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Ingeniería de Software - Clase 6
Editorial label ECORFAN: 607-8695
BCONIMI Control Number: 2020-05BCONIMI Classification (2020): 120320-0005
Pages: 19
RNA: 03-2010-032610115700-14
www.ecorfan.org
ECORFAN-México, S.C.
143 – 50 Itzopan StreetLa Florida, Ecatepec Municipality
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RENIECYT - LATINDEX - Research Gate - DULCINEA - CLASE - Sudoc - HISPANA - SHERPA UNIVERSIA - Google Scholar DOI - REDIB - Mendeley - DIALNET - ROAD - ORCID
Authors: ACOSTA-PÉREZ, Emmanuel, SALAZAR-HERNÁNDEZ, Mercedes, MENDOZA-
MIRANDA, Juan Manuel y SALAZAR-HERNÁNDEZ, Carmen
International Multidisciplinary Engineering Congress
Booklets
Title: Efecto de la Densificación en Cerámicos sobre Propiedades como: Resistencia a
la Corrosión y Conductividad Térmica
Contenido
1) Introducción
2) Antecedentes
3) Objetivo del Proyecto
4) Metodología
5) Resultados
6) Conclusión
8) Agradecimientos
2
3
INTRODUCCIÓN
Las barreras térmicas son un sistema de capas que revisten una superficie con el propósito de aislarla térmicamente y que se encuentran operando a altas
temperaturas
Fuente Caliente
T1 T2
Fuente Caliente
Sin Barrera Térmica
SustratoCapa de Unión
Capa de óxidosCerámico
T1
T2 T3 T4 T5
Barrera Térmica: Aislante Térmico
1. BARRERA TÉRMICA
Mejorar la eficiencia térmica en motores, turbinas, compresor
Disminuir la pérdida de calor; QL
𝜂 =𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜
𝑄𝐻
𝜂 = 1 −𝑄𝐿𝑄𝐻
Barrera Térmica
APLICACIÓN INDUSTRIAL DE BARRERA TÉRMICA
4
Material Cp
(J/kg K)
K
W/m k)
a
(1/ºC)X10-6
Metales
Aluminio 900 247 23.6
Cobre 386 398 16.5
AISI-1025 486 51.9 12.5
AISI-316 502 16.3 16.0
Cerámicos
Alumina (Al2O3) 775 30.1 8.8
Circonio estabilizado
con Iridio (YSZ)
2.5-1.5
Sílice vítrea (SiO2) 740 2-0.4 0.5
Vidrio de sosa y cal
((Na/Ca)x(SiO4)n
840 1.7 9.0
Cp: Capacidad calorífica
K: Conductividad térmica
a: Coeficiente de expansión térmica
2.1 BARRERAS TÉRMICAS DISEÑADAS EN BASE A CERÁMICOS
ANTECEDENTES
Alta conductividad térmicaElevado coeficiente de
expansión térmica
Sílice (SiO2) tiene una baja conductividad térmica ; k<1
Excelente aislante térmico
X.Z. Wang, Q.Y. Chen, Srikanth Pilla, G.Y. Liang , Investigation of thermal transport behavior in YSZ and LZ/YSZ coupled system between 1273 and 1473K using molecular dynamics simulation, Journal of Molecular Liquids (2017). doi: 10.1016/j.molliq.2017.09.001
Cerámicos: RE2SiO5
RE = Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y
Ventajas
Excelente aislante térmico3< k < 1
Desventajas
Dopados con tierras raras que son elementos muy costosos
Fragilidad
5
Zhilin T, Liya Z, Jiemin W, Peng W, Jialin L, Jingyang W; Theoretical and experimental determination of the major thermo-mechanical properties of RE2SiO5 (RE = Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb,Lu, and Y) for environmental and thermal barrier coating applications; Journal of the European Ceramic Society
(2016) 36: 189-202
ANTECEDENTES
2.2 BARRERAS TÉRMICAS RE2SIO5
6
2.3 Cerámicos Modificados: ORMOCER
ANTECEDENTES
OBJETIVO
Evaluar los cerámicos modificados SiO2-PDMS modificando el porcentaje del
grupo organico en 10%, 20%, 30%, 40% y 100% para que actuen como barreras
térmicas sobre superficies de acero.
