REPORTE FINAL DEL PROYECTO DE INVESTIGACION:

CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE ALEACIONES NANOESTRUCTURADAS BASE ALUMINIO NIQUEL Y CARBONO

PERIODO 2006-2008 DRA. LUCIA GRACIELA DIAZ BARRIGA ARCEO REGISTROS DEL PROYECTO 20070935 Y 20080110 PORCENTAJE DE AVANCE: 100% Objetivos Generales Se propone el estudio microestructural de aleaciones base AL, Ni y carburos reforzados con nanotubos y nanopartículas empleadas como refuerzos en la pintura anticorrosiva y analizar su comportamiento dentro de la misma Objetivos Particulares 1.-Desarrollo de las aleaciones: Al60 Cu30 Fe10, Ni10Cu 90, Carburo de níquel reforzado con nanopartículas y nanotubos y carburo de zirconio nanoestructurado. 2.- Desarrollo de pinturas epóxicas reforzadas con las aleaciones mencionadas en el inciso anterior. RESUMEN Los materiales expuestos al medio ambiente requieren siempre de un recubrimiento que les proteja de lo de la corrosión del medio donde están inmersos. Sin embargo, desde hace varios años la preocupación por el ambiente ha hecho que las empresas transnacionales trabajen en conjunto y de manera ardua para la reducción o eliminación del uso de recubrimientos poliméricos base solvente, debido a que son una fuente importante en la generación de Compuestos Orgánicos Volátiles. Por ello, se han investigado y desarrollado nuevas tecnologías alternativas para que reduzcan el empleo de disolventes orgánicos. Dentro de las cuales se han desarrollado los recubrimientos base agua, que resultan atractivos por su bajo costo en la producción, pero sobre todo por su bajo impacto ambiental. En el caso de los recubrimientos anticorrosivos se combinan las propiedades de polímeros con partículas de un metal o aleación ó con fibras llamadas dispersoides que sirven de refuerzo al material para incrementar su resistencia mecánica, su ductilidad, ó bien para reaccionar químicamente con el medio ambiente para disminuir ó evitar los efectos de la corrosión gracias a la formación de una capa protectora que puede ser por ejemplo un óxido superficial. En las investigaciones que actualmente estamos desarrollando usamos dispersoides nanoestructurados que actúan como inhibidores de la corrosión dentro de la película y a la vez incrementan su dureza.

Elegimos materiales nanoestructurados avanzados pues aumentan sus propiedades físicas y químicas en razón inversa del tamaño del diámetro del dispersor dentro de los siguientes grupos: -Carburos de silicio y Titanio nanoestructurados en diferentes composiciones Aleaciones Níquel-Molibdeno, aleaciones de aluminio y cobre.

-Nanotubos con rellenos metálicos tales como Co y Si nanotubos de Óxidos Metálicos de Ti y Zr los cuales ya hemos generado.

En la primera parte de nuestra investigación las especies químicas que trabajamos fueron embebidas en una pintura base agua reforzada con nanopartículas poliméricas, observamos que las nanoestructuras que contenían carbono y silicio presentaban mayor corrosión debida principalmente a que presentaban movilidad hacia la interface metal-polímero, y el silicio parecía ser atraído hacia las fronteras de grano de las laminas de acero que fueron pintadas. La presencia de Si y C en las fronteras de grano promovió el ataque de la frontera por azufre durante las pruebas de corrosión que se realizaron a las laminas pintadas con los materiales que desarrollamos.

Fue por la razón antes descrita, que se eligió evitar las pinturas base agua, aunque ecológicamente son más adecuadas para la protección del medio ambiente y decidimos en la segunda parte del proyecto emplear pinturas epóxicas.

Además, se busca la innovación de las pinturas base solvente ya que entre todos los métodos anticorrosivos, el recubrimiento con pinturas es el más efectivo y de los más económicos desde hace muchos años hasta la actualidad que viene a ser un seguro de vida para instalaciones expuestas a medio ambiente o en sistemas altamente corrosivos. Los resultados obtenidos permitieron controlar algunas propiedades estructurales y químicas tanto de la pintura como algunos de sus elementos tales como: el tamaño de partícula, la temperatura de transición vítrea, la adherencia, la composición química, la estructura, distribución de los elementos. ANTECEDENTES TEORICOS En la antigüedad el terminado se hacía con cal y solo se podían utilizar tres colores básicos par dar una opción de acabado, el rojo, el verde o el blanco, debido a que solo se podían obtener pigmentos de fibras vegetales de ciertas plantas que por su contenido natural permitían ese tipo de coloración y que adicionados con cal y agua generaban un liquido acuoso que se aplicaba sobre las superficies generalmente de materiales pétreos como la piedra.En el caso del acero, hasta principios de siglo no se recubrían las superficies, por lo que la oxidación era suplida por fierro y acero de muy grueso calibre que evitaban la corrosión de forma rápida.

