Resumen de Fabricación, caracterización y propiedades mecánicas del SiC biomórfico obtenido a partir de paneles de fibra de madera de densidad media
El estudio de los materiales se ha llevado a cabo desde el principio de los tiempos de forma consciente o inconsciente, dándosele el uso adecuado dependiendo de sus propiedades y a la vez evolucionando junto con el mundo y la ciencia, lo que ha permitido que la tecnología, maquinaria y los mismos materiales sean reevaluados para ser utilizados en aplicaciones especificas.
Las exigencias de mantenimiento de propiedades de las piezas cuando están en funcionamiento a altas temperaturas llevan consigo el estudio de nuevos materiales, debido a que los más usados y conocidos, como son los metales, cuando operan en estas condiciones no todos responden favorablemente. Todo esto hace que en las últimas décadas el estudio y uso de materiales cerámicos se haya incrementado considerablemente, debido principalmente a su elevado punto de fusión y alta resistencia mecánica.
Con estos estudios surgen las llamadas cerámicas estructurales [1, 2] cuyo propósito principal son los usos termomecánicos, de las cuales se pueden mencionar las cerámicas porosas [3] y las cerámicas reforzadas [4]. Resaltando que los costes referidos al procesamiento de estos materiales es bastante elevado.
El carburo de silicio (SiC), es una de estas cerámicas, cuyas propiedades lo hacen ser uno de los materiales idóneos para las aplicaciones antes mencionadas debido a sus propiedades. Los primeros procesos de fabricación de piezas de SiC fueron realizados por S. Reochaza [5, 6, 7] por el año 1974, sinterizando polvos de SiC junto con algunos aditivos como boro o carbón, despertándose desde ese momento el interés para su utilización en diferentes campos de aplicación.
Los procesos de fabricación más comunes del SiC son; carbo-reducción de sílice [8], deposición química en fase vapor en laminas delgadas no monolíticas [9, 10], compactado por reacción [11, 12] y el ya mencionado sinterizado en caliente. Todos ellos implican procesamientos a altas temperaturas, altas presiones y por tanto equipos y herramientas de mecanizado especiales. Lo que incrementa los costes considerablemente.
En la última década del siglo XX se desarrollaron materiales que mimetizan la microestructura de sus precursores dando origen a los materiales biomiméticos. Con este procedimiento se han fabricado materiales sintéticos microestructuralmente inspirados en la naturaleza, que tienen por nombre �biomiméticos artificiales� [13-15], desarrollándose entre otras las cerámicas de SiC a partir de la infiltración de silicio en preformas de carbón artificial [16-20].
Con posteriores estudios surge un segundo grupo de materiales diferentes de los anteriores, en los cuales la microestructura es una réplica de algún material natural, y se les conoce como �biomorficos�. El SiC biomorfico (bioSiC), es uno de estos materiales, el cual se fabrica mediante la obtención por pirólisis en atmósfera no oxidante [21] de una preforma porosa de carbón vegetal a partir de maderas para posteriormente ser infiltrado con silicio líquido. El resultado final es un compuesto SiC/Si con la estructura de la madera precursora [22]. El proceso de fabricación de este material bioSiC® ha sido patentado por Martínez-Fernández y colaboradores [23]. El producto obtenido de este proceso además de poseer una microestructura morfológicamente similar a la del precursor natural, presenta excelentes propiedades termo-mecánicas [24].
Esta investigación se ha desarrollado en el Grupo de Materiales Biomiméticos y Multifuncionales de la Universidad de Sevilla, específicamente en la línea de investigación de cerámicas biomorficas, procurándose profundizar en la fabricación y estudio de las propiedades mecánicas del bioSiC obtenido a partir de precursores artificiales, específicamente tableros de fibra de densidad media MDF (Medium Density Fiberboard).