7
BT: Baja k BT: Baja k
Elastómero: Resistencia a Esfuerzo
Térmico
4.1 Elaboración de Recubrimientos Cerámicos
METODOLOGÍA
8C. Salazar-Hernández, M. Salazar-Hernández, R. Carrera-Cerritos, E. Elorza, J.M. Mendoza-Miranda, R. Navarro, DBTL as neutral catalyst
on TEOS/PDMS anticorrosive coating, J. Sol-Gel Sci and Technl (2017) 81: 405-412
Recubrimiento % en Peso
TEOS PDMS
SiO2/PDMS-A 90 10
SiO2/PDMS-B 80 20
SiO2/PDMS-C 70 30
SiO2/PDMS-D 60 40
SiO2/PDMS-E 100
Tabla 2. Composición de recubrimientos SiO2/PDMS
Tabla3. Condiciones de Tratamiento Térmico de Densificación
Temperatura, T (C)
30 50 80 200
Tiempo, t (min) 15 30 120 120
Formulación
Barrera TérmicaSiO2/PDMS
Aplicación del Recubrimiento
Lijado Lavado UltrasonidoEtanol/Acetona
Secado
Pretratamiento del Sustrato
Inmersión
Secado a 25C
Recubrimiento sin densificar
METODOLOGÍA
9
4.2 Caracterización Física
JOEL-6510 plus
Determinación de EspesorAdherencia: ASTM D4541
PosiTest AT-A
Micrómetro Microscopía electrónica
de barrido
4.3 Determinación de la Corrosión
𝑉𝑐 =∆𝑚
𝐴 ∗ 𝑡=
𝑘𝑔
𝑚2 ∙ 𝑠−−−−−−− −𝐸𝑐. 1
Solución de etanol al 5% y Na al 4% de acido clorhídrico
Banco de corrosión Peak Tech modelo DIT-105
10
4.4 Determinación de la Conductividad Térmica: k
Banco Mediciones de k
sección de prueba
placa de calentamiento
flujo de calor, Q
(a) Zona de Ensaye
(b) Controlador on/off(c) Medidor de
Voltaje y Corriente
METODOLOGÍA
METODOLOGÍA
11
4.5 Cálculo de Conductividad Térmica: k
𝐹𝐶𝑄 =𝑘∆𝑇𝐴
𝐿−−− −(1)
(a) Validación del Banco de Pruebas: Aluminio, Acero, Cobre
𝐹𝐶𝑄 =∆𝑇
𝐿𝐴𝑘𝐴𝐴𝐴
+𝐿𝐵
𝑘𝐵𝐴𝐵+
𝐿𝐴𝑘𝐴𝐴𝐴
−−−−(2)
(b) Determinación de k para BT: SiO2/PDMS
T1: Temperatura Foco CalienteT2: Temperatura Foco FríoFc: Factor de contactoQ: Calor suministrado; Q=VIA: Área de Transferencia de CalorL: Longitud de transferencia
RESULTADOS
5.1 Composición deTBC de SiO2/PDMS sin Densificar
12
13
5.2 Efecto de la Densificación Composición de TBC de
SiO2/PDMS
RESULTADOS
14
5.2 Efecto de la Densificación Composición de TBC de SiO2/PDMS RESULTADOS
15
5.3 Efecto de la Densificación en la
morfología de la TBC de SiO2/PDMS
RESULTADOS
RESULTADOS
5.4 Espesor de Recubrimientos SiO2/PDMS
16
116
118
120
122
124
126
128
130
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Esp
eso
r, t
(m
m)
% PDMS en el Cerámico
RC-ST
RC-TT
tp=109.34 mm
Mediciones Realizadas con Micrómetro Mediciones Realizadas por MEB
tp=1253.06 mm
tp=1223.17 mm
5.5 Adherencia de Recubrimientos SiO2/PDMS
Recubrimiento Desprendido 200
500
800
1100
1400
1700
2000
2300
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100A
dh
eren
cia,
FT
(N)
% PDMS en el Cerámico
RC-ST
RC-TT
17
5.6 Efecto de la Densificación en la Protección a la
Corrosión
RESULTADOS
RESULTADOS5.7 Validación del Banco de Pruebas para Determinar k
18
(a) Datos obtenidos del banco de pruebas
(b) Valores de k medidas para metales de referencia a diferentes temperaturas
(c)Error de medición del banco de pruebas
19
5.8 Conductividad Térmica de Recubrimientos SiO2/PDMS
RESULTADOS
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Co
nd
uct
ivid
ad T
érm
ica,
k (
W/K
m)
%PDMS en el Cerámico
Recubrimiento 50ºC ST
Recubrimiento 50ºC TT
Material K @ 25C(W/mK)
Aluminio 247
Alumina(Al2O3) 30.1
YSZ 2.5-1.5
SiO2 2-0.4
0
1
2
3
4
5
6
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Co
nd
uct
ivid
ad T
érm
ica,
k (
W/K
m)
%PDMS en el Cerámico
Recubrimiento 150ºC ST
Recubrimiento 150ºC TT
Antes de Densificación
Después de Densificar
Después de Densificación
CONCLUSIONES
20
Se agradece al IPN-Secretaría de Investigación y Posgrado por el apoyoeconómico a través del SIP-20201677 y SIP-20201910
AGRADECIMIENTOS
El banco de pruebas para medir la conductividad térmica es un equipo con pocaincertidumbre en los resultados arrojados ya que en los resultados de la validación seobservó un error estándar menor al 10%.
En los recubrimientos SiO2/PDMS prevalece el valor de conductividad de la matrizcerámica, sílice (2- 0.4 W/mK) ya que al adicionar el PDMS se integra un esqueletolineal de SiO2
El tratamiento de densificación mejora la adherencia de los recubrimientos; además deincrementar la capacidad de aislamiento térmico y resistencia al esfuerzo térmico.
Los recubrimientos SiO2/PDMS tienen un comportamiento como excelentes aislantestérmicos con valores de conductividad de 0.375 W/Km @ 50C hasta 3.57 W/Km @150C.
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