El tabique y el cemento vienen a revolucionar los sistemas de construcción y se logra reemplazar la argamasa que cubría la piedra por los aplanados de cemento y arena, lo que viene a exigir un recubrimiento de mejor calidad que la encaladura. De alguna forma la industria del acero también crece y exige mejores terminados en sus estructuras y laminados con el fin de evitar la corrosión y lograr una mejor apariencia en sus superficies, al mismo tiempo que reduce los grosores de los perfiles y, por consiguiente, el ahorro de material y la reducción de costos. Con la llegada de la era del petróleo, la investigación en la industria petroquímica descubre que se pueden obtener emulsiones hechas con resinas sintéticas estren-acrílicas, pigmentos de alta calidad y cargas seleccionadas para elaborar pinturas resistentes al intemperismo, al paso del tiempo, la lluvia ácida, la oxidación y el desgaste.

Gracias a la investigación, actualmente existen 5 tipos de pinturas para todo tipo de superficies sin incluir aún la gama de emulsiones elastoméricas que por sus características pasaron al grupo de impermeabilizantes.

La primera guía de pinturas se publicó 800 años antes de Cristo. Posteriormente, un monje llamado Teofhilus, ya describía la disolución de resinas molidas en aceite caliente secante, en uso en aquellos tiempos.

Cuando empezó verdaderamente la aparición de pinturas y su desarrollo, fue a mitad del siglo XIX, con la aparición de las resinas sintéticas.

La evolución de dichas resinas ha sido constante hasta nuestros días, con gran cantidad de modificaciones, pero aún constituyen la base de gran parte de las pinturas decorativas base solvente.

En general, estas resinas están preparadas con disolventes derivados del petróleo para facilitar su aplicación.3

En nuestro país, las fábricas de pinturas inicio a partir del año1933, donde los productos de la época, eran «base solventes» y se llamaban pinturas «por preparar», debido a que los pintores tenían que mezclar, las pastas pigmentadas, los secantes, aceites y solventes, que en aquella época era el aguarrás vegetal, que hoy día fue reemplazada por el aguarrás mineral, que es un derivado del petróleo.4

Hasta la fecha hay pocos antecedentes de que se haya utilizado carburos o aleaciones de carburos con pinturas. Carburos de Metales de Transición

La familia de estos materiales se puede dividir en ferrosos y no ferrosos, entre los primeros se encuentran los aceros, el material ingenieril más usado. Los demás son carburos que contienen elementos de los grupos IV al VI de la tabla periódica y su uso tecnológico depende de su composición que da lugar a las siguientes propiedades.

Altos puntos de fusión Estabilidad a altas temperaturas Baja reactividad química y resistencia a la corrosión y erosión a muy altas temperaturas

Soportan deformaciones elásticas grandes incluso a altas temperaturas

Son buenos conductores térmicos y resisten choques térmicos por lo que se consideran los mejores materiales refractarios.

Algunos de ellos son materiales biocompatibles, por lo que su uso en aplicaciones médicas es importante.

Aplicaciones Generales

• Herramientas de corte, • Moldes y recubrimientos para aparatos y motores sujetos a

altas temperaturas corrosión y/o erosión. • Abrasivos • Prótesis • Catalizadores para reducción de azufre, oxigeno nitrógeno y

especies aromáticas.

En el caso de tener nanoestructura estos materiales pertenecen a la familia de los materiales superduros, a la que pertenecen los boratos y el diamante, además de otros tipos de carburos.

Entre las cualidades de los carburos nanoestructurados además de su alta dureza, está el hecho de ser buenos catalizadores para hidrotratamientos y aunque no alcanzan la actividad catalítica de materiales con paladio, resultan ser mucho más baratos. Tienen entre sus propiedades, la de ser transparentes al infrarrojo y ser capaces de almacenar hidrógeno en porcentajes de hasta el 40% atómico. Su estructura

se considera amorfa y tienen morfología suave, en contraste con la rugosa del diamante.

