Doctorado en Ingeniería de Materiales

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Desarrollo de un concreto convencional con adición de productos de fique para el empleo de estructuras en ambiente agresivo
(Universidad Industrial de Santander, 2020) Herrera Ortiz, Julián Orlando; Cruz Hernández, Ricardo Alfredo; Zapata Orduz, Luis Eduardo; Peña Ballesteros, Darío Yesid; Rincón Ortiz, Mauricio; Benjumea Royero, José Miguel; Ochoa Botero, Juan Carlos; de Andrade Silva, Flávio; Cruz Hernández, Ricardo Alfredo; Zapata Orduz, Luis Eduardo
Actualmente, las fibras naturales son un recurso objeto de múltiples investigaciones enfocadas hacia la industria de los materiales compuestos. En esta investigación se usó fibra y jugo de fique de la variedad Furcraea Cabuya Trel provenientes de Curití-Santander (Colombia) y se estudió la influencia de estas adiciones sobre las propiedades de un concreto con relación agua-material cementante (a/c=0,5). La fibra de fique tiene adecuada resistencia mecánica, presencia de cera, grasas y componentes lignocelulósicos en su superficie; por su parte, el jugo de fique es un subproducto de la extracción de fibra de la planta y de carácter ácido con alto poder espumante. La caracterización de la fibra y el jugo de fique fue resultado del proceso de investigación, que tuvo como objetivo el desarrollo de un concreto convencional con adición de productos de fique para su uso en estructuras en ambiente agresivo. De acuerdo con la revisión bibliográfica, este estudio es el primero que combina la fibra y el jugo de fique como adiciones en el concreto. Para el desarrollo de esta investigación fueron fabricadas 21 mezclas de concreto y evaluadas en estado fresco y endurecido mediante distintos ensayos mecánicos, físicos y químicos; los concretos con los resultados más promisorios fueron sometidos a penetración de dióxido de carbono en una cámara de carbonatación acelerada. Debido a la naturaleza hidrofílica de la fibra de fique fue necesario tratarla con hidróxido de sodio a fin de modificar su condición superficial. A pesar de la esencia disímil de los elementos en estudio, los resultados obtenidos en esta investigación mostraron que la adición de fibra produjo reducción de la resistencia a la compresión y un aumento hasta del 34% en el módulo de rotura a flexión, asimismo, el jugo de fique, como aditivo, disminuyó la porosidad interconectada y la penetración de dióxido de carbono.
Diseño de recubrimientos SOL-GEL para la protección contra la corrosión de la aleación de magnesio az31 de aplicación en la industria automotriz
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Hernández Barrios, Carlos Andrés; Viejo Abrante, Fernando; Coy Echeverría, Ana Emilse; Aparicio Ambros, Mario
En el presente trabajo fueron desarrollados recubrimientos híbridos sol-gel base TEOS-GPTMS para la protección contra la corrosión de la aleación de magnesio AZ31. Para ello, fue evaluado el efecto de la concentración de catalizador (ácido acético), el tiempo de inmersión, el tiempo de envejecimiento y la concentración de inhibidor de corrosión (CeNO3)3), en el proceso de síntesis y deposición de los soles, así como también en la morfología, composición y desempeño frente a la corrosión de los recubrimientos resultantes. Las reacciones de hidrólisis-condensación de los soles fueron monitoreadas mediante ensayos reológicos, espectroscopia IR y medidas de pH. Por otra parte, la caracterización de los recubrimientos se realizó mediante microscopía electrónica de barrido, ángulo de contacto y espectroscopía IR-ATR; mientras que, la evaluación en la resistencia a la corrosión se realizó a través de ensayos de polarización anódica potenciodinámica, espectroscopia de impedancia electroquímica y ensayos de inmersión, todos en medio 0,1M de NaCl. Los resultados experimentales revelaron que los parámetros de síntesis estudiados determinaron, por un lado, el nivel de interacción química entre el sol ácido y la superficie de la aleación y, por el otro, las características fisicoquímicas del recubrimiento sol-gel. De esta manera, el entendimiento profundo de dichos fenómenos permitió el diseño de una película de anclaje de Mg(OH)xF2-x sobre la superficie de la aleación AZ31, que impidió los procesos de corrosión superficiales durante la etapa de deposición de los soles y conllevó a recubrimientos sol-gel sin agrietamiento, con mejorada resistencia a la corrosión y con efecto de autocurado. Además, mediante la deposición de múltiples capas fue posible la obtención de recubrimientos que aumentaron la resistencia a la corrosión del material base hasta en 3 órdenes de magnitud y presentaron características morfológicas-protectoras que no se vieron significativamente comprometidas después de 24 h de inmersión en el medio de ensayo. _.
