Estudio del proceso de infiltración de grafito con aleaciones de aluminio. Fabricación de materiales compuestos de grafito/aleaciones de aluminio. Determinación de sus propiedades térmicas y mecánicas.

Actualmente, en el área de los biomateriales destinados a la fijación y regeneración ósea, existe un interés creciente en el desarrollo de materiales que sean reabsorbibles y a su vez, capaces de estimular la regeneración del hueso. En el caso de los materiales para fijación ósea, la idea es crear un material que sea capaz de soportar las cargas iniciales y luego se degrade de forma gradual y transfiera las cargas de forma progresiva al nuevo hueso, evitando así una segunda intervención quirúrgica para la extracción del implante. En el caso de los materiales para regeneración ósea, el objetivo final es diseñar materiales que sean reemplazados de forma paulatina por el nuevo tejido.Esta tesis reúne una serie de estudios, realizados con el fin de desarrollar diferentes materiales biodegradables basados en el polímero PLA y el vidrio G5, que es un vidrio de fosfato de calcio dentro del sistema P2O5-CaO-Na2O-TiO2. Se han elaborado materiales compuestos biodegradables no porosos y porosos (andamios tridimensionales), para la fijación y regeneración del tejido óseo respectivamente. Así como también, se han desarrollado estructuras porosas de vitrocerámica, también para aplicaciones en ingeniería de tejidos. Cada uno de los materiales desarrollados ha sido caracterizado inicialmente en función de sus propiedades físico-químicas. Dado que son materiales para implantación y biodegradables, también se ha evaluado tanto la respuesta biológica, como el comportamiento de los mismos a lo largo de diferentes períodos de degradación in vitro, es decir, simulando condiciones fisiológicas. Los resultados obtenidos a partir de los diferentes estudios, indican que se han desarrollado una variedad de materiales biodegradables, con un amplio rango de aplicaciones y un gran potencial en el campo de la regeneración ósea principalmente. Por lo que, los estudios realizados a lo largo de esta tesis doctoral, forman parte de lo que sería un primer acercamiento al desarrollo de nuevos materiales biodegradables, y constituyen el punto de partida para la investigación de nuevos materiales porosos para aplicaciones en ingeniería de tejidos. / Nowadays, research on materials for bone fixation and regeneration has focused increasingly on the development of materials that are reabsorbable and at the same time, capable of stimulating bone tissue regeneration. In the case of materials for bone fixation, the objective is the creation of a material that supports the initial loads and then undergoes a gradual degradation, transferring the loads progressively to the new bone tissue. Avoiding in this way, second surgical procedures for the retrievement of the implant. In the case of the materials for bone regeneration, the objective is to design a material that stimulates bone formation and is gradually replaced by the bone tissue.This thesis put together several studies that have been performed for the development of different biodegradable materials based on PLA and a calcium phosphate glass, coded G5, which is in the system P2O5-CaO-Na2O-TiO2. Non-porous and porous (3D scaffolds) materials for bone fixation and bone tissue regeneration respectively, have been elaborated, as well as porous glass-ceramic structures for bone tissue engineering. Each one of the developed materials has been characterized in terms of its physico-chemical properties, its behaviour along in vitro degradation and its biological response.The results obtained through the different studies, suggest that the variety of biodegradable materials that have been developed, present a wide range of applications and regenerative potential. Thus, the studies performed along this PhD thesis, are the first approach to the development of new biodegradable materials, and represent the starting point for their optimisation and development of new porous structures for tissue engineering applications.

Ingeniero Civil Mecánico / El Nanocerio es un material que ha llamado la atención de la comunidad científica debido a sus excelentes e interesantes propiedades, las cuales son difícil de igualar. La investigación de este, ha tomado el camino del dopaje, dada la sensibilidad de las propiedades del Ceria (〖CeO〗_2) al cambio de estructura cristalina, haciendo variar la conductividad y propiedades mecánicas. Los dopantes como el Erbio, Gadolinio, Neodimio, Samario e Itrio, ya han sido probados y se han determinado los efectos en la estructura cristalina y propiedades mecánicas. En esta ocasión se determinará qué ocurre con el Nanocerio cuando es dopado con Praseodimio. El objetivo de esta investigación es elaborar exitosamente la solución sólida de Praseodimio en Cerio (〖CeO〗_2) en una proporción tal que esté en torno a 〖Ce〗_0.9 〖Pr〗_0.1 O_1.95 en forma de nanocristales, para luego determinar cómo es la estructura cristalina de esta solución y las siguientes propiedades mecánicas: Modulo de Young, microdureza y tenacidad. La metodología a seguir corresponde a la elaboración del 〖Ce〗_0.9 〖Pr〗_0.1 O_1.95 mediante el Método de Combustión, para el cual se utilizará Ácido Cítrico como combustible. Consecuentemente se realizará la producción de discos experimentales a partir del 〖Ce〗_0.9 〖Pr〗_0.1 O_1.95, con los cuales se podrán efectuar las pruebas necesarias para determinar la estructura cristalina y propiedades mecánicas involucradas en esta investigación. Los recursos necesarios para este proyecto corresponden principalmente a la utilización de implementos de laboratorio de materiales comunes, como: horno, agitador magnético, entre otros. Para el análisis de la estructura cristalina se requerirá el apoyo del departamento de Física en donde se encuentra el difractor rayos X; también, los datos obtenidos serán analizados mediante el software TOPAS . Para caracterizar propiedades mecánicas se requerirá un sistema de adquisición de datos y ensayos de microdureza.