Entre los carburos industrialmente más populares se encuentra el carburo de Tungsteno reforzado, conocido como carburo cementado usado en la mayor parte de las herramientas de corte por ser mucho más barato que el diamante.

Otro uso importante de este carburo se encuentra en catálisis, donde su selectividad en la formación de Xileno durante el proceso de isomerización e hidrogenólisis de 1,1,3 –trimeciclopentano está cercano a la de catalizadores como el platino y el paladio, pero su costo es menor. Otro carburo de interés en catálisis es el de Molibdeno cuya actividad es comparable con la de Rutenio en reacciones CO-H2.

En general comentaremos que los carburos formados con elementos de los grupos IV al VI de la tabla periódica se usan como catalizadores de hidrotratamiento, y aunque no alcanzan la actividad catalítica de elementos del grupo VIII son preferidos por ser mucho más baratos.

Otro carburo muy empleado como material de las de herramientas, moldes, prótesis y soportes que trabajan bajo grandes esfuerzo a altas temperaturas y en ambientes hostiles con altos grados de erosión y corrosión es el Carburo de Titanio reforzado.

Los refuerzos más usados son partículas ó nanopartículas de Cobalto y Vanadio, las cuales no se disuelven fácilmente en la matriz del carburo, incrementando así la vida del material.

Los carburos de Talio, Lantano, Hafnio y Zirconio se consideran materiales grado diamante pues alcanzan los que se conoce como Superdureza en un rango muy amplio de temperaturas

El carburo de silicio fue preparado por primera vez al principio de

los años 1800. Se produjo comercialmente hacia 1892, como polvo de rectificación y corte, con una dureza de 9-10 en la escala de Mohs (casi tan duro como el diamante).5

Investigadores japoneses han conseguido manipular el carburo de silicio (silicon carbide) que podría ahora cumplir con su potencial en el reemplazo del silicio. El carburo de silicio (SiC) puede ser utilizado para fabricar dispositivos electrónicos que pueden funcionar a una alta intensidad, en calor extremo y bajo dosis letales de radiación. El potencial del carburo de silicio como un reemplazo del silicio se conoce desde la década de los 50. Es extremadamente duro, se utiliza en el papel de lija, y es altamente resistente al calor. 6

Los carburos son compuestos binarios de carbono con otro elemento más electropositivo que el carbono7, existe tres tipos de carburos que son: -Los carburos iónicos: Los carburos iónicos tienen un carácter fuerte de sal y se forman sobre todo a partir de los elementos de los grupos I y II de la tabla periódica. Todos estos elementos son muy electropositivos y el carbono tiene por lo tanto una carga negativa. -Los carburos covalentes: Los carburos covalentes se forman entre el carbono y elementos con aproximadamente la misma electronegatividad. Los ejemplos más importantes de este grupo son el carburo de silicio y el carburo de boro (B4C4).

Estas sustancias suelen ser muy duras debidas a los enlaces covalentes formados en las tres dimensiones. Se utilizan por ejemplo como materiales abrasivos o como recubrimientos en piezas que tienen que resistir abrasiones mecánicas. -Los carburos metálicos: Estos carburos se forman con metales de transición como el wolframio o el titanio. A menudo no tienen una estequiometría definida. Esto se debe a que el carbono ocupa posiciones

libres tetraédricas en la estructura del metal. Las estructuras formadas se caracterizan por su elevada resistencia mecánica y térmica (puntos de fusión típicamente del orden de unos 3000 a 4000 ºC) y se utilizan en la elaboración de utensilios de cerámica y maquinaria.8

CARBURO DE SILICIO Y CARBURO DE ZIRCONIO

El carburo de silicio, también llamado carborundo, (SiC) es un carburo covalente de estequiometría 1:1 y que tiene una estructura de diamante, a pesar del diferente tamaño del C y Si, que podría impedir la misma. Es casi tan duro como el diamante (10 en escala de Mohs). Y tiene una dureza en la escala de Mohs de entre 9 y 9,5.

Es un compuesto que se puede denominar aleación sólida, y que se

basa en la estructura anfitrión (C en forma de diamante) existe cambio de átomos de éste por átomos de Si, siempre y cuando el hueco que se deje sea similar al tamaño del átomo que lo va a ocupar. El carburo de silicio se utiliza también como soporte para catalizadores debido a su alta resistencia y buena conductividad térmica.9

A) Producción del SiC

La mayoría del polvo del carburo del silicio es producido por el proceso de Acheson este proceso fue desarrollado aproximadamente por el año 1900. Los carburos y arenas silíceas son los materiales en bruto.

