Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / En el presente trabajo se aborda el proceso de fabricación y caracterización de una celda de combustible de óxido sólido SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) de tipo botón. Junto con ello se plantea el diseño de un módulo de medición intercambiable que permita realizar pruebas tanto de voltometría como de espectroscopía de impedancia electroquímica en celdas de combustible, todo esto en base a los requerimientos y limitantes propias de los equipos a disposición en el laboratorio de materiales avanzados perteneciente al departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile. El trabajo descrito en este documento detalla el proceso de fabricación de una celda de combustible de óxido sólido, conformada por un ánodo de óxido de níquel y circonia estabilizada con itria (NiO-YSZ), electrolito de circonia estabilizada con itria al 8% (YSZ-8), capa intermedia de barrera de ceria dopada con gadolinio Gd0.10Ce0.90O2-delta (GDC), y cátodo de lantano-estroncio-cobalto-ferrita (La0.6Sr0.4)0.95Co0.2Fe0.8O3-delta (LSCF). Debido a inconvenientes generados en las etapas de medición el cátodo fue reemplazado por praseodimio-bario-estroncio-cobalto-ferrita PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+delta (PBSCF). Para la fabricación de la celda se empleó el método de brush-printing o impresión por pincel, método utilizado en la aplicación de compuestos químicos en forma de solución sobre superficies especificas para un posterior sinterizado en horno. Para llevar a cabo las mediciones electroquímicas de la celda se realizó el diseño y fabricación de un módulo de medición de celdas capaz de operar en un horno para tubos marca Nabertherm modelo P330. Este módulo fue diseñado con el objetivo de dar un soporte a la celda de combustible, suministrar los gases necesarios para su operación y permitir la toma datos del potencial generado. No obstante debido a la carencia de equipos y suministro de gases, se optó por la utilización del dispositivo presente en el laboratorio de electroquímica del departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales de la Universidad de Chile. Se realizaron con éxito las pruebas de voltaje de circuito abierto (OCV) y de polarización para la celda con cátodo de PBSCF, no así para la celda de LSCF la cual sufrió una rotura que imposibilitaba su uso. Los resultados indican un valor aceptable del OCV de la celda en comparación con otros estudios similares. No obstante, las curvas de polarización obtenidas si bien muestran un comportamiento similar a otros estudios, sus valores no corresponden en magnitud. Se concluye que la diferencia significativa de los datos obtenidos se debe a desperfectos en las conexiones primarias de la celda. Se descarta la presencia procesos de degradación, ya que escapan del rango mínimo de tiempo y condiciones necesarias para estos ocurran.

Ingeniero Civil Mecánico / Este trabajo consiste en un estudio de las características ferroelásticas de materiales cerámicos a utilizar en la fabricación de celdas sólidas, es decir se busca realizar ensayos de compresión a distintos materiales cerámicos ferroicos, y estudiar sus curvas de deformación/esfuerzo, que en caso de presentar ferroelasticidad serían no lineales debido a un cambio de dominios producido por el esfuerzo aplicado y deberían presentar creep a temperatura ambiente. Para esto se fabrican las piezas necesarias para los procesos de sinterizado de las probetas, y para el posterior corte y pulido, con lo que se fabrican probetas de LaCoO_3 (LCO), La_0.6 Sr_0.4 Co_0.1 Fe_0.9 O_(3-δ) (LSCF) y La_0.6 Sr_0.4 Ni_0.1 Fe_0.9 O_(3-δ)(LSNF). Estas probetas se someten a ensayos de compresión a 60[MPa], 90 [MPa] y 150 [MPa] donde son comprimidas y luego se mantiene la carga máxima durante 1 hora para evaluar presencia de creep ferroelástico. Durante estos ensayos, se miden las deformaciones sobre las probetas usando un extensómetro, y 2 cámaras de alta resolución de forma independiente. Las probetas de LSNF resultaron ser muy frágiles, y se fracturaron durante los primeros ensayos, por lo que estas fueron limitadas solo a 90 [MPa], mientras que