La creciente demanda de la industria por disponer de recubrimientos de alta resistencia a la corrosión y abrasión con un menor costo, induce el desarrollo de nuevos compuestos con menor rugosidad superficial y mayor adherencia al substrato. El desgaste abrasivo es uno de los grandes problemas que se presentan en piezas que trabajan en contacto con minerales. Las técnicas de proyección térmica y soldadura PTA, son usadas para formar recubrimientos duros y se basan en conferir al material a depositar (en forma de polvo o varilla), suficiente energía térmica con tal de proyectar material fundido o parcialmente fundido con alta energía cinética formando un recubrimiento compacto. El estudio que se presenta a continuación tiene su origen en la observación del desgaste prematuro en asientos de válvulas API-9 de bombas GEHO ZPM Duplex presentes en la minería del cobre, las cuales sufren desgaste por abrasión y son reemplazadas cada apróx. 800 [h]. El objetivo del trabajo es producir recubrimientos duros, determinar la influencia de la composición y micro-estructura en el comportamiento en desgaste y micro-dureza y comparar los resultados con el material presente en dicha válvula. Se fabricaron 4 probetas de acero SAE 1020 de dimensiones 50x50x10 [mm], dos de ellas con recubrimientos metálicos; base niquel (Durmat 59 PTA), base hierro (Durmat 505 PTA), y dos con recubrimientos cerámicos una mezcla niquel y carburo de tungsteno (Durmat 62 PTA), y una con Carburo de tungsteno-Cobalto (Durmat 101 PTA). Se hizo Microscopía Óptica, se sometieron a ensayo de desgaste ASTM-G65 procedimiento A, microscopía electrónica de barrido (SEM) y Micro-dureza. Los resultados arrojaron que Durmat 101 HVOF pierde un 65 % menos de peso y un 32% menos de espesor frente al material de la válvula. Además este recubrimiento es un 68 % más duro que la válvula, con un valor promedio de 1341,8 HV03,. Es el único recubrimiento que obtiene mejores resultados que el material de la válvula. El 59 PTA muestra un crecimiento dendrítico fino en la microscopía, y al agregar carburos de tungsteno la resistencia al desgaste mejora y la dureza aumenta en un 31%. El 505 PTA tiene una micro-estructura muy fina y compacta, con carburos finos ordenados en una matriz de hierro. De los recubrimientos aportados por soldadura de arco transferido, fue el de mejor desempeño. El recubrimiento metálico base Níquel, Durmat 59 PTA, es el que presenta el comportamiento más deficiente en todas las pruebas y es el único que en el ensayo de desgaste llegó al material base.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil / El siguiente trabajo presenta un estudio del comportamiento de hormigones tradicionales al ser reforzados con microfibras de polivinilo de alcohol. Específicamente, este analiza cambios en propiedades mecánicas de este material como lo son su resistencia y su ductilidad. Esto último, sin dejar de lado la posibilidad de estudiar otros fenómenos que se pudieran observar a lo largo de la investigación. Esta investigación consiste tanto en experimentación en laboratorio como en análisis mediante el uso de software computacional. La primera parte mencionada contempla la elaboración de tandas de probetas cilíndricas de hormigón con y sin fibra. Diferentes cantidades de fibra son utilizadas en distintas mezclas buscando contrastar resultados con mezclas sin fibra. De igual manera, las proporciones agua/cemento y áridos/cemento y el tamaño máximo de árido en cada set de probetas son diferentes con el fin de obtener un espectro mayor de resultados y de esta forma poder realizar un análisis más completo. Existe un primer grupo de probetas que se elabora para llevar a cabo ensayos preliminares a modo de prueba y obtener algún tipo de tendencia general. Un segundo grupo para ajustar dosificaciones y un último grupo, mucho más amplio en cantidad que el primero, el cual es necesario para efectuar un estudio más complejo y global del comportamiento del hormigón tradicional reforzado con microfibras de PVA. De las probetas finales, cuyas variables más características son: la cantidad de fibra y el tamaño máximo de árido (0%, 1% y 2% de fibra y tamaños de árido de 0.3 mm, 4.75 mm y 9.5 mm), se obtiene que a compresión la resistencia siempre es mayor (entre 5% y casi 400% veces) sin microfibra que con microfibra, mientras que la deformación última, en casos con PVA puede llegar a ser hasta 8 veces mayor. De esta etapa, sin embargo, no es posible obtener resultados claros a tracción. Por otro lado, con lo que respecta a la parte computacional, diferentes softwares se utilizan como herramienta para procesar la información obtenida en el campo experimental. Además, se realizan parametrizaciones que representen las curvas obtenidas y así obtener fórmulas generales. Dichas modelaciones, provenientes de combinar modelos ya ampliamente conocidos con regresión de datos experimentales, son utilizadas en un análisis de tipo Pushover en el programa SAP2000 con el fin de tener una idea general del comportamiento estructural del hormigón fibroreforzado. Para efectos prácticos, el análisis es llevado a cabo en una torre de 10 pisos de muros con confinamiento de borde. De esto último y empleando las mismas cantidades de fibra e iguales tamaños máximos de árido que en las probetas finales, se puede constatar que para todos los casos, previo a los 0.6 metros de desplazamiento de techo, la carga requerida es siempre mayor en hormigones sin PVA alcanzando a ser esta, en casos extremos como aquellos con árido de 9.5 milímetros, hasta 1.2 veces mayor.