Se prepara una mezcla conductiva en un horno eléctrico que genera un arco eléctrico. La descarga sobre la fase gaseosa de la reacción libera gas SiO, de forma tal que resultan cristales SiC que son bastos y de pureza variable.

Luego queda el proceso de refinación de esos cristales tal de obtener el polvo de carburo de silicio. Esto se hace mediante procesos batch (fusiones por lotes) de acuerdo a la refinación primaria, donde las condiciones de reacción difieren, hasta la obtención final de los finos y ultra finos.

El α-SiC se puede también producir directamente con la pureza deseada por la reacción en fase gaseosa del plasma de especies tal como silano, y el metano. Polvos del β-SiC se pueden producir por la misma reacción en fase gaseosa a una temperatura más baja (1500- 1600 ºC) o por reacciones de la descomposición del polímero.10

  La estructura que presenta el Carburo de Silicio es de forma hexagonal. Propiedades del SiC

El SiC es uno de los materiales de mayor dureza que podemos encontrar en la actualidad. A parte de su extremada dureza, el carburo de silicio presenta una serie de notables propiedades físico-químicas y mecánicas entre las que podemos destacar las siguientes:

• Alta estabilidad térmica (se descompone a aproximadamente 2700 ºC).

• Alta conductividad térmica y bajo coeficiente de expansión térmica, por tanto posee una alta resistencia al choque térmico.

• Elevada resistencia al desgaste. y gran resistencia a la corrosión. Resistencia a la abrasión

• Baja densidad. • Semiconductor apto para altas temperaturas, altas frecuencias y

altos voltajes y potencias. • Elevado módulo de elasticidad y resistencia mecánica en comparación

con otros materiales cerámicos. • Es casi tan duro como el diamante (10 en la escala de Mohs) • Su dureza en la escala de Mohs es de entre 9 a 9,5. Por estas razones sus aplicaciones en la industria son muy apreciadas: • Como abrasivo por su extremada dureza. • Como material refractario y blindaje térmico por su alta

estabilidad térmica y resistencia al choque térmico. • Para la construcción de motores de combustión y turbinas de gas a

altas temperaturas por su alta estabilidad térmica y química. • Para intercambiadores de calor en condiciones agresivas, por su

alta • conductividad térmica. • En cojinetes antifricción, sellados mecánicos y bolas de molienda

por su alta resistencia al desgaste. • Como semiconductor en aplicaciones que requieren funcionamiento a

altas temperaturas. • Como partículas de refuerzo en materiales compuestos de matriz

cerámica o metálica.11 PRODUCCIÓN DEL (ZRC).

Este carburo, que se prepara en el horno eléctrico a partir de óxido de zirconio y de negro de humo, es atacado por el aire y por el agua. Se utiliza para los filamentos de lámparas de incandescencia.12

La estructura que presenta el ZrC es de forma cúbica.

Fig. 3 Carburo de zirconio usado en el proyecto, observado en SEM Propiedades del ZrC

• Alta estabilidad Térmica. Y Dureza • Resistente a radiaciones de alta potenciay Resistente a la

corrosión. INTERMETALICOS

Los primeros estudios sobre materiales intermetálicos se deben a Kurnakov y col. (1916) y se refieren a un estudio de compuestos intermetálicos del sistema Au-Cu. Pero realmente la actividad científica en este campo se inició a principios de los años 50, aunque se produjo un

importante declive a finales de los 60 por el problema de la gran fragilidad que presentaban estos materiales a temperatura ambiente. Aunque los estudios que se habían realizado hasta ese momento habían sido fundamentalmente de carácter básico, quedaba implícita la idea de sus posibles aplicaciones estructurales. A principios de los 80, tras el descubrimiento por parte de Aoki e Izumi que pequeñas adiciones de B ductilizaban el Ni3Al , se produce un resurgimiento del interés por estos materiales y de sus posibles aplicaciones. En los últimos años la investigación y el desarrollo de los materiales intermetálicos para aplicaciones estructurales a altas temperaturas se han visto favorecidas por las demandas de la industria aerospacial, de materiales alternativos a las superaleaciones con el objetivo de desarrollar materiales más ligeros, más resistentes y con una temperatura de trabajo superior. Estados Unidos y Japón son los países que más activamente han trabajado en la investigación y desarrollo de este tipo de materiales siendo la actividad en Europa comparativamente muy baja. La actividad desarrollada es tal que están identificados en la literatura una enorme cantidad de intermetálicos monofásicos (en algunos casos polifásicos) aunque sólo unos pocos se han considerado potencialmente candidatos para aplicaciones estructurales a intermedias y elevadas temperaturas.