El presente trabajo estará estructurado de forma tal que se cumplan todas las etapas de un trabajo de investigación, iniciando con este primer capítulo de introducción donde se hizo una pequeña puesta a punto de forma muy general de lo que es la formación del carburo de silicio. Seguidamente en el segundo capítulo se plasmara el objetivo general, que es el de evaluar el comportamiento de los tableros de fibra de densidad media para la formación de carburo de silicio junto con el estudio de sus propiedades. Y también los objetivos específicos necesarios a cumplir para poder llegar a satisfacer el objetivo general, para ello se debe diseñar un proceso de pirólisis que permita obtener el carbón adecuado que se utilizará en la posterior infiltración con silicio líquido, proceso que igualmente se diseñará y finalmente se evaluarán las propiedades del nuevo material producido.
En el tercer capítulo de antecedentes, se hará una reseña de lo que ya se ha trabajado con respecto a la formación del carburo de silicio biomorfico, se discutirá de los precursores que se utilizan para formar el carburo de silicio biomorfico y para ello se estudiaran las maderas naturales y en mayor profundidad las artificiales (ya que es nuestro objeto de estudio), se explicará cómo se forma el carburo de silicio comercial y el biomorfico, y se indicaran algunas de las propiedades mecánicas de este importante material.
En el capitulo cuatro de técnicas experimentales se describirán los diferentes procedimientos que se llevaron a cabo para cumplir cada uno de los objetivos planteados; iniciando con el proceso de pirólisis, infiltración y eliminación del silicio residual. Seguidamente se hará la caracterización química de los carbones por medio del análisis químico elemental, espectometría de emisión atómica. La caracterización estructural se hizo mediante difracción de Rayos X y análisis microestructural utilizando microscopia electrónica. Finalmente se concluirá este capítulo explicando las técnicas que se llevaran a cabo en la caracterización mecánica y el cálculo de la porosidad y permeabilidad de las muestras libres de silicio en exceso.
En el quinto capítulo de resultados, se desarrollará lo referente al diseño del proceso de pirólisis y para ello se ensayaron distintas velocidades de calentamiento en la madera, evaluando el carbón producido con su pérdida de peso y volumen, se realizó análisis químico elemental para determinar el porcentaje de carbono en la muestra; se hizo difracción de rayos X; el análisis microestructural por medio de microscopia electrónica de barrido y se evaluaron algunas propiedades mecánicas del carbón. En este mismo capítulo se diseña el proceso de infiltración y el de fabricación del carburo de silicio poroso. En último lugar se realizarán los ensayos mecánicos a las muestras ya infiltradas tanto a temperatura ambiente como a altas temperaturas y se calcularán las porosidades y permeabilidades del mismo.
En el capítulo seis de discusión de resultados se evaluaran los procesos de pirólisis, infiltración y formación de carburo de silicio poroso; se valorará al carburo de silicio poroso como medio de filtración y se discutirá sobre las propiedades mecánicas de estos materiales. El capitulo siete lleva plasmado las conclusiones a las que se llegaron con la realización de este trabajo de investigación y los trabajos futuros.
2 OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL El objetivo principal de esta investigación es el evaluar el comportamiento que tiene el MDF cuando se utiliza como precursor para la obtención de bioSiC, además de evaluar sus propiedades mecánicas.
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS � Diseñar el proceso de pirólisis adecuado para obtener la preforma de carbón óptima para su posterior infiltración.
� Estudiar y caracterizar los cambios de forma y microestructurales en los carbones obtenidos durante el proceso de fabricación.
� Evaluar la correlación que existe entre la microestructura y las propiedades mecánicas de los carbones.
� Diseñar el proceso de infiltración con silicio líquido en preformas de carbón provenientes de MDF.
� Evaluar propiedades mecánicas de carburo de silicio producido a partir del MDF.
� Diseñar el proceso para formar MDFbioSiC porosos.
� Caracterizar el MDFbioSiC con respecto a sus propiedades mecánicas.