Memoria para optar al título de Ingeniera Civil Mecánica / El presente trabajo es un estudio de carácter exploratorio sobre el tema de materiales compuestos de alcohol polivinílico y diferentes nanopartículas. El objetivo es estudiar la influencia del tipo, tamaño y morfología de nanopartículas sobre las propiedades mecánicas de PVA reforzada con ellas. El alcohol polivinílico es un polímero no tóxico para el ser humano, esta característica hace que sea interesante de estudiar en aplicaciones como transporte de fármacos y revestimiento de heridas. En estos casos los materiales compuestos nanopartículas pueden actuar como agentes transportadores de los fármacos y la matriz de PVA actúa aglomerando estas nanopartículas. Además tienen amplias aplicaciones como membranas. El estudio mecánico de este tipo de materiales es relevante a la hora de la fabricación en masa. En este caso se observa que los materiales tienen propiedades similares al PVA con respecto al módulo de Young y al esfuerzo de fluencia y no así con respecto a la deformación. La síntesis de las nanopartículas puede ser controlada mediante el pH y la temperatura. En este caso se utilizan cantidades similares de NaOH y temperatura de 80°C para todas las nanopartículas. El análisis mediante TEM muestra que estas condiciones de síntesis no son las ideales para la mayoría de las nanopartículas. En la síntesis de las nanopartículas y nanocompuestos con ferritas es necesario disminuir la temperatura de 80°C a 30-40°C y controlar cuidadosamente el pH de la solución en 9.5 u 11 para obtener partículas de menor tamaño con desviaciones estándar más acotadas. El impacto de la morfología y tamaño en las propiedades mecánicas no es del todo claro. Sí se observa una tendencia general a mejorar el módulo de Young y el esfuerzo de fluencia con la adición de nanopartículas, sin embargo, existen excepciones como la muestra de CuO/CoFe2O4 en la que disminuye E y el esfuerzo de fluencia. El incremento de E ocurre porque las nanopartículas tienden a generar enlaces secundarios entre las cadenas de polímeros, generando un efecto de reticulación, dándole mayor rigidez al sistema. El cambio en el esfuerzo de fluencia depende más de la interacción entre nanopartículas y matriz que de los enlaces. Depende de si la matriz tiene un contacto uniforme con las nanopartículas, de si las nanopartículas se aglomeran y de la morfología de las mismas nanopartículas. Estas características no pueden ser estudiadas con los resultados obtenidos en este estudio. El estudio puede ser continuado de distintas maneras. En primera instancia se puede orientar a caracterizar un tipo de material separando las nanopartículas según tamaño. Se puede estudiar el área superificial para buscar una correlación entre este valor y las propiedades mecánicas. Además, como el PVA es un material viscoelástico se sugiere hacer otras pruebas de estabilidad térmica y de dinámica de las piezas.

