Estudio del daño por contacto en materiales compuestos cerámica/grafeno

García-Siñeriz Hernández, David (2016). Estudio del daño por contacto en materiales compuestos cerámica/grafeno. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Estudio del daño por contacto en materiales compuestos cerámica/grafeno
Autor/es:
  • García-Siñeriz Hernández, David
Director/es:
  • Zarzo Altarejos, Alejandro
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Julio 2016
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Matemáticas del Área Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Los materiales cerámicos poseen una elevada temperatura de fusión, alto módulo elástico, bajo coeficiente de dilatación y alta estabilidad térmica. Estas propiedades, que se deben a una estructura con altas energías de enlace, justifican el uso de materiales cerámicos en aplicaciones con solicitaciones mecánicas a alta temperatura. Uno de los materiales cerámicos más demandados en la actualidad para aplicaciones estructurales es el carburo de silicio (SiC). Sus propiedades más valoradas son: la dureza, la resistencia a altas temperaturas, una alta conductividad térmica, un bajo coeficiente de expansión térmica y una buena resistencia al desgaste, a la abrasión y a la corrosión. Sin embargo, el carburo de silicio posee muchos problemas de tenacidad. Es un material muy frágil, que presenta valores del factor de intensidad de tensiones (KIC) de entre 2,3 y 3,5 MPa·m1/2. Para lograr la mejora de la tenacidad en los materiales cerámicos, resulta interesante el desarrollo de materiales compuestos de matriz cerámica (CMCs). La introducción de una segunda fase en la matriz aumenta la heterogeneidad de la microestructura y puede frenar el avance de las grietas al aumentar la cantidad de energía necesaria para su propagación. Si se consigue frenar el avance de las grietas se reduce el peligro de rotura catastrófica del material y por tanto se mejora el comportamiento tenaz del material reduciendo su fragilidad. En particular, para el carburo de silicio y para resolver los problemas de tenacidad que presenta el material, en estudios anteriores se ha probado a reforzar la matriz de carburo de silicio con adiciones de distintas morfologías de grafeno. Mediante la aparición de grafeno in-situ, la adición de nanoplaquetas de grafeno (GNPs) o la adición de óxido de grafeno reducido (rGO), se ha logrado aumentar la tenacidad del material hasta en un 162% con un aumento a la par de la resistencia mecánica del mismo. En el presente TFG, realizado en el Instituto de Cerámica y Vidrio perteneciente al CSIC, se estudia por primera vez el comportamiento de los materiales compuestos SiC/grafeno ante ensayos de daño por contacto, con el objetivo de profundizar en el comportamiento mecánico y tribológico de estos materiales para mejorar su diseño microestructural. El SiC, dependiendo de su microestructura, puede presentar dos tipos de comportamiento frente al ensayo de daño por contacto. En el caso de microestructuras más homogéneas y de tamaño de grano fino, la deformación elástica termina en fractura en forma de cono al alcanzar el valor del límite elástico. En el caso de microestructura bimodal y heterogénea con granos elongados o que presentan fases dispersas potencialmente reforzantes, el comportamiento ante la deformación es más similar a la de los materiales dúctiles. En este tipo de materiales, aparece una zona de deformación cuasi-plástica del material generalmente combinada con grietas cónicas de menor tamaño características de la rotura frágil que, en materiales altamente heterogéneos, terminan por desaparecer. Han sido preparadas muestras de diferentes composiciones de SiC/grafeno: SiC, SiC/5 vol. % GNPs, SiC/10 vol. % GNPs, SiC/20 vol. % GNPs y SiC/5 vol. % rGOs. Estos materiales compuestos SiC/grafeno, que son densificados mediante sinterización por corriente eléctrica pulsada y asistida mediante presión mecánica uniaxial (en inglés, spark plasma sintering SPS), presentan una distribución homogénea del grafeno, sin presencia de aglomeraciones de láminas. En el material monolítico se observa la aparición de un 3-4% en volumen de grafeno producido in-situ durante la sinterización SPS. Las nanoestructuras de grafeno aparecen, en todos los