la pastilla de

    cermica en el centre de la safata i shi aboca el nitrogen. Amb uns guant dallament

    trmic agafem limant i el colloquem de seguida a sobre de la cermica, respectant

    una distncia. Poc a poc sanir notant que el imant queda fixat a la cermica:

    Aquest resultat el podem explicar segons la Teoria BCS i lefecte Meissner, definits a la

    part terica del treball, en materials superconductors.

    Com a curiositat, lexperiment va causar gran expectaci dins de els diferents

    laboratoris i despatxos del voltant, (formalitats a part) semblvem nens petits

    contemplant una joguina espectacular.

    3.2 SUPERCONDUCTIVITAT

    Aquest experiment el vaig realitzar amb la meva segona visita a la Universitat,

    principalment consisteix en donar a conixer el significat real dun superconductor,

    que implica que a temperatura crtica, indiferentment de la seva longitud, t una

    resistncia de 0 .

    3.2.1 Materials:

    Recipient cilndric de poliestir expandit 500ml

    Safata de poliestir

    Guants dallament trmic

    Tster

    Lnies de camp magntic Levitaci d'un imant d'alta densitat sobre una cermica refrigerada amb nitrogen lquid (UAB

    FCiBC)

  • 37

    3.2.2 Productes qumics:

    Cermica (YBa2Cu3O7)

    Nitrogen lquid (N2 -196C)

    3.2.3 Procediment:

    Sinicia comprovant la resistncia que t la cermica a

    temperatura ambient. Aplicant els dos vectors del

    tster, entre els extrems superficials de la pastilla, ens

    surt una resistncia de lordre de 20000 ; aquesta

    xifra permet considerar que la cermica a temperatura

    ambient s un allant en tota regla.

    En el segent pas, realitzem la mateixa prova per

    havent-hi refredat la cermica fins a la seva

    temperatura crtica. El tster sha de canviar lordre en

    que registre i passar-ho a linterval de 0 200.

    Sintrodueixen els vectors del tester i sorprenent el

    tester indica un valor nul, aix sinterpreta que el valor de la resistncia no existeix o

    que s tan petit que linstrument no ho pot percebre.

    4. APLICACIONS TECNOLGIQUES

    Un cop he observat les propietats dun superconductor, he dexplicar la seva aplicaci

    tcnica, que s directament definida i til per les seves caracterstiques:

    4.1. MAGLEV

    El Maglev s un tren dalta velocitat

    japons, que es mou entre els

    principals nuclis urbans de la regi.

    Latractiu daquest tren, a part de

    ser el tren ms rpid del mn i que

    circula als 500 km/h de velocitat de

    Tster (UAB FCiBC)

    Esquema de funcionament d'un tren tipus Maglev

  • 38

    viatge. Es pot arribar a una velocitat mxima propera als 580 km/h, degut s que circula

    levitant per sobre dimants, aprofitant la propietat de superconductivitat que jo vaig

    observar al laboratori, per traslladat a un exemple molt ms gran i que es necessari

    una quantitat ms elevada de superconductor per sostindr lestructura amb les forces

    de dinmica que pateix.

    El tren funciona sobre una

    placa que actua com a

    electroimant, el material

    que permet la fixaci

    quntica sn les cermiques

    superconductores adherides

    al tren, que estan

    refrigerades per un flux

    continuo de nitrogen lquid. Al ser una fixaci quntica el tren no pot incrementar ni

    disminuir la distncia que hi ha entre el tren i el suport. La propulsi del tren s

    nicament electromagntica, degut a la polaritat causada entre la diferncia de

    potencial entre extrems del tren.

    Si noms imports lestructura del tren, la seva velocitat quedaria limitada per la

    mxima resistncia que pot oferir respecte el fregament de laire o del suport del tren,

    durant el temps que estigui refrigerada la cermica, mai es separar ni ajuntar a cap

    altra cosa. Per la realitat s que el tren no pot superar certes velocitats ja que els

    passatgers no restarien a dins del transport i sortirien disparats del habitacle.

