Recubrimiento de estructuras 3D de grafeno mediante impregnación con polímero precursor cerámico

Biosca San Miguel, Enrique (2018). Recubrimiento de estructuras 3D de grafeno mediante impregnación con polímero precursor cerámico. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM), Madrid.

Descripción

Título: Recubrimiento de estructuras 3D de grafeno mediante impregnación con polímero precursor cerámico
Autor/es:
  • Biosca San Miguel, Enrique
Director/es:
  • Zarzo Altarejos, Alejandro
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2018
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 recubrimientos cerámicos ofrecen una protección térmica a altas temperaturas de los sustratos, así como una mayor resistencia a la oxidación. Esto es debido a las elevadas temperaturas de fusión de los materiales cerámicos, su alto módulo elástico y a la estructura con altas energías de enlace resultante. Para que se efectúe dicha mejora de propiedades gracias a los recubrimientos cerámicos, es necesario que exista una compatibilidad química entre el recubrimiento y el sustrato. En este Trabajo de Fin de Grado, se realizará un estudio de las propiedades mecánicas y eléctricas de estructuras 3D de grafeno recubiertas con una capa cerámica, resultado de la ceramización de un polímero precursor cerámico termocurable. Se analizarán los sustratos para escoger las estructuras 3D de grafeno disponibles que mejor comportamiento ofrezcan y conocer las propiedades características del sustrato para las temperaturas de trabajo. Se impregnarán dichas estructuras 3D de grafeno con un polímero precursor cerámico de tipo polisilazano (Durazane HTT 1800), ajustando el tiempo de impregnación y las ganacias de polímero en las estructuras. Una vez impregnadas, se someterán a las estructuras a un tratamiento térmico en horno con atmósfera controlada de nitrógeno. En primer lugar, se curará el recubrimiento a temperaturas entre 150-300ºC, donde tendrá lugar la reacción de polimerización del polímero líquido impregnado. Posteriormente, se pirolizará a temperaturas del orden de los 1000ºC, donde el polímero curado se ceramizará, generando el recubrimiento deseado en las estructuras 3D de grafeno. En las Figuras I y II se aprecian las diferencias en los recubrimientos debidas a la disminución del tiempo de impregnación en el polímero, tanto en GNPs como en GOs, respectivamente. Se estudiarán las ganancias de masa y el porcentaje de las fases de sustrato y polímero de las muestras para ajustar el procedimiento a aquél que mejor resultados proporcione tras la impregnación y el tratamiento térmico elegidos.Finalmente, se llevarán a cabo ensayos mecánicos de compresión y ensayos eléctricos para medir la conductividad eléctrica de las estructuras tratadas, analizando los resultados y la mejora potencial de propiedades. La influencia del tiempo de impregnación en las características y continuidad del recubrimiento resultante es de especial importancia. El tiempo de impregnación más adecuado para obtener dicho recubrimiento cerámico protector y evitar posteriores grietas por exceso de polímero en los tratamientos térmicos es de 10 minutos en condiciones de vacío. El sustrato seleccionado para realizar los ensayos de propiedades son las estructuras 3D de GNP-N008. El tratamiento térmico escogido como óptimo en la investigación corresponde al realizado en el horno tubular de atmósferas a bajas temperaturas, en flujo continuo de nitrógeno. El curado tiene lugar a 300ºC (medida del termopar del horno) durante una estancia de una hora y la ceramización posterior se efectúa a unos 1000ºC con una estancia de una hora. El sustrato seleccionado para realizar los ensayos de propiedades son las estructuras 3D de GNP-N008. La relación final de fases obtenida en estas estructuras varía entre 15-21% de polímero. En cuanto a los resultados en los ensayos de propiedades, se muestra en la Figura III la comparación entre la curva tensión-deformación de las estructuras de GNPs impregnadas con respecto a las originales, obtenida de los ensayos mecánicos a compresión. Se observa que las propiedades mecánicas obtenidas ensayadas son mejores que las de las estructuras 3D originales. Se aprecia un aumento de la resistencia mecánica a compresión de 4 veces sobre las estructuras no impregnadas en relación a las procesadas con el recubrimiento. Por último, se representa en la Figura IV la comparación entre las conductividades eléctricas obtenidas tanto en atmósfera de nitrógeno como en aire en función de la temperatura del ensayo. La conductividad eléctrica aumenta con la temperatura creciente tanto en atmósfera de nitrógeno como en aire. No obstante, la protección del recubrimiento y la mejora de propiedades en aire se consiguen hasta los 350ºC. En nitrógeno se ha realizado el ensayo hasta los 800ºC, demostrando un incremento de conductividad eléctrica con temperaturas crecientes. No obstante, debido a la falta de suficientes muestras para llevar a cabo una estadística que prediga el comportamiento de las estructuras 3D de grafeno impregnadas y tratadas, los resultados obtenidos no permiten realizar un juicio definitivo sobre la mejora de propiedades mecánicas y eléctricas real de las estructuras.

Más información

ID de Registro: 49694
Identificador DC: http://oa.upm.es/49694/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:49694
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 12 Mar 2018 08:10
Ultima Modificación: 12 Mar 2018 08:10
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