compuestos, orientadas preferencialmente en la dirección perpendicular al eje de presión del sinterizado, en especial cuando se emplean GNPs y rGOs. Cada muestra, formada por dos barras del mismo material, ha sido preparada de tal manera que exista una intercara de unión entre ambas, lo que permite la posterior separación de las mismas para llevar a cabo el análisis de las secciones transversales. Además, las muestras se han preparado de tal manera que sea posible realizar ensayos en las composiciones tanto en la dirección de prensado del SPS como en la dirección del plano del grafeno. Se ha estudiado el comportamiento de los materiales tanto desde un punto de vista cuantitativo, con las curvas presión – deformación, como desde un punto de vista cualitativo, en el análisis de los modos de daño. Se han realizado los ensayos en la intercara de unión de las barras, pero además, se han realizado ensayos en la superficie de las barras con objeto de intentar analizar el comportamiento mecánico (curvas presión – deformación relativa) de las muestras ante las indentaciones. Las muestras han sido ensayadas por medio de indentaciones de tipo Brinell utilizando indentadores de carburo de wolframio de 5 mm de radio. Se ha utilizado tanto microscopía óptica como microscopía electrónica de barrido para llevar a cabo la observación de las huellas de las indentaciones y de las secciones transversales. Los resultados obtenidos, muestran claramente como en las composiciones de SiC, SiC 5 GNPs el comportamiento del material es anisótropo, siendo mejor cuando se ensayan en la dirección de prensado del SPS. Sin embargo, con 10 y 20 GNPs el comportamiento es similar en cuanto a resistencia en ambas direcciones. Sorprendentemente, para la composición de 5 rGOs las muestras ensayadas en la dirección del plano del grafeno exhiben menores deformaciones pero rotura a menor carga que las ensayadas en la dirección de prensado. Estudio del daño por contacto en materiales compuestos cerámica/grafeno. En cuanto a los modos de daño, los resultados reflejan que las muestras con carburo de silicio sin adiciones de grafeno pero con grafeno producido in-situ, no tienen suficientes láminas de grafeno dispersas en la matriz como para cambiar el comportamiento frágil del material. Sin embargo, a mayores concentraciones (adiciones de 5% y 10 % de GNPs) aparecen modos mixtos de daño e incluso con concentraciones del 20% de GNPs los compuestos exhiben un comportamiento completamente cuasi-plástico. Se observan, en las distintas composiciones con modos mixtos de daño (5% y 10% de GNPs), la aparición de microgrietas, zonas deformadas con cizallamientos y fenómenos de deflexión y puenteo de grietas. Son estos fenómenos de deflexión y puenteo los que frenan el avance de las grietas y mejoran el comportamiento tenaz del material, al consumir parte de la energía de propagación de la grieta. Por todo ello, se concluye que el SiC con 5% GNPs es el material con adiciones de GNPs con un mejor comportamiento mecánico pues además de resistir altas cargas sin rotura catastrófica, el daño subsuperficial se produce mayormente en forma de deformaciones. El SiC con 10% y 20% GNPs presentan un buen comportamiento pero la zona subsuperficial tiene grietas debidas a las altas concentraciones de láminas de grafeno y por tanto su comportamiento es peor. En particular, el material SiC con 20% GNPs posee un daño subsuperficial catastrófico debido a que todas las grietas están totalmente conectadas, por tanto no se deben incorporar porcentajes superiores al 10%. Resumen Finalmente, los ensayos en el SiC con 5% de rGOs han generado excelentes resultados que confirmarían a este material como el de mejor comportamiento tenaz y resistente. No obstante, dado el reducido número de ensayos llevado a cabo en este material, no es posible elaborar un juicio definitivo de su comportamiento mecánico con la información reunida en este Trabajo de Fin de Grado.

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ID de Registro: 43845
Identificador DC: http://oa.upm.es/43845/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:43845
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 08 Nov 2016 07:41
Ultima Modificación: 08 Nov 2016 07:41
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