Maestría en Ingeniería de Materiales
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Item Elaboración y caracterización de un material compuesto a partir de fibras modificadas de raquis de palma aceitera y una matriz polimérica de poliestireno expandido post-consumo(Universidad Industrial de Santander, 2023-08-10) Gutiérrez Estupiñán, Cindy Vanessa; Gutiérrez Gallego, José Carlos; Viáfara Arango, Cristian Camilo; Londoño Montes, Carlina Margarita; Rincón Ortiz, Mauricio; Mesa Sepúlveda, Diana CarolinaSe desarrolló un material compuesto a partir de fibras modificadas de palma aceitera (OPEFB) y una matriz polimérica. Para el tratamiento químico se aplicó una solución de NaOH al 5% (p/v) durante 48 horas y su efecto se estudió mediante SEM y FTIR para confirmar las modificaciones morfológicas y químicas en las fibras. Se obtuvo una mejora en las condiciones de interfaz del material compuesto gracias al aumento de la unión química entre la matriz y su refuerzo al disminuirse la hidrofilicidad del material vegetal. Por otro lado, la exposición de una mayor área superficial libre de impurezas y con mayor rugosidad facilitó una adhesión física adicional. Las propiedades mecánicas del material del material compuesto desarrollado son superiores a su homólogo sin tratamiento químico para granulometrías de 30, 40, 50 y 60 Mesh. El mayor valor del módulo elástico lo presentan las probetas de 50 Mesh con 41,851 MPa y el menor valor lo tienen las probetas de 60 Mesh con 20,176 MPa. De manera similar, los valores para la resistencia última a la compresión fueron superiores y se mantiene la correlación entre probetas con fibras del mismo número Mesh, siendo la de 50 la que presenta mayor valor (16,911 MPa) y la de 60 el menor (5,726 MPa), cuya mejora con respecto a las fibras tratadas supera el 70%.Item Modificación de sustratos tridimensionales a base de carbono con materiales enrejados metal-orgánicos para su aplicación en almacenamiento de energía(Universidad Industrial de Santander, 2023-07-30) Páez Sánchez, Natalia Patricia; Córdoba Tuta, Elcy María; Vázquez Samperio, Juvencio; Acevedo Peña, Próspero; Caballero Amores, Álvaro; Chaparro Garnica, Jessica AlejandraEn busca de suplir la demanda energética creciente y disminuir los problemas de contaminación ambiental asociados a esta, diversos materiales para la fabricación de electrodos de dispositivos de almacenamiento electroquímico de energía han sido estudiados. En este proyecto se presenta como candidato un material 3D poroso a base de carbono, obtenido de la calcinación de plantillas de esponjas de melamina (CPF 3D). Se evaluó la influencia de la temperatura de calcinación (600, 800, 900, 950, 1000, 1200, 1400 °C) en las propiedades fisicoquímicas y electroquímicas del sustrato y se seleccionó como temperatura de calcinación 1000 °C, en la cual el sustrato obtenido (CPF 3D) exhibe alta potencia y energía específica (1,824.20 W/kg y 4.64 Wh/kg) y retención de la capacitancia cercana al 100% luego de 10,000 ciclos de carga/descarga (≈ 60 F/g – 1 A/g). Posteriormente la CPF 3D se modificó mediante precipitación química con uso de Ni(NO3)2 (0.05M) y 2MI (1:5) como precursor iónico y ligante orgánico (CPMF [Ni-ZIFx5]). La caracterización mediante XPS confirmó la formación de la MOF tipo ZIF. Finalmente, se ensambló un dispositivo asimétrico empleando la CPF 3D y la CPMF [Ni-ZIFx5] como electrodos de igualdad másica, negativo y positivo, respectivamente. El dispositivo exhibió un comportamiento tipo supercapacitor híbrido (HSCs) con una potencia y energía específica de hasta 2,871.30 W/Kg y 11.43 Wh/kg, resistencia a la transferencia de carga máxima de 0.01 Ω/g, retención del 98.82% de la capacitancia inicial (28.08 F/g) hasta 5 A/g y retención del 96.12% de la capacitancia inicial (20.27 F/g - 1 A/g) posterior a 1,000 ciclos de carga/descarga. Se determinó que mediante la metodología propuesta es posible obtener un material a base de carbono a partir de esponjas de melamina y modificados con MOF tipo ZIF que muestre un comportamiento sinérgico para ser utilizado como electrodo en dispositivos tipo HSCs.Item Síntesis y caracterización estructural de óxidos de hierro e itrio con sustituciones de circonio, níquel o cobre, para su potencial aplicación como electrodos en celdas de