Estudio de la electrodeposición de soluciones de los asfaltenos y crudo extra-pesado dopados con materiales magnéticos en presencia de campos magnéticos
(Universidad Industrial de Santander, 2023-03-09) Roa Ardila, Manuel Fernando; Correa Cely, Carlos Rodrigo; Molina Velasco, Daniel Ricardo; Mercado Ojeda, Ronald; Ariza León, Emiliano; Calderón Gutiérrez, Jorge Andrés; Caamaño de Ávila, Zulia; Blanco Pinzón, Carlos Eduardo
El petróleo pesado y extrapesado se caracteriza, por sus altas viscosidades, dicha característica los hace muy costosos en de aprovechar, debido a que generan inconvenientes tanto en su extracción, transporte y refinación, la familia molecular causante de estos problemas, son los asfaltenos, dichas moléculas son las más pesadas del petróleo, El actual tratamiento de los asfaltenos en este tipo de fluidos, corresponde a la separación mediante solventes alifáticos, una alternativa poco utilizada es la de la electrodeposición, en el siguiente trabajo de investigación, se analizan procesos de electrodeposición de asfaltenos de manera convencional y en presencia de campos magnéticos y partículas magnéticas con el objetivo de conocer el efecto de estos dos nuevos componentes en los procesos de electrodeposición. Se realizó la caracterización de los crudos y sus respectivos asfaltenos, así como las partículas magnéticas, posteriormente se procedió al diseño y construcción de la celda magneto electrolítica, donde se realizaron los experimentos de electrodeposición, dicha celda se puso a punto realizando procesos de electrodeposición con un crudo más liviano. Los consecutivos análisis se realizaron con los asfaltenos del crudo Chichimene, un crudo extrapesado colombiano, finalmente se realizaron los procesos de electrodeposición directamente en el petróleo, se realizaron 4 procesos uno solo en presencia de campo eléctrico, posteriormente se combinó este con un campo magnético, otro proceso fue en presencia del campo eléctrico pero con la adición de las partículas magnéticas, y finalmente un experimento donde se utilizaron los dos campo y las partículas magnéticas. De acuerdo con los resultados obtenidos, las electrodeposiciones en presencias de campos magnéticos mejoran la cantidad de asfaltenos retirado del crudo, y cuando es combinado con partículas magnéticas la cantidad de asfalteno retirado se incrementa aún más. Por tal razón es un considera alternativa prometedora para el desasfaltado de crudos pesados y extrapesados.
Generación de curvas de dispersión de ondas guiadas basado en elementos finitos de frontera escalada para placas y tuberías
(Universidad Industrial de Santander, 2023-11-10) Galán Pinilla, Carlos Andrés; Quiroga Méndez, Jabid Eduardo; Peña Ballesteros, Darío Yesid; Balvantín García, Antonio de Jesús; Rojas Molano, Héctor Fernando; Pineda Triana, Yaneth; Pérez Ceballos, Ana María; Pinto Hernández, William
En esta tesis se presenta un modelo semi-analítico para generar las curvas de dispersión de las ondas guiadas ultrasónicas utilizadas en el contexto del monitoreo de la salud estructural y la inspección no destructiva de materiales. El reto de este trabajo fue desarrollar un algoritmo para implementar el método de elementos finitos de frontera escalada, para guías de onda tipo placa y tubería, que incluye el efecto de los recubrimientos viscoelásticos sobre la propagación de diferentes modos de onda como alternativa eficiente de solución. La implementación se basó en dos enfoques de mallado de la sección transversal de la guía de onda, realizando una comparación entre ellas. En el primer enfoque se utilizaron elementos finitos isoparamétricos unidimensionales y en el segundo elementos finitos espectrales en el cual se ubican los nodos bajo la formulación particular Gauss-Lobatto-Legendre; de esta manera se implementó el algoritmo con dos formas de solución. Se obtuvieron las curvas de dispersión de velocidad de grupo de forma experimental con diferentes técnicas de adquisición de ondas guiadas Lamb en placas, con el fin de realizar una validación de los resultados obtenidos con el algoritmo desarrollado. En este sentido, las ondas Lamb se generaron mediante incidencia angular con las técnicas de acoplamiento por contacto y proponiendo una forma alternativa de acoplamiento localizado por agua, en placas de acero en buen estado y con defectos artificiales. Los resultados revelan que el método propuesto tiene concordancia con las referencias utilizadas, generando las curvas de dispersión con o sin el efecto del recubrimiento viscoelástico para el rango de frecuencia seleccionado, con bajo costo computacional. Finalmente, de las observaciones a los resultados obtenidos se propone un procedimiento para seleccionar posibles condiciones de generación de ondas guiadas que logren mayor alcance de barrido para aplicaciones futuras de la técnica.
Infuencia de la modificación superficial de fibras naturales y su arquitectura de refuerzo sobre el desempeño de un composito polimérico
(Universidad Industrial de Santander, 2023-07-27) Díaz Ramírez, German Adolfo; Cruz Hernández, Ricardo Alfredo; Mejía Ospino, Enrique; Vargas Ceballos, Óscar Andrés; Viáfara, Christian Camilo; Benjumea Royero, José Miguel; Gil Espert, Lluís; de Andrade Silva, Flavio
Las fibras naturales son actualmente objeto de gran interés en el desarrollo de nuevos materiales compuestos. Su aplicación como materiales de refuerzo para diversos tipos de matrices, incluidas las poliméricas, constituye una alternativa sostenible para la elaboración de composites, debido a factores como sus favorables propiedades mecánicas específicas, su facilidad de producción y su bajo costo por volumen. El desempeño de los materiales compuestos está fuertemente ligado tanto a las propiedades de sus materiales constituyentes como a la adhesión entre ellos. En este sentido, las fibras naturales suponen un reto, debido a que su naturaleza hidrofílica puede provocar su separación de la matriz y, en consecuencia, un mal rendimiento del composito. Por lo anterior, se hace necesario modificar la superficie de las fibras, en busca de mejorar su compatibilidad con las matrices, así como sus propiedades mecánicas y térmicas. En este trabajo doctoral se investigó el uso de tejidos de fibras naturales de fique (furcraea spp.) como materiales de refuerzo en compuestos poliméricos de matriz termoestable. Las fibras se extrajeron principalmente de la región de Santander, Colombia, obtenidas como productos industriales (hilos y tejidos planos). Con el fin de mejorar el rendimiento de los compuestos obtenidos, se llevaron a cabo modificaciones en la superficie de los hilos y textiles seleccionados. Estas modificaciones consistieron en recubrimientos con nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2) y óxido de grafeno reducido (rGO) conjuntamente y por separado. Esta investigación se centró en analizar la influencia de los tratamientos de recubrimiento con nanopartículas en las propiedades de las fibras en forma de hilos y tejidos; Asi mismo, se estudió la influencia de la variación en los parámetros de fabricación de los hilos y tejidos