Los materiales intermetálicos son fases o compuestos con relaciones atómicas enteras y bien definidas con un intervalo muy limitado de composiciones posibles. Poseen una estructura cristalográfica con orden de largo alcance que en unos compuestos puede mantenerse hasta la temperatura de fusión y en otros puede desordenarse a una temperatura característica más baja. Esta estructura ordenada hace que los coeficientes de autodifusión sean menores que en una aleación desordenada, proporcionándoles una mayor estabilidad estructural a altas temperaturas y buena resistencia a la fluencia. Combinan, además, propiedades como baja densidad, elevada resistencia mecánica a altas temperaturas y buena resistencia a la oxidación. Los principales inconvenientes son la escasa ductilidad y tenacidad a temperatura ambiente. Las propiedades mecánicas se explican por estructuras de superdislocaciones complejas que impiden el deslizamiento mediante diferentes procesos. En unos casos se forman configuraciones de núcleos de dislocaciones extendidas que producen elevadas fuerzas de fricción. También las superdislocaciones se disocian produciendo configuraciones de dislocaciones inmnóviles o deslizamiento plano, lo que en definitiva provoca aumentos del límite elástico, de la velocidad de endurecimiento y de la fragilidad. Otra causa de la escasa ductilidad de policristales de estos materiales es la debilidad de las fronteras de grano. Hay evidencia experimental que demuestra que las propiedades mecánicas de los intermetálicos multifásicos son mejores que las de los intermetálicos monolíticos. Esto es especialmente claro en el caso de los aluminuros de níquel y de titanio.

Por ello, una de las líneas de investigación actual es el desarrollo de intermetálicos con más de una fase, mediante el control del proceso y de la composición. Asimismo, se está realizando una gran tarea en el estudio de intermetálicos exóticos, con temperatura de trabajo potencialmente muy alta.

La mayor actividad científica, sobre todo de carácter fundamental, se ha desarrollado en aluminuros de estructura tipo L12 que deriva de la fcc. A continuación le siguen los que presentan estructura B2 que deriva de la bcc. La razón es sencilla y se debe a que la mayoría de las aleaciones empleadas en aplicaciones estructurales a alta temperatura poseen estructuras fcc o bcc y sólo unas pocas hcp (los metales con

estructura fcc y bcc son más dúctiles que los que poseen estructuras más complejas).

ALEACIONES DE ALUMINIO.

El aluminio y sus aleaciones se caracterizan por la baja densidad (2.7 g/cc comparada con 7.9 g/cc del acero), alta conductividad eléctrica y térmica, y buena resistencia a la corrosión de determinados medios como el atmosférico. El aluminio tiene baja temperatura de fusión 660 °C lo que limita mucha su aplicabilidad a temperaturas moderadas. La resistencia mecánica se consigue por acritud y por aleación. Sin embargo, estos procesos generalmente disminuyen la resistencia a la corrosión. Las aleaciones de aluminio suelen contener Cu, Mn, Mg, Si, Zn y Li en proporciones variables entre el 0.1 y el 5 %. Estas aleaciones son muy utilizadas en componentes de medios de transporte debido al ahorro de combustible que conlleva la disminución de peso con prestaciones de seguridad similares. 1) Aleaciones (Al - Cu) tienen alta resistencia a la fractura por lo que se utiliza en partes estructurales de aviones, carrocerías de automóviles y autobuses, tanques de combustibles. El duraluminio (96%Al 4 % Cu) es una aleación muy utilizada en casas (puertas y ventanas), transporte, etc. En el caso de añadir a este sistema hierro ( Al Cu Fe) es posible tener un material que puede usarse como recubrimiento donde se obtengan: - Capas de gran dureza (hasta 2.000 HV) resistentes al desgaste para baterías de válvulas, poleas, bombas, pistones y camisas. - Capas de barrera térmica para la protección de las coronas del pistón. - Delgadas capas protectoras decorativas y subcapas para pinturas y adhesivos. 2) Aleaciones (Al - Mn) tienen buena capacidad para ser trabajadas, son fáciles de soldar e inertes químicamente y se utilizan en tanques de almacenaje, latas para bebidas refrescantes, utensilios de cocina, cañerías, etc. 3) Aleaciones (Al - Si) tienen bajos coeficientes de expansión térmica y bajos puntos de fusión por lo que se utilizan en alambres de soldadura y para piezas fundidas. 4) Aleaciones (Al - Mg) tienen alta resistencia a la corrosión, buena capacidad para ser soldadas y trabajadas y se utilizan en aplicaciones marítimas, blindaje de vehículos militares, extremos de botes de bebida y para maletines. 5) Aleaciones (Al - Mg - Si) tienen buena resistencia al calor y buena capacidad de ser moldeados por lo que se utilizan en partes estructurales de transportes, mobiliario y componentes en arquitectura. 6) Aleaciones (Al - Zn) tienen alta resistencia a las tensiones y al calor y encuentran aplicaciones en componentes de aeronaves. 7) Aleaciones (Al - Li) tienen muy baja densidad y son moderadamente resistentes al calor con aplicaciones aeroespaciales. 8) Aleaciones (Al - Si - Cu) tienen alta resistencia a la tensión y se pueden moldear, se utilizan en componentes de motores de automóviles. El problema de estas aleaciones es que en su producción se usan métodos poco amigables al medio ambiente como la fundición a altas temperaturas y en el caso de recubrimientos, la anodizaciòn, por lo cual nuestra intención era explorar la posibilidad de producir el material por una técnica alternativa: la aleación mecánica.