Los materiales compuestos de matriz cerámica basados en carburo de silicio (SiC) presentan excelentes propiedades mecánicas y gran estabilidad estructural a temperaturas superiores a los 1000°C. Por otro lado, el iridio presenta excelentes propiedades a bajas y altas temperaturas y tiene la ventaja de ser altamente resistente a la corrosión. El principal objetivo de esta Tesis Doctoral es sintetizar materiales compuestos basados en SiC e Ir mediante infiltración reactiva con el fin de lograr una sinergia entre las propiedades individuales de los materiales constituyentes. Para lograr una comprensión total del método de procesamiento por infiltración reactiva en estos materiales, la Tesis fue organizada en 7 capítulos. En el capítulo 1 se desarrolla el estado del arte de los materiales compuestos. En el capítulo 2 se explican los materiales y métodos empleados en el seguimiento de la reacción de infiltración, las técnicas de caracterización y los ensayos termomecánicos. En el capítulo 3 se realiza un estudio fundamental de la mojadura de aleaciones de Si-Ir con creciente concentración de Ir sobre sustratos de carbono y SiC. En el capítulo 4 se estudia la reacción del estado sólido y los fenómenos de interfase del Ir puro sobre sustratos de SiC. En el capítulo 5 se evalúa el efecto de la atmósfera de procesamiento en los materiales compuestos finales. En el capítulo 6 se sintetizan los materiales compuestos SiC/Si-IrSi3, donde se estudia el método de infiltración reactiva gracias a la técnica de gota yacente y se evalúan las propiedades finales del material producido. Finalmente, en el capítulo 7 se resumen las principales conclusiones generadas en la memoria. En general, este estudio es una contribución importante para el desarrollo de materiales avanzados que puedan ser utilizados en ambientes altamente oxidantes y/o que requieran alta resistencia a la corrosión (como, por ejemplo, aplicaciones electrónicas). En conclusión, en esta Tesis Doctoral, se ofrece un estudio sistemático y fundamental de la infiltración reactiva para la síntesis de materiales compuestos basados en SiC e Ir. Queda demostrado que los materiales compuestos SiC/Si-IrSi3 surgen como candidatos ideales para aplicaciones estructurales de alta temperatura debido a sus excelentes propiedades termomecánicas y su prometedora resistencia a la oxidación.

La presente Tesis Doctoral consiste en el diseño y preparación de materiales basados en óxido de titanio y titanosilicatos para su aplicación en diversas reacciones catalíticas tanto desde un aspecto medioambiental como para la síntesis de compuestos de interés industrial, concretamente se estudiaron la fotooxidación de propeno, la oxidación selectiva de propileno y la descomposición de amino borano. Respecto al desarrollo y preparación de los materiales se ha analizado la influencia de las condiciones de preparación de los catalizadores y fotocatalizadores en las propiedades más importantes de los mismos (porosidad, la cristalinidad, la química superficial y composición química, entre otros) que pudieran tener influencia en su actividad catalítica.

La gran acumulación de desperdicios sólidos es un problema de carácter mundial y nacional. El número de botaderos y rellenos sanitarios es cada vez mayor y el volumen de los mismos aumenta considerablemente debido a la falta de proyectos para reciclar, reutilizar y recuperar estos residuos. Gran parte de estos son residuos plásticos que no han sido reutilizados y residuos de maderas provenientes de las mermas de diferentes procesos industriales. En respuesta a esta problemática, en la Pontificia Universidad Católica del Perú se viene desarrollando un proyecto de investigación que propone la reutilización de estos desperdicios en la fabricación de materiales compuestos de plástico y madera empleando procesos de sinterizado mediante moldeo con y sin presión. En esta perspectiva, se propone utilizar el moldeo por compresión y el moldeo rotacional como métodos de fabricación para la producción de piezas de geometría compleja. El objetivo de la presente tesis es estudiar las propiedades mecánicas de materiales compuestos sinterizados sin presión, fabricados mediante moldeo rotacional a partir de polietileno reciclado y madera capirona recuperada. La metodología experimental de la presente tesis consistió en lo siguiente: En primer lugar, se determinaron las propiedades de los constituyentes del material compuesto. En segundo lugar, se fabricaron muestras cilíndricas del material compuesto, a partir de diferentes proporciones de contenido en volumen de polietileno de alta densidad y madera capirona. En tercer lugar, se fabricaron las probetas que se utilizaron para los ensayos de tracción, flexión e impacto. Finalmente, se realizaron los ensayos de tracción, flexión e impacto, así como ensayos de caracterización del material compuesto tales como ensayo de densidad y absorción de agua. Todos estos procedimientos se realizaron según las normas ASTM correspondientes. Las mejores propiedades obtenidas se presentaron para 10% en volumen de partículas de madera capirona y 25 minutos de tiempo de permanencia en el horno: 19 MPa de resistencia a la tracción; 1147 MPa de módulo elástico en tracción; 21 MPa de resistencia a la flexión; 742 MPa de módulo elástico en flexión; 0,53 J/cm2 de resistencia al impacto; 0,4% de absorción de agua y 0,95 g/cm3 de densidad, en promedio.

En la actualidad las personas con problemas de artrosis no solo afectan a las personas mayores de edad sino también a deportistas jóvenes, los casos más frecuentes son aquellas que afectan a la rodilla lo que les provoca una dificultad caminar debido a que no cuenta con la suficiente fuerza para utilizar su pierna como apoyo. Existen modelos de soportes de rodillas que ayudