Modificación de las propiedades superficiales de los materiales por tratamiento láser

Navarro Aceto, Ciro (2017). Modificación de las propiedades superficiales de los materiales por tratamiento láser. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Modificación de las propiedades superficiales de los materiales por tratamiento láser
Autor/es:
  • Navarro Aceto, Ciro
Director/es:
  • Morales Furió, Miguel
  • Muñoz Martín, David
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Física Aplicada e Ingeniería de Materiales
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El objetivo de este trabajo es estudiar la modificación de las propiedades superficiales de los materiales por tratamiento láser con escáner galvanométrico y un láser de picosegundos. Dentro de este objetivo se han tratado dos materiales: el silicio y el acero inoxidable 304. La propiedad de interés en el caso del silicio es su reflectividad (propiedad óptica). En el caso del acero, es la interacción del agua con su superficie o mojabilidad. La documentación inicial para el trabajo se basó por una parte en una introducción a la tecnología láser y, por otra parte, de la teoría sobre las propiedades ópticas del silicio al ser texturizado de una determinada manera y teoría sobre el comportamiento del agua en superficies lisas y rugosas. El principio del trabajo consistió en una toma de contacto con las tecnologías que se iban a utilizar en el mismo. Por un lado, se empezó con tratamientos muy sencillos al acero con el láser, para medir los parámetros físicos del haz y alguna propiedad del mismo, como puede ser la fluencia umbral. La calibración de potencia en la etapa inicial es esencial. A partir de ella se obtiene la potencia del láser en función del atenuador y la energía por pulso. Por otro lado, los resultados de los tratamientos sencillos se analizaban en el microscopio confocal, otro de los elementos claves en este trabajo. El tratamiento del acero se ha realizado variando los parámetros más importantes que afectan al texturizado. Son los siguientes: distancia entre líneas de ataque, energía por pulso (atenuador), frecuencia de trabajo del láser y velocidad de avance del haz láser. A todos estos tratamientos se han analizado su morfología mediante el microscopio confocal, el cual proporciona varios tipos de imágenes y datos de interés. Después de ello se midió el ángulo de contacto que se produce con cada uno de los tratamientos. La morfología de los texturizados realizados no es estética en mucho de los casos. La estructura final para distancias entre líneas bajas no se parece a lo que idealmente debería ser, es decir, una cuadrícula con líneas paralelas y líneas perpendiculares. En cuanto a los ángulos de contacto, el carácter ya hidrofóbico de la superficie, con ángulo de contacto de 79°, se acentuó en la mayor parte de los tratamientos. En algunos de ellos se consiguió que el ángulo de contacto se mantuviera y el color cambiara a distintos grises. En un caso el ángulo de contacto pasó a ser de 82°. Estos resultados se compararon con muestras de acero de un trabajo previo realizado con un láser de nanosegundos en el Centro Láser de la UPM. Los ángulos de contacto de sus muestras obtuvieron un resultado parecido, la mayor parte de los tratamientos hizo que el ángulo de contacto bajara, a cambio de que la superficie se coloreara. En algunos de ellos la superficie mantuvo su ángulo de contacto después de ser texturizada, manteniendo sus propiedades de mojabilidad y cambiando de color. El menor ángulo de contacto medido es de 40°, cuyo texturizado de generó mediante el láser de nanosegundos en el estudio previo. El tratamiento del silicio ha sido parecido al del acero, aunque el objetivo en este caso era muy claro: disminuir la reflectancia. A simple vista una muestra de silicio de reflectancia muy baja es completamente negra. Los tonos de gris desde el negro hasta un gris claro implican un aumento gradual de la reflectancia, siendo la reflectancia máxima la del silicio monocristalino sin tratamiento (superficie especular). Los texturizados aplicados a la superficie del silicio se produjeron variando los mismos parámetros que en el caso del acero. El resultado final fue una superficie gris oscura. La reflectancia de esta superficie se midió y se comparó con la medida de la reflectancia de la muestra de silicio texturizada de un antiguo proyecto de fin de máster realizado en el Centro Láser de la UPM. La reflectancia de la muestra de texturizada con láser de pico segundos y lente fija era más baja, en torno al 5%, mientras que la muestra de este trabajo se sitúa algo por debajo del 10%. Aunque la reflectancia sea peor en el texturizado de este trabajo, hay que tener en cuenta otros factores, como el tiempo de tratamiento. Andrés Márquez utilizó el láser con lente fija para producir el texturizado, en cambio, se ha elegido el láser con escáner galvanométrico en este estudio. La mejora en tiempo del escáner galvanométrico es del 25% y se podría aumentar todavía más. La aplicación de un proceso parecido a este aplicado al silicio utilizado para aplicaciones fotovoltaicas, podría aumentar en gran medida la eficiencia en la conversión de la energía, al absorber una mayor cantidad de la radiación solar.

Más información

ID de Registro: 46125
Identificador DC: http://oa.upm.es/46125/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:46125
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 29 May 2017 07:07
Ultima Modificación: 29 May 2017 07:07
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