    4.2. XARXA / LNEA ELCTRICA

    Grcies als coneixements sobre conductors elctrics, que he anat adquirint durant

    aquest treball; em permeten afirmar que segons he explicat a apartats anterior, un

    simple conductor t tendncia a tenir una resistivitat elctrica degut a la seva prpia

    longitud en lespai, degut a un augment de la seva temperatura. Aquest tema si el

    traslladem al conjunt de xarxes elctriques que hi ha repartides, per exemple a

    Catalunya, podem afirmar que es perd fins a ms dun 30% de lenergia generada en

    un reactor o un embassament, abans de que arribi a Barcelona ciutat.

    Tren de tipus Maglev ubicat a Jap (Banc dimatges INTEF)

  • 39

    Per poder posar un remei, a

    Brusselles sha dut a terme un

    gegant i complex mtode per a

    que sigui rentable la producci

    energtica i el seu transport:

    Per comenar, sha construt un

    captador de nitrogen de laire just

    al costat del generador en qesti.

    La seva finalitat s obtenir un gran

    flux de nitrogen, que per condensaci es mant en estat lquid.

    El segent pas que varen realitzar va ser la substituci de la xarxa elctrica comuna,

    per un gran cable format per un nucli duna cermica superconductora, i envoltada per

    un pas continuo de nitrogen lquid obtingut dels captadors daire. Daquesta manera la

    resistncia que ofereix el superconductor s igual a zero i per tant una producci del

    100%.

    5. APLICACI DE LES CERMIQUES TCNIQUES INOVADORES

    5.1 ALMINA (Al2O3)

    Lalmina s la cermica avanada ms utilitzada i present, s fa servir com a substitut

    de metalls que en condicions fsiques i qumiques, no podrien treballar, per que s

    sn necessries les seves propietats. Els exemples d'aplicaci per a les cermiques

    avanades d'xid d'alumini (Al2O3) sn:

    5.1.1. Les eines de modelatge d'alt rendiment:

    Grcies a la seva elevada fora mecnica que presenta (300 a 630 MPa)

    La seva elevada duresa (15 a 19 GPa)

    Bones propietats de desplaament degut a la inexistncia de imperfeccions a la

    superfcies

    Temperatura operativa elevada (fins a 1000 - 1500C)

    Visi infraroja d'una lnia elctrica, mostrant l'espectre trmic (Banc dimatges INTEF)

  • 40

    5.1.2. Els substrats i nuclis de restats en la indstria de l'electrnica:

    Molt bon allant elctric (14000 a 15000 ohms)

    Conductivitat trmica moderada (de 20 a 30 W/Km)

    5.1.3. Les rajoles per a la protecci contra el desgast i balstica:

    Fora compressiva molt elevada

    Elevada duresa

    5.1.4. Les guies de fils en l'enginyeria txtil

    Bona propietat de desplaament

    Elevada duresa

    Fora mecnica elevada

    5.1.5. Els discos de segellat i del regulador per a les aixetes d'aigua:

    Bona propietat de desplaament

    No pateix oxidaci ni deteriorament pel contacte de laigua

    Elevada fora de compressi

    Elevada duresa

    5.1.6. Els dissipadors trmics per als sistemes d'illuminaci:

    Allant elctric

    Conductor trmic moderat

    5.1.7. Els tubs de protecci en els processos trmics:

    Treball operatiu a temperatures elevades

    5.1.8. Els portadors cataltics per a la indstria qumica:

    Permet la dispersi de partcules dun element no pertanyent al compost al llarg de la

    seva superfcie, en el cas dun catalitzador permet augmentar la seva superfcie activa

    de treball.