en el comportamiento mecánico y térmico de los compuestos obtenidos. Las propiedades mecánicas de las fibras de fique se evaluaron en forma de hilos industriales ensayados a tracción. En estos se variaron densidades lineales y grados de torsión. Para calcular adecuadamente los valores de resistencia se desarrolló una metodología para el calculo de las areas de sección transversal de los hilos, y el cálculo se apoyo en un tratamiento estadístido de los datos obtenidos. En esta investigación se comprobó que la resistencia a la tracción de los hilos está influenciada por sus parámetros de fabricación. Los hilos de fique tendieron a mostrar mayor resistencia a menor densidad lineal y mayor grado de torsión. Del mismo modo, el aumento en la densidad de entramado de los tejidos, aumentó la resistencia a la tracción de los textiles fabricados. Mientras que la variación en la arquitectura de los tejidos, mediante mecanismos de confinamiento, también tiene influyó sobre la resistencia mecánica de los mismos, al promover mayor fricción entre las fibras. Los resultados de esta investigación mostraron que el pretratamiento de alcalinización con NaOH fue eficaz para eliminar la hemicelulosa, la lignina e impurezas presentes en las fibras. Generó además rugosidad superficial, aumentó su rigidez y la disminuyó sus áreas transversales. Los tratamientos de recubrimientos propuestos mostraron que, en cuanto al aumento de la hidrofobicidad, el recubrimiento con rGO logró los mejores resultados. Por otra parte, los recubrimientos tanto de nanoTiO2 como de rGO contribuyeron a aumentar la temperatura de degradación térmica de las fibras. En relación con las propiedades interfaciales, evaluadas a los hilos de fique mediante pruebas pull-out, el recubrimiento con nanoTiO2 mostró la mayor resistencia al corte interfacial, respecto a los demás recubrimientos propuestos a los hilos. Finalmente, los tratamientos de recubrimiento a los tejidos, así como las modificaciones a la configuración de los tejidos, mejoraron el comportamiento dinámico-mecánico de los compuestos obtenidos, respecto a la matriz termoestable. Además, mejoraron el comportamiento mecánico general del compuesto.
Modelo matemático para selección de proceso de soldadura por arco eléctrico basado en características estáticas y dinámicas
(Universidad Industrial de Santander, 2024-02-28) Bohórquez Becerra, Óscar Rodolfo; Pertuz Comas, Alberto David; Rincón Ortiz, Mauricio; Bochert, Philippe; Serna Giraldo, Claudia Patricia; Marulanda Arévalo, José Luddey; Jaramillo Suárez, Héctor Enrique; Coy Echeverría, Ana Emilse; Martínez, Manuel de Jesús
Este trabajo presenta el desarrollo de un modelo matemático que permite realizar una selección de proceso de soldadura por arco eléctrico, con el objetivo de escoger el que brinde mejores desempeños del material en servicio. El enfoque de este proyecto fue generar un conocimiento para la industria, la cual muchas veces implementa aplicaciones sin considerar los criterios suficientes sobre las consecuencias de la decisión en su implementación. El documento presenta una revisión de modelos matemáticos aplicados a la selección de procesos de soldadura en la bibliografía existente. La caracterización de las juntas soldadas permitió cuantificar la afectación que se generó en los materiales revisados. Esta información se incluyó dentro de un modelo matemático de priorización. La investigación se enmarcó en dos materiales ferrosos, el acero de bajo carbono ASTM A36 y el acero inoxidable austenítico AISI SAE 316L. Fueron aplicados tres procesos de soldadura por arco eléctrico, SMAW, GMAW y FCAW. Los ensayos de caracterización incluyeron pruebas de tracción, dureza, fatiga y evaluación microestructural. Todas las fases de prueba incluyeron comparaciones con el material base. El análisis microestructural y fractográfico permitió confirmar las valoraciones realizadas. El comportamiento de materiales afectados por el proceso de soldadura FCAW presenta un límite elástico 9% superior frente al material base en el AISI 316L y un 1% en ASTM A36. Sin embargo, el proceso SMAW muestra mejores desempeños en el comportamiento a la fatiga. Aun cuando el comportamiento a fatiga de las juntas soldadas con cada proceso empleado reveló un descenso en la cantidad de ciclos resistivos. El modelo matemático propuesto para la decisión fue el análisis jerárquico de proceso AHP. Fue desarrollada la adaptación del modelo matemático AHP para la selección del proceso de soldadura por arco eléctrico en SMAW, GMAW y FCAW y materiales empleados basado en la relevancia dada a las variaciones del desempeño y sus interacciones.