METODOLOGIA DE PRODUCCION Y ESTUDIO EN EL PROYECTO. En esta segunda etapa del proyecto se obtuvieron diferentes

pinturas anticorrosivas con tres tipos de aleaciones en polvo: el Carburo de Silicio (SiC) y el Carburo de Zirconio (ZrC) y Carburo de Níquel (NiC), utilizando varios procesos de preparación de la pintura y de los polvos, así como las técnicas de análisis tanto de la pintura como de los polvos. Como primer paso, se colocaron en un contenedor de acero con bolas de acero al bajo carbón, polvos de carbono, níquel y los carburos SiC y ZrC, se disminuyo el tamaño de partícula de los polvos utilizando un molino planetario de alta energía a 300 rpm. Se prepararon varias muestras de 10 gramos para cada carburo, con el fin de tener moliendas a diferentes horas (5, 10, 15, 20 para el SiC, y 5, 10, 15, 20, 25 para el ZrC y para NiC en una sucesión de 5, 10, 15, 20, 25, 30 y 35 h). Con un peso en bolas de 100 gr.

Para la caracterización de los polvos antes de las moliendas y después de estas, se utilizaron técnicas convencionales de difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de barrido (MEB). En los resultados se observa que los polvos molidos disminuyen en tamaño en todos los casos conforme va teniendo más tiempo de molienda. En el caso del carburo de Níquel se encontró que se da cierta solubilidad aunque esta está limitada y es difícil obtener un material unifásico. Las imágenes obtenidas en el MEB Nova Nanolab del alta resolución, nos indican que en el caso del SiC se han llegado a formar nanopartículas y con el ZrC se forman nanopartículas y nanotubos además de hojuelas nanoestructuradas de carburo. Por el contraste observado en el NiC, nos damos cuenta que en concordancia con los resultados de rayos X, en esta muestra no tenemos un material de una sola fase, se observan areas donde el metal se encuentra solo sin integrarse al carbón y otras donde parece haber la fase NiC.

Como segundo paso se preparo una pintura (p) comercial con su respectivo catalizador (c) y para analizarlo, se utilizaron 4 laminillas de hierro para aplicar la pintura con catalizador a diferentes concentraciones (4 partes de p por 0.5 de c, 4 de p por 1 de c, 4 de p por 2 de c, 4 de p por 3 de c). Al secarse, se toma una muestra de cada una y se analiza por técnicas convencionales de Temperatura de Transición Vítrea (TGA) y de Diferencia de de Sistema Calorimétrico (DSC). Los resultados obtenidos nos indican que la mejor de las concentraciones es la de 4 de p por 2 de c en cuanto a propiedades térmicas, por lo tanto es esta la concentración utilizada.

Como último paso, se hizo la impregnación de los polvos en la pintura antes mencionada, teniendo de cada molienda 3 muestras (50ppm, 100ppm, 200ppm) esto quiere decir que se tienen 27 diferentes muestras, 12 de SiC y 15 de ZrC, de igual forma se recubrieron 27 laminas con estas nuevas pinturas y al dejarlas secar por 72 horas se cortaron de 1 cm2 para analizar la interfase entre la pintura y la lámina.