  • 41

    5.2. NITRUR DALUMINI (AlN)

    El nitrur d'alumini s l'nic material de cermica tcnica que presenta una interessant

    combinaci d'una molt alta conductivitat trmica i unes excellents propietats

    d'allament elctric. Aix fa que el nitrur d'alumini estigui predestinat a ser usat en

    aplicacions de:

    5.2.1. Microelectrnica i electricitat.

    La microelectrnica s la tecnologia mitjanant la qual es dissenyen dispositius

    electrnics empacats en grans densitats en una pastilla nica de semiconductor.

    5.2.2. Dissipador de calor en tecnologia d'illuminaci LED

    Es diu que la illuminaci LED no proporciona calor com la illuminaci per

    incandescncia o fluorescncia. Aix no s del tot cert, degut al afecte Joule, la calor s

    projectada en direcci contraria del feix de llum, causant que la part visible del LED

    sigui freda encara que el suport, pot arribar a escalfar-se molt. Aqu entre el

    funcionament del Nitrur de Alumini, que permet la dissipaci de la temperatura

    acumulada i limpediment de que el corrent elctric pugui transmetres a zones no

    convenients.

    5.2.3 Electrnica d'alta potncia.

    L'electrnica de potncia permet adaptar i transformar l'energia elctrica per a

    diferents fins com ara alimentar controladament altres equips, transformar l'energia

    elctrica de contnua a alterna o viceversa, i controlar la velocitat i el funcionament de

    mquines elctriques, etc. mitjanant l's de dispositius electrnics, principalment

    semiconductors.

    (Degut a una molt elevada conductivitat trmica de 170 W/Km, una elevada capacitat

    dallament elctric 12000 ohms i una bona capacitat de metallitzaci).

    5.3. CARBUR DE SILICONA (SiSiC / SSiC)

    El carbur de silicona t gaireb les mateixes propietats que un diamant. No s noms

    el material cermic ms lleuger sin tamb el ms dur. A ms, posseeix una excellent

    conductivitat trmica, un baix ndex d'expansi trmica i s molt resistent als cids i les

    aiges alcalines.

  • 42

    Amb la cermica de carbur de silicona les propietats del material romanen constants

    fins i tot a temperatures superiors a 1.400C. L'elevat mdul de Young > 400GPa

    assegura una excellent estabilitat dimensional. Aquestes propietats del material

    semblen predestinar-lo per al seu s com a material de construcci. El carbur de

    silicona ven la corrosi, l'abrasi i l'erosi tan hbilment com suporta el desgast per

    fricci. Els components s'usen, per exemple, en plantes qumiques, fbriques,

    expansors i extrusores o com toveres.

    El carbur de silicona no s txic i pot usar-se en la indstria de l'alimentaci. Una altra

    aplicaci tpica d'aquests components s la tecnologia de segellat dinmica utilitzant

    coixinets de fricci i segells mecnics, per exemple en bombes i sistemes de propulsi.

    Comparat amb els metalls, el carbur de silicona permet solucions molt econmiques

    amb llarga vida til a usar-se en mitjans molt agressius i d'altes temperatures. A ms,

    la cermica de carbur de silicona s tamb ideal per a les exigents condicions regnants

    en l'mbit de la balstica, la producci qumica, la tecnologia energtica, la fabricaci

    de paper i com a component en sistemes de canonades.

    5.4. NITRUR DE SILICONA (SI3N4)

    El nitrur de silicona presenta una excellent combinaci de propietats de materials. Sn

    gaireb tan lleugeres com les cermiques de carbur de silicona (SSiC), per a ms la

    seva microestructura els confereix una excellent resistncia trmica als impactes i la

    seva elevada resistncia a les fractures les fa resistents a tot tipus d'impactes i cops.