Recubrimientos de cerámicos cálcicos, policaprolactona y colágeno reforzados con nanotubos de carbono multipared para uso en ortopedia
(Universidad Industrial de Santander, 2020) Montañez Supelano, Nerly Deyanira; Peña Ballesteros, Darío Yesid; Estupiñán Durán, Hugo Armando; García Vergara, Sandra Judith
La La interacción material–célula es un complejo proceso en donde las propiedades superficiales de los biomateriales influyen directamente en el comportamiento celular. Determinar cualquier cambio superficial en los biomateriales es crucial para entender las respuestas en los procesos celulares, especialmente el proceso de adhesión. En este trabajo, fueron desarrollados materiales cerámicos, poliméricos y compuestos de polímeros como policaprolactona (PCL) y colágeno (COL) con fosfatos cálcicos (FC) y nanotubos de carbono multipared (NTC) en diferentes concentraciones (0.5, 1.0 y 1.5 g/L). Estos materiales fueron depositados por electrodeposición (fosfatos cálcicos) y spin coating (polímeros y compuestos) sobre un material de osteosíntesis (Ti6Al4V). Varias técnicas de caracterización química, física y biológica como espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia Raman, difracción de rayos X (DRX), microscopia electrónica de barrido (SEM), espectrometría de dispersión de energía de rayos X (EDS), microscopia electrónica de transmisión (TEM), termogravimetría (TGA), prueba colorimétrica MTT, fosfatasa alcalina (ALP), microscopia de fluorescencia, scratch test, espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS), voltametría cíclica (VC), microbalanza de cristal de cuarzo (QCM), microscopia de fuerza atómica (AFM), piezorespuesta de fuerza atómica (PFM) y microscopia de barrido de sonda Kelvin (SKPM) se llevaron a cabo para evaluar exhaustivamente los recubrimientos. Se encontró que un aumento en la concentración de NTC induce cambios en la fase microestructural del fosfato de calcio que conduce a la formación de brushita, monetita e hidroxiapatita. Así mismo, el aumento de NTC en las matrices poliméricas disminuye los potenciales superficiales locales, lo que favorece la adherencia celular y la morfología de los núcleos de células de osteosarcoma humano (HOS) en la mayoría de los casos. Cuando se agregan diferentes concentraciones de NTC funcionalizado con FC a las matrices poliméricas, se inducen cambios en la rugosidad, potencial superficial y piezorespuesta, encontrando que superficies como COL/FC/NTC mejoran sustancialmente el proceso de adhesión celular especialmente a altas concentraciones de NTC.
Recubrimientos de cerámicos cálcicos, policaprolactona y colágeno reforzados con nanotubos de carbono multipared para uso en ortopedia
(Universidad Industrial de Santander, 2020) Montañez Supelano, Nerly Deyanira; Peña Ballesteros, Darío Yesid; Estupiñán Durán, Hugo Armando; García Vergara, Sandra Judith; Córdoba Tuta, Elcy María; Güiza Argüello, Viviana Raquel; Ramírez Caballero, Gustavo Emilio; Echeverría Echeverría, Félix; Endrino, José Luis
La interacción material–célula es un complejo proceso en donde las propiedades superficiales de los biomateriales influyen directamente en el comportamiento celular. Determinar cualquier cambio superficial en los biomateriales es crucial para entender las respuestas en los procesos celulares, especialmente el proceso de adhesión. En este trabajo, fueron desarrollados materiales cerámicos, poliméricos y compuestos de polímeros como policaprolactona (PCL) y colágeno (COL) con fosfatos cálcicos (FC) y nanotubos de carbono multipared (NTC) en diferentes concentraciones (0.5, 1.0 y 1.5 g/L). Estos materiales fueron depositados por electrodeposición (fosfatos cálcicos) y spin coating (polímeros y compuestos) sobre un material de osteosíntesis (Ti6Al4V). Varias