las de LSCF se comprimieron hasta 150 [MPa] logrando hacer su cambio de dominio completo. Del trabajo realizado se observa que las probetas de LCO, LSCF y LSNF presentan comportamiento ferroelástico, siendo esta ultima la que tiene un comportamiento más leve debido a la baja presencia de una estructura cristalina romboédrica en comparación a la ortorrómbica. Además, se logra evaluar las cámaras como sensor de deformación en elementos de bajo tamaño, de forma satisfactoria, identificando movimientos y deformaciones muy pequeñas, pero, con el costo de tener un ruido intrínseco a cada medición de deformación ya que requiere la obtención de 4 puntos para esto. Además, se detectaron problemas en la celda de carga de 100 [kN] de la máquina de compresión, la cual genera grandes oscilaciones en los esfuerzos aplicados aun cuando se debe mantener a esfuerzo constante, esto pudo ser notado gracias a los gráficos de desplazamiento y deformación obtenidos por las cámaras. Aun así, se puede atribuir una reducción en la ferroelasticidad de las probetas al dopar con níquel, encontrando cambios de pendiente menos severos mientras que el dopaje con hierro y estroncio reducía los puntos críticos. Las cámaras también permitieron encontrar 2 problemas, se obtuvieron módulos de Young más bajos de los esperado en ensayos similares, esto puede ser atribuido a problemas por la celda de carga (ya que en algunas zonas el esfuerzo es mucho mayor al que se espera), por caras de las probetas que no fueron pulidas satisfactoriamente ya que se detectaron concentraciones de esfuerzo que generaron grietas en los materiales y a una baja porosidad en algunas de las probetas (cuyo origen también se puede relacionar a las celdas de carga). / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por proyecto FONDECYT de Iniciación 11160202

Ingeniero Civil Mecánico / En un escenario en el cual el calentamiento global es un factor de riesgo importante para la población a futuro, resulta fundamental innovar tecnológicamente para obtener energía libre de emisiones contaminantes. Este contexto ha dado pie al estudio de las celdas de óxido sólido reversibles (RSOFC), dispositivos capaces de generar energía eléctrica y térmica mediante un proceso electroquímico a partir de H2 u otro combustible, y O2. Las propiedades más importantes para los componentes de las celdas son la conductividad eléctrica e iónica, junto con las propiedades mecánicas. Este trabajo de memoria comprende un estudio específico de la dureza, tenacidad, módulo de elasticidad y caracterización estructural de discos lantano-basados de estructura perovskítica de fórmula La0,6Sr0,4FeO3 en el cual el Fe es substituido en parte por Mn y Mo alterando así sus propiedades mecánicas y eléctricas. Se desarrolla una metodología para generar pequeños discos de los materiales La0,6Sr0,4FeO3, La0,6Sr0,4Mn0,1Fe0,9O3 y La0,6Sr0,4Mo0,1Fe0,9O3 y poder estudiar la variación de propiedades mecánicas con respecto al estado no dopado. Se realiza síntesis sonoquímica de reactivos para generar nanopolvos, prensado uniaxial, sinterización, pulido, limpieza y thermal etching para preparar los discos. Una vez preparados estos se realiza un análisis de difracción de rayos X (XRD), ensayo de excitación por impulso (IET), indentación y fotografía SEM para analizar las indentaciones y poder así determinar las propiedades mecánicas. Para estos efectos se utilizan equipos pertenecientes a los departamentos de Ingeniería Mecánica, Ciencia de los Materiales, Geología y Física de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile. El análisis de refracción de rayos X entrega los patrones correspondientes a las estructuras que componen los discos. Se logran identificar estas estructuras y su fase cristalina, identificando además las fases generadas en estructuras que contienen los respectivos dopantes. Para simplificar la notación se refiere a las estructuras con sus respectivas abreviaciones; LSF, LSMnF y LSMoF. Se logra apreciar que los resultados son acordes a la teoría, y se propone continuar la investigación para obtener otras propiedades del material, tales como tamaño de granos, longitud de enlace atómico, entre otros.