óxido sólido(Universidad Industrial de Santander, 2023-08-07) Pinto Silva, Laura Fernanda; Vargas Ceballos, Óscar Andrés; Gauthier, Gilles Henri; Henao, José Antonio; Caballero Amores, ÁlvaroDentro de los dispositivos usados en las tecnologías para la transición energética, las celdas de óxido sólido (SOC) son dispositivos electroquímicos de alta temperatura que se destacan por sus altos porcentajes de eficiencia. El rendimiento de las SOC depende del buen desempeño de sus componentes principales: ánodo, cátodo y electrolito, los cuales, deben tener propiedades electrocatalíticas adecuadas para las reacciones de interés, estabilidad química y compatibilidad entre ellos en un rango de 500 a 1000°C. Encontrar materiales que cumplan con todos los requisitos es el principal reto en el desarrollo de estos dispositivos. En este trabajo, se planteó la síntesis a través del método sol gel de materiales de composición YFe2-XMXO4 y Y1-WZrWFe1-XMXO3, con M: Ni o Cu y se evaluó su estabilidad térmica y compatibilidad química con el electrolito circona estabilizada con oxido de itrio (YSZ), para su posible aplicación como electrodo de aire en SOC. Con este propósito, los materiales fueron caracterizados mediante termogravimetría, difracción de rayos X y se realizaron refinamientos de Rietveld. En las condiciones de síntesis empleadas, fue posible obtener ortoferritas (YFeO3) de grupo espacial Pnma con presencia de algunas fases secundarias que no son perjudiciales para su aplicación como electrodo de aire. No obstante, en las pruebas de compatibilidad de los materiales se evidenció formación de una fase con alta resistividad (Y3Fe5O12) y luego de ciclos de calentamiento continuos, los materiales presentaron cambios estructurales, lo cual limita su uso como electrodo.Item Respuesta a compresión del concreto simple reforzado externamente con mallas de fibra de fique(Universidad Industrial de Santander, 2023-05-23) Laverde Sarmiento, Valeria; Benjumea Royero, José Miguel; Rincón Ortiz, Mauricio; Tristancho Reyes, José Luis; Cruz Hernández, Ricardo AlfredoLa creciente necesidad de implementar materiales con menores efectos ambientales en el ámbito de la construcción ha impulsado el estudio de fibras vegetales como material de refuerzo en diversos compuestos de matriz cementosa, dando provecho a su alta disponibilidad, bajo costo, emisiones neutras de CO2, peso ligero y desempeño mecánico. Entre los compuestos y enfoques en los cuales se ha venido estudiando la alternativa de utilizar fibras vegetales, se encuentra el reforzamiento externo de columnas de concreto, que actualmente son reforzados mediante mallas sintéticas. Considerando lo anterior, en esta investigación se estudiaron mallas de fibras de fique con diferente entramado (doble y sencillo) y tratamiento (alcalinización y hornificación), evaluando el efecto de los tratamientos sobre la superficie, grupos funcionales y respuesta mecánica de las mallas mediante técnicas de FTIR, SEM y ensayos de tracción. Posteriormente, las mallas tratadas y no tratadas se dispusieron como refuerzo externo de cilindros de concreto para determinar su efecto sobre las propiedades mecánicas a compresión y modo de falla de los cilindros. Los resultados permitieron concluir que los tratamientos afectaron él área transversal de las fibras, grupos funcionales y las propiedades a tracción de las mallas, mostrando una mejora en mayor medida en la resistencia y rigidez de las mallas dobles y alcalinizadas (M2A) en comparación con las otras mallas. Esta mejor respuesta a tracción se reflejó en un mejor efecto de confinamiento de las mallas sobre los cilindros de concreto, por lo cual, los cilindros C-M2A presentaron un mejor desempeño a compresión con un modo de falla más progresivo y un índice de ductilidad tres veces mayor que el del cilindro de concreto sin refuerzo.Item Desarrollo de recubrimientos de estructura bimodal elaborados mediante proyeccion termica por combustion oxiacetilenica para aplicaciones en ambientes corrosivos y en condiciones de desgaste abrasivo(Universidad Industrial de Santander, 2019) Vargas Galvis, Freddy; Rincón Ortiz, Mauricio; Vargas Galvis, FabioCon el fin de proponer una alternativa para los recubrimientos de cromo duro, se depositaron polvos de SiO2-Fe2O3-Al2O3-MgO-Cr2O3 