    Una de les aplicacions on aquesta combinaci de propietats s'ha mostrat especialment

    til s al maquinat de ferro colat gris o del ferro fos amb inserits de cermica. A

    diferncia dels metalls durs o altres materials de tall, els processos de maquinat poden

    realitzar amb inserits de cermica a mxima velocitat sense utilitzar lubricants de

    refrigeraci. La combinaci de bones propietats tribolgiques (propietats especfiques

    del desgast i friccions) i excellent resistncia a les fractures converteix la cermica de

    nitrur de silicona en l'aliat ideal per a aplicacions com boles i elements rodants per a

    coixinets lleugers i d'extrema precisi, eines de modelatge de cermica d'alt rendiment

    i components de l'automoci subjectes a altes tensions. A ms, la seva bona

    resistncia trmica als impactes i a les altes temperatures s'aprofita en els processos

    de soldadura.

  • 43

    5.5. MATRIU DE METALL CERMICA (MMC)

    L'mbit d'aplicacions dels components de metall lleugers i d'elevada duresa

    principalment: l'alumini, per tamb el magnesi i el titani est creixent constantment.

    La motivaci per utilitzar metalls lleugers en la indstria de l'autombil s rebaixar el

    pes i en ltima instncia reduir les emissions i el consum de combustible.

    No obstant aix, la construcci de metalls lleugers aconsegueix els seus lmits en rees

    on ha de resistir altes tensions tribolgiques, trmiques o mecniques. Aquestes

    debilitats es poden resoldre. Mantenint un baix pes de components, mitjanant el

    refor selectiu i, en alguns casos parcial, del metall amb partcules de cermica. s

    possible variar el tipus de partcules de cermica, aix com la seva grandria i fraccions

    de volum. Els objectius del disseny estructural tcnic i especfic d'una aplicaci per a

    aquests cermiques inclouen:

    Augment de la fora mecnica

    Influncia en la fricci i el desgast

    Influncia en l'expansi

    Millora de l'estabilitat trmica

    Alguns exemples d'aplicaci de compostos de metall / cermica sn les camises del

    cilindre en motors (tribologia), les parets de recs del pist (tribologia), les plaques de

    subjecci de les pastilles de frens (pes), els coixinets (expansi trmica), els discos de

    fre (tribologia) , els articles esportius o els dissipadors de calor en electrnica.

  • 44

    CONCLUSIONS

  • 45

    CONCLUSIONS

    Amb aquest apartat conclou el meu treball de recerca sobre cermiques tcniques.

    Lobjectiu inicial amb el qual vaig fonamentar la meva recerca, que era buscar una

    temtica que unifiques lexplicaci terica amb lexperimentaci emprica, ha estat un

    xit. Les teories i fonaments han coincidit amb els resultats que sesperaven, i aix s

    molt gratificant.

    Un altre qesti que em vaig plantejar a linici de comenar a buscar informaci, s

    que el tema que tracts havia de ser completament desconegut, que em crides molt

    latenci i que estigues molt relacionat amb el grau denginyeria que magradaria

    cursar. Amb aix voldria esmentar que un cop acabat aquest treball, no tinc pensat

    deixar-lo de banda, al contrari, el meu inters ha crescut i encara en vull conixer ms

    perqu aix s que s tot just un inici

    Pel que fa a la informaci adquirida a travs de la recerca, he pogut arribar a lopini i

    em permeto dir lafirmaci, que la cermica s un dels materials ms competents per

    poder ser aplicats a una activitat especfica. Les seves propietats i caracterstiques sn

    molt tils per qualsevol industria i presenten molts pocs inconvenients pel seu s.

    Permeten ajustar-se a les necessitats de cada situaci i per primer cop a la indstria,

    sn els materials els que sadapten a la fabricaci i no els productes els que shi

    adapten. (Ex: Amb la invenci del procs mecnic del txtil, el producte va passar a ser

    de cot en lloc de llana per suportar les estivades de les maquines. Actualment s la

    maquina la que es modifica actualitzant-la amb materials innovadors per tal de que

    podi treballar en qualsevol condici.)