El análisis se determino por la técnica MEB. Las imágenes obtenidas por esta técnica nos indican que tanto el SiC y el ZrC cubren el metal, formando una patina lo que hace que esta perdure por más tiempo logrando hacer la pintura anticorrosiva.

En el caso de la pintura base níquel debido a que no alcanzábamos a formar la fase única observamos que este material era un mal refuerzo ya que el carbono promovía cierto grado de corrosión en las laminas pues se asocia fácilmente a ciertas sales y azufre por lo cual decidimos dejar la investigación de este material a posteriori. Otro problema que vimos es que era mas difícil integrar la nanoestructura heterogénea a la pintura por lo que la superficie del material no era suave y estaba llena de grumos de polvo luego del secado.

La aleación Al60 Cu30 Fe10, presentaba una problemática similar al carburo de níquel, consideramos que la dificultad para tener una sola fase es porque durante la producción de las nanoestructuras no contamos con una atmosfera de molienda adecuada, nuestro vacio es muy pobre y no introducimos un gas de control. El desarrollo de ambos materiales esta aun en estudio y es tema de una tesis de doctorado que cuanta por ahora con un avance del 45%. RESULTADOS DIFRACCIÒN DE RAYOS X. Al analizar los polvos molidos de carburos, por la técnica de difracción de rayos X, como se muestra en las figura 4 y 5, se observa el refinamiento de tamaño de partícula y un ligero corrimiento de los picos de difracción, que en el caso de los carburos es indicativo de la aparición de defectos y oxidación. Aparentemente la estructura cristalina se conserva en los carburos molidos.

         

Fig. 4. Evolucion del SiC molido a distintos tiempos  Fig. 5.Evolucion del ZrC molido a direrentes 

tiempos 

  En el caso de la aleación Al60 Cu20 Fe10 nos encontramos con la dificultad de que a pesar de emplear diferentes tiempos de molienda para tratar de lograr una sola fase intermetalica, el material presenta varias fases, y en los difractogramas se observò que aunque a 30h se observa un pico de la aleación Al60 Cu20 Fe10, si molemos màs no se forma esta única fase e incluso no se llega a detectar la presencia de cobre a 60h, sino la fase β AlFe.Debido a la heterogeneidad de la pintura se decidió que lo mejor era emplear por el momento los refuerzos nanoestructurados homogéneos para poder realizar mediciones y obtener conclusiones objetivas sobre la influencia del refuerzo en el polímero.

Fig 6.Muestra AlCuFe molida a diferentes rangos de tiempo, 

 a) molienda a tiempos cortos entre 10 y 30 horas y a b) tiempos màs prolongados entre 20 y 60 horas Análisis por Microscopía Electrónica de Barrido Por esta técnica se estudio la morfología de los polvos antes y después de la molienda y el tamaño de partícula también. En cuanto al tamaño de partícula, en los casos donde se generó un carburo, se observó la disminución de los polvos conforme aumentó el número de horas de molienda. Por EDX se observó la presencia de oxigeno el los polvos mas ovidados y creemos que es debido que a mayor cantidad de horas de molienda se presenta una cantidad mayor de defectos cristalinos en la superficie de los polvos, lo cual hace más activos químicamente los polvos. En la figura 7 se muestra el efecto de la molienda en los polvos de carburo de silicio y de carburo de zirconio luego de 25 hr. Morfológicamente hablando antes de la molienda los polvos parecen diminutas rocas y luego del molido se observa el carburo como un conjunto de láminas apiladas. El tamaño de particula en menor en el de zirconio y la superficie de este carburo es mas suave que la del SiC.

Fig. 7 a) SiC molido por 25 horas    b) ZrC molido por 25 horas 

RESISTENCIA DE LA PINTURA A LA TEMPERATURA Se empleó una pintura epóxica comercial de marca “COMEX” ya conocido a el cual se le adicionaron diferentes cantidades de catalizador, En las graficas que se observan a continuación, se muestran los resultados de calorimetría TGA para esta pintura donde se llevò a cabo la variación de la concentración del esmalte con el catalizador en proporciones 4:1, 4:2 y 4:3, para ver si esto alteraba la resistencia a la temperatura de la pintura.   

 

Como se observa en la figura 8 la pintura comienza a evaporarse como a 400ªC en cada caso y pierde la mayor cantidad de masa a 450ªC y acaba su evaporación como a 700ªC.