y de Al2O3-TiO2 sobre sustratos de acero al carbón AISI 1020 utilizando proyección térmica oxiacetilénica. Con el fin de fabricar las materias primas con las cuales se depositaron los recubrimientos, se atomizaron escorias de fundición y polvos de alúmina, obteniendo partículas de morfología esférica y con poros en la superficie, los cuales fueron rellenados con alúmina de tamaño nanométrico, así como partículas esféricas de alúmina, que fueron mezcladas con nanopartículas de TiO2 previamente aglomeradas. Las materias primas procesadas en el laboratorio, así como los polvos comerciales fueron caracterizadas mediante fluorescencia de rayos X (FRX), difracción de rayos X (DRX) y microscopia electrónica de barrido (MEB). Para fabricar los recubrimientos se utilizó la cámara ARESTE de la Universidad de Antioquia. Los parámetros de proyección térmica fueron ajustados para obtener recubrimientos con estructura bimodal conformada por partículas parcialmente fundidas de orden nanométrico y submicrométrico, así como partículas completamente fundidas de orden micrométrico. Se determinó el porcentaje de porosidad y se estableció si la estructura de los recubrimientos tenía características bimodales. Por su parte, la microdureza, el desempeño tribológico y la capacidad protectora de los recubrimientos se determinó mediante indentación Vickers, el método de bola sobre disco y por Espectroscopía de Impedancias Electroquímica (EIS). Con los resultados obtenidos se pudo establecer que los recubrimientos elaborados a partir de escorias de fundición y los recubrimientos de composición química AT-40, su desempeño tribológico y su capacidad para proteger al sustrato de efectos corrosivos es menor que el de los recubrimientos AT-13 de estructura bimodal, que mostraron un desempeño tribológico del mismo orden de magnitud que el del cromoduro y cuando son dispuestos como recubrimiento superior de una bicapa, su capacidad protectora a la corrosión es superior. *Item Estudio del efecto del tratamiento superficial sobre la adherencia y la resistencia a la corrosion de recubrimientos base polipirrol (ppy) con nanoparticulas de tio2 sobre los aceros aisi sae 1020 y aisi 304(Universidad Industrial de Santander, 2019) Blanco Vera, Marly Ximena; García Vergara, Sandra Judith; Blanco Pinzón, Carlos EduardoSe estudió el efecto de la variación de la rugosidad superficial de los aceros AISI-SAE 1020 y AISI 304 tratados superficialmente, sobre la adherencia de los recubrimientos PPy/TiO2 obtenidos mediante deposición galvanostática. Para ello, se sintetizaron recubrimientos con 0.1M de Py y 0.1M de H2C2O4 como solvente. Así mismo, se estudió el efecto de las nanopartículas de TiO2 sobre la resistencia a la corrosión y al desgaste de los recubrimientos de PPy/TiO2. El análisis fisicoquímico se realizó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), energía dispersiva de rayos X (EDX), espectroscopía Raman, scratch test, adherencia por cinta y pin on disk. Por otro lado, la resistencia a la corrosión se evaluó mediante polarización anódica potenciodinámica y espectroscopía de impedancia electroquímica. Los resultados demostraron que las condiciones experimentales de deposición galvanostática empleadas y la variación de la rugosidad mediante el uso de tratamientos superficiales influyen en la adherencia y morfología del recubrimiento. Los espectros obtenidos por espectroscopía Raman confirmaron las bandas características del PPy y del TiO2. La adición de TiO2 en la matriz polimérica mejoró la resistencia al desgaste y aumentó las propiedades lubricantes del recubrimiento. Los resultados electroquímicos mostraron que la adición de TiO2 afectó considerablemente el carácter protector de los recubrimientos de PPy, aumentando la densidad de corriente de corrosión, así mismo, los recubrimientos PPy/TiO2 depositados sobre el acero AISI 304, desestabilizaron la capa pasiva formada naturalmente sobre la superficie del acero.Item Codeposicion electroquimica de laiii a traves de la modificacion de la composicion de soluciones acuosas usando glicina y alguno de los elementos del grupo del hierro: ni ii y co ii(Universidad Industrial de Santander, 2019) Florez Suarez, Maria Alejandra; Melendez Reyes, Angel Manuel; Rincón Ortiz, MauricioActualmente existe un