    Actualment la indstria est definida per la presncia nica i exclusiva de materials

    metllics degut a qu econmicament sn els ms rentables per suportar els esforos.

    Per presenten moltes deficincies, es deterioren molt fcilment, i les seves propietats

    sn iguals per tots els tipus de metalls, nicament es diferencien en el seu valor de

    magnitud. Amb aquesta observaci i tornant a pensar en la hiptesis plantejada,

    fonamentada en tot el coneixement teric que he adquirit sobre propietats i

    caracterstiques de materials, matreveixo afirmar que, en el futur s possible que les

    cermiques substitueixin als metalls en totes les seves aplicacions. Aaron Beade

    Aguilar, treball de recerca de 2013.

  • 46

    BIBLIOGRAFIA I WEBGRAFIA

  • 47

    BIBLIOGRAFIA Los superconductores (Luis Fernando magaa Sols) ISBN 968-16-5329-7

    Correlations between normal-state properties and superconductivity (Department

    of Physics, University of California, San Diego, La Jolla, California 92093-0319)

    Quimica/ Chemistry (Raymond E. Davis,Kenneth W. Whitten) Google Books

    De los especialistas en cermica de altas prestaciones (CeramTec)

    WEBGRAFIA

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas (28/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/fabricacion-

    aplicaciones (28/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/carburo-silicio

    (28/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/caracteristicas-

    ceramica-carburo-silicio (28/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/nitruro-silicio

    (28/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/produccion-

    nitruro-silicio (28/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/caracteristicas-

    ceramica-nitruro-silicio (29/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/zirconia

    (29/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/fabricacion-

    zirconia (29/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/caracteristicas-

    aplicaciones-zirconia (30/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/recubrimientos-

    ceramicos (30/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/recubrimientos-

    tenaces (30/10/13)

  • 48

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/recubrimientos-

    corrosion (30/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/resistentes-calor

    (05/11/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/ceramicas-

    superplasticas (30/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/ceramicas-

    reforzadas (30/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/adherencia-

    ceramica-metal (30/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/ceramica-

    electronica (30/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/procesado-

    electroceramicas (30/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/ceramica-

    multiples-capas (2/11/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/pelicula-gruesa

    (30/10/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/progresos-

    ceramica-electronica (30/10/13)

    ! http://www.ceramtec.es/materiales-ceramicos/ (07/11/13)

    ! http://www.ceramtec.es/materiales-ceramicos/oxido-de-aluminio/ (07/11/13)

    ! http://www.ceramtec.es/materiales-ceramicos/titanato-de-aluminio/ (07/11/13)

    ! http://www.ceramtec.es/materiales-ceramicos/ceramica-mixta-dispersion/

    (07/11/13)

    ! http://www.ceramtec.es/materiales-ceramicos/piezoceramica/ (07/11/13)

    ! http://www.ceramtec.es/materiales-ceramicos/ceramica-con-silicatos/ (07/11/13)

    ! http://www.ceramtec.es/materiales-ceramicos/nitrito-de-aluminio/ (07/11/13)

    ! http://www.ceramtec.es/materiales-ceramicos/carburo-de-silicona/ (07/11/13)

    ! http://www.ceramtec.es/materiales-ceramicos/nitrito-de-silicona/ (07/11/13)

    ! http://www.ceramtec.es/materiales-ceramicos/sialon/ (07/11/13)

  • 49

    ! http://www.ceramtec.es/materiales-ceramicos/compuestos-de-matriz-de-metal/

    (07/11/13)

    ! http://es.slideshare.net/evaelectrotecnia/materiales-superconductores-6922365

    (20/10/13)

    ! http://es.slideshare.net/salmonete/superconductores-1560825 (20/10/13)

    ! http://www.aragoninvestiga.org/Materiales-superconductores-para-una-

    electricidad-mas-segura/ (6/11/13)

    ! http://www.textoscientificos.com/fisica/superconductividad/tipos-y-diferencias

    (6/11/13)