técnicas de caracterización química, física y biológica como espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia Raman, difracción de rayos X (DRX), microscopia electrónica de barrido (SEM), espectrometría de dispersión de energía de rayos X (EDS), microscopia electrónica de transmisión (TEM), termogravimetría (TGA), prueba colorimétrica MTT, fosfatasa alcalina (ALP), microscopia de fluorescencia, scratch test, espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS), voltametría cíclica (VC), microbalanza de cristal de cuarzo (QCM), microscopia de fuerza atómica (AFM), piezorespuesta de fuerza atómica (PFM) y microscopia de barrido de sonda Kelvin (SKPM) se llevaron a cabo para evaluar exhaustivamente los recubrimientos. Se encontró que un aumento en la concentración de NTC induce cambios en la fase microestructural del fosfato de calcio que conduce a la formación de brushita, monetita e hidroxiapatita. Así mismo, el aumento de NTC en las matrices poliméricas disminuye los potenciales superficiales locales, lo que favorece la adherencia celular y la morfología de los núcleos de células de osteosarcoma humano (HOS) en la mayoría de los casos. Cuando se agregan diferentes concentraciones de NTC funcionalizado con FC a las matrices poliméricas, se inducen cambios en la rugosidad, potencial superficial y piezorespuesta, encontrando que superficies como COL/FC/NTC mejoran sustancialmente el proceso de adhesión celular especialmente a altas concentraciones de NTC.
Study of materials derived from ymno3-manganite as sofc electrodes
(Universidad Industrial de Santander, 2018) Moreno Botello, Zulma Liliana; Gauthier, Gilles Henri
Los compuestos Y1-xAxMnxByO3 (A=Zr, B=Ti) se estudiaron como posibles electrodos en Celdas de Combustible de Óxido Sólido, por su original estructura laminar de simetría hexagonal en la que los átomos de manganeso presentan coordinación bipiramidal trigonal de átomos de oxígeno. Los materiales se prepararon en aire con los métodos de reacción al estado sólido y/o Pechini, a T~1100- 1300ºC y se caracterizaron por medio de Difracción de Rayos X y de Neutrones. Con DRX de alta temperatura en aire se pudo establecer la compatibilidad termo-mecánica del YMnO3 (P63cm) con el electrolito YSZ, y se observó una transición de fase desde el tipo estructural P63/mmc a P63cm (T~360°C) para Y0,9Zr0,1MnO3. Medidas de conductividad eléctrica usando la técnica de 4-puntas revelaron que la sustitución de Zr mejora las propiedades de conducción de la matriz YMnO3, quizás como consecuencia de una diferente contribución de conductividad iónica. El estudio por Espectroscopia de Impedancia (EIS) de celdas simétricas en aire, con la configuración LSM/Y1- xZrxMnO3/YSZ/Y1-xZrxMnO3/LSM, reflejó una menor resistencia de polarización para el material YMnO3, debido posiblemente a diferencias de orden microestructural entre los materiales; no obstante, el comportamiento en ambos casos se modeló con las misma contribuciones. Se pudo comprobar que los materiales Y1-xZrxMnO3 no son estables en atmósfera reductora para T>700°C; por tal motivo se sustituyó Ti en el sitio de Mn. Los materiales YMnxTiyO3 (y=0,1; 0.2; 0,3) mostraron ser más estables en atmósfera reductora; específicamente la estequiometría YMn0.6Ti0.3O3 no muestra descomposición hasta 800°C y sigue siendo compatible química y termomecánicamente con el electrolito YSZ. Además, mostró un valor de conductividad intermedio entre YMnO3 e Y0,9Zr0,1MnO3 en aire, aunque experimentan los mismos procesos; en atmósfera anódica la conductividad cae dos órdenes de magnitud por la disminución de concentración de portadores. Los valores de resistencia a la polarización YMn0,6Ti0,3O3 también son superiores a los de Y1-xZrxMnO3.

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