creciente interés en fabricar nanopartículas soportadas o películas delgadas de aleaciones de metales críticos, como el cobalto y las tierras raras, por un proceso de química suave, ya que se utilizan en una gran variedad de dispositivos de tecnología. Una alternativa atractiva son los métodos electroquímicos, sin embargo, debido a los altos potenciales de reducción de las tierras raras, estas se consideran imposibles o difíciles de electrodepositar a partir de soluciones acuosas, principalmente debido a la interferencia de la reacción de evolución del hidrógeno (HER). En esta investigación se aprovecha la HER para cambiar la composición interfacial de soluciones con glicina, y codepositar aleaciones de elementos del grupo del hierro-lantano, a partir de soluciones que contienen estos metales, además de cloruro de amonio y ácido bórico. Para realizar la deposición metálica se utilizaron soluciones acuosas con CoII o NiII y LaIII. El potencial de reducción para electrodepositar estos metales se seleccionó mediante estudios de voltamperometría cíclica, el cual fue mucho menor que el requerido para depositar lantano: -0.95 V vs Ag/AgCl. Por un lado, se depositaron nanopartículas de aleaciones metales pesados-La sobre carbón vítreo (GC) o vidrio conductor (FTO), y por el otro se depositaron películas delgadas de las aleaciones Co-La y Ni-La sobre GC o cobre. Se utilizó XPS, FESEM-EDS, o voltamperometría de redisolución anódica (ASV) para determinar la composición elemental y morfología de los depósitos. Se mostró que la codeposición de La y Ni sobre GC se ve interferida por el mecanismo de deposición tipo Volmer-Weber. Por otro lado, se exploró la posibilidad de determinar LaIII a niveles traza en medios complejantes mediante ASV en tres tipos de electrodos: GC, PIGE y CPE. La cuantificación de LaIII no fue posible debido a la facilidad con que es oxidado superficialmente el lantano o a la formación de un intemetálico. ______________________Item Electrodeposicion de aleaciones de ni, co y codepositos de lantano a partir de soluciones sinteticas semejantes a los lixiviados de baterias ni-mh gastadas(Universidad Industrial de Santander, 2019) Bustamante, Jacobo Andres; Melendez Reyes, Angel Manuel; Delvasto Angarita, Pedro LuisCon la finalidad de electrodepositar cobalto, lantano y níquel en su forma metálica, a partir de soluciones acuosas similares a los lixiviados de baterías gastadas de NiMH, se estudió el comportamiento electroquímico de soluciones que contenían Ni(II), Co(II), La(III) y glicina en 1 M de NH4Cl y 0.5 M H3BO3, sobre un electrodo de cobre, por una combinación de métodos electroquímicos (voltamperometría y cronoamperometría) para obtener las condiciones para codepositar La con una aleación Ni-Co. La reducción de Co(II) y Ni(II) ocurre simultáneamente con la reacción de evolución de hidrógeno (HER). La adición de glicina permite la formación de glicinatos de Co(II), Ni(II) y La(III) debido al cambio interfacial de pH ocasionado por la HER, que permiten la reducción simultánea de los metales y así obtener una aleación ternaria NiCoLa. La caracterización del depósito por microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM) permitió examinar que el depósito tiene una morfología uniforme, y que, además, a mayor tiempo de reducción hay una aparición de grietas y un aumento en sus tamaños. Por otra parte, la espectroscopia de energías dispersadas de rayos X (EDS) confirmó la presencia de Ni, Co y La en el depósito. Para determinar los estados de oxidación del depósito, se realizó espectroscopía de fotoelectrones inducidos por rayos X (XPS), la cual reveló que en la superficie se tienen hidróxidos metálicos, óxidos metálicos y una pequeña cantidad de Ni y Co. ______________________ * Trabajo de Investigación. ** Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas. Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de Materiales. Directores: Dr. Ángel Manuel Meléndez Reyes, Dr. Pedro Luis Delvasto AngaritaItem Diseño de catalizadores nanoestructurados a base de Cu y aleaciones CuNi para la eliminación electrocatalítica y fotoelectrocatalítica de aguas contaminadas por nitratos de origen agrícola(Universidad Industrial de Santander, 2022-09-07) Quintana Rondón, Andrés Fernando; Meléndez Reyes, Ángel Manuel; Sequeda Pico, Ingrid Natalia; Blanco, Sergio Ismael; Palma Goyes, Ricardo EnriqueLa contaminación de nitrato en fuentes hídricas es uno de los problemas más preocupantes en el mundo, comprometiendo el objetivo de desarrollo sostenible 6 de agua limpia y saneamiento para todos planteado por la Organización de las Naciones Unidas. Esto hace necesario el desarrollo de alternativas para mitigar este problema. La reducción (foto)electroquímica es atractiva para este propósito, especialmente para pequeñas comunidades o zonas de difícil acceso. El reto para aplicar la (foto)electroquímica es el desarrollo de materiales que tengan una gran área, junto con características físicas y químicas que contribuyan a tener una alta actividad catalítica y (foto)estabilidad. En esta investigación se realizó un diseño de materiales a través de la adición de NaCl en la síntesis de nanoespumas de Cu y CuNi para modificar la morfología dendrítica convencional, además con un recocido se logró obtener materiales fotoactivos. Las nanoespumas de Cu fueron caracterizadas por microscopía electrónica y difracción de rayos X (DRX), mostrando la obtención de estructuras 3D porosas, con morfologías de poliedros y cubos orientados hacia el plano (2 0 0) a medida que aumentan los cloruros en la síntesis. Estas morfologías mejoraron la actividad catalítica y selectividad a N2(g), pero no mostraron una aceptable estabilidad química y mecánica. Con la adición de Ni para obtener aleaciones se mejoró notablemente la estabilidad, además de influir positivamente en la reducción electroquímica hasta un 3.4% Ni. El recocido a las nanoespumas mejoró la generación de los portadores de carga. Los análisis de composición química y DRX revelaron la presencia de CuO, Cu2O y NiO. El NiO fue determinante para evitar la recombinación de los portadores de carga, aumentar la fotocorriente, además de contribuir a mejorar la fotoestabilidad. La nanoespuma recocida con 5.1% Ni mostró la mejor fotoactividad y fotoestabilidad.Item Desarrollo de películas multicapas de FTO/CuBi2O4/TiO2/ WxMo1-xS2 para su empleo como fotocátodos en la producción de hidrógeno a partir de agua(Universidad Industrial de Santander, 2021) Cruz Orellana, Silvia Nathalia; Acevedo Peña, Próspero; Córdoba Tuta, Elcy María; Meléndez Reyes, Ángel Manuel; Ropero Vega, José LuisLa actividad humana deja como consecuencia altos niveles de contaminación y poco a poco el consumo de los recursos no renovables, tal como los combustibles fósiles. Por lo tanto, se han buscado reemplazos, entre ellos el uso de hidrógeno como combustible debido a su sobresaliente poder calorífico y no generar gases contaminantes durante su combustión. Uno de los métodos con mayor potencial de producción de hidrógeno es por medio de la fotoelectroquímica. En el presente trabajo se fabricaron fotocátodos de CuBi2O4, empleando como substrato vidrio FTO, para aumentar la estabilidad y proteger el material se recubrió el CuBi2O4 con TiO2, finalmente para mejorar el desempeño fotoelectroquímico se agregaron partículas de WxMo1-xS2 formando el sistema FTO/CuBi2O4/TiO2/WxMo1-xS2. Los fotocátodos se caracterizaron fisicoquímicamente mediante espectroscopía Raman, Uv-vis, Difracción de rayos X (DRX), espectroscopía de fotoelectrones inducidos por rayos X (XPS), Microscopía electrónica de barrido (SEM) y (foto)electroquímicamente mediante voltamperometría de barrido lineal on-off, cronoamperometría on-off e impedancia electroquímica (EIS), utilizando una lámpara de Xe de 300W como fuente de luz. Los resultados evidencian que el CuBi2O4 presenta alta recombinación de los portadores de carga presentando inestabilidad bajo iluminación, perdiendo más del 80% de la corriente inicial. No obstante, las pérdidas de corriente se redujeron al 8% al cabo de media hora iluminación con la película protectora de TiO2, además de incrementar la magnitud de fotocorriente de -0,07 a -0,17 mA/cm2 respecto al bismutato desnudo. Por otra parte, con los catalizadores de WxMo1-xS2 solo se perdió el 13% de la corriente inicial pero incrementando su valor a -0,25 mA/cm2 . El aumento en el desempeño al incorporar la capa de TiO2 se atribuyó a la mejora en la estabilidad del CuBi2O4, mientras que la modificación superficial con WxMo1-xS2, a que cataliza la reducción del agua.