Posteriormente se añadieron los polvos en una concentración de 2partes por millón de cada uno de los carburos molidos y se realizó de nuevo la prueba. La concentración de los reforzadores se eligió en base a los resultados de la primera parte del proyecto, en la que hallamos que concentraciones arriba de 50ppm daban lugar a movilidad de las nanoestructuras y rompimiento del polímero. Por lo que evitamos este fenómeno incluyendo una cantidad mucho menor de refuerzo.

Fig.8. TGA de la pintura reforzada con a)  SiC y b) con ZrC en dos partes por millón (ppm)

Luego de la prueba TGA de las pinturas reforzadas, se observó que la resistencia de la pintura a la temperatura se incrementó alrededor de 30ªC para SiC y 50ªC para ZrC, aun cuando la cantidad de refuerzo fue muy pequeña. MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO Las micrografías de barrido que mostramos a continuación muestran la pintura sobre la lámina de acero. La pintura tiene un espesor controlado de 230 micras y no presenta inhomogeneidades aparentes, se realizó sobre ella la prueba EDX puntual para establecer la composición química de la pintura en cada caso.

Fig 9. Micrografias de SEM y análisis químico puntual por EDX de las pinturas 

 

A continuación decidimos analizar cómo se distribuyen los refuerzos usando para esto lámpara ultravioleta, y nos encontramos que mientras la pintura sola y aquella con SiC reflejan la luz UV la pintura ZrC la absorbe, en la siguiente fotografía se muestra el comportamiento ya descrito y se observa que los refuerzos se distribuyeron de manera más o menos homogénea.

Fig 10. Fotografias del comportamiento bajo luz ultravioleta de las pinturas reforzadas con SiC y ZrC 

IMPACTO DEL PROYECTO Parte del proyecto era realizar las siguientes actividades académicas: APOYO A ESTUDIANTES:

Núm Nombre Status* Actividad específica a desarrollar

SITUACION ACTUAL DEL ESTUDIANTE

1 CECILIA ENCARNACION GOMEZ PIFI Colaboración en proyecto. POR TITULAR

2 ERIKA MAGALI LAZCANO UGALDE PIFI Colaboración en proyecto. POR TITULAR

3 FERNANDO MARTINEZ MIRELLES TESIS NIVELSUPERIOR

Desarrollo y Caracterización de una Pintura epoxica reforzada con carburo de Niquel

TITULADO

4 SOLIS ALVAREZ ZENAIDA SERVICIO SOCIAL

Desarrollo y Caracterización de una Pintura epoxica reforzada con AlCuFe

SERVICIO FINALIZADO POR TITULARSE

5 ROSALVA ESQUIVEL TESIS DOCTORADO

DESARROLLO Y CARACTERIZACION DE UN CUASICRISTAL OBTENIDO A PARTIR DE LA ALEACION INTERMETALICA AlCuFe

EN PROCESO

6 MARIA DAISY RICO ANGELES TESIS NIVELSUPERIOR

Desarrollo y Caracterización de una Pintura epoxica reforzada con carburo de zirconia

EN PROCESO

7 JOSE OCTAVIO MONROY GOMEZ TESIS NIVELSUPERIOR

Desarrollo y Caracterizacion de una Pintura base agua con particulas polimericas reforzadas con carburo de silicio

EN PROCESO

No todos los estudiantes recibieron apoyo económico, debido a su promedio, sin embargo los materiales de su tesis fueron financiados con este proyecto, en el caso de los alumnos Ma. Daisy y Josè Octavio ellos se encuentran terminando el escrito de su tesis.

APOYO A INVESTIGADORES EXTERNOS: EN EL DESARROLLO DE UN PROYECTO REGIONAL DE DESARROLLO Y ESTUDIO DE APLICACIONES DE CARBUROS METALICOS NANOESTRUCTURADOS A PARTIR DE GRAFITO DEL ESTADO DE SONORA FOMIX SON-2008-C01 CURSOS CRISTAOLGRAFIA Y DIFRACCION PARA ESTUDIANTES Y PROFESORES DE LA UNISON CONGRESOS ISMANAM SOC MEX DE MICROSCOPIA CIASEM ARTICULOS CIENTIFICOS ENVIADOS EN 2008 EN ESPERA DE ACEPTACION ACTA MICROSCOPICA 2 ATENTAMENTE DRA. LUCIA G. DIAZ BARRIGA ARCEO PROFESOR INVESTIGADOR TITULAR B TC

VoBo. M. en C. SALVADOR MEZA ESPINOZA DIRECTOR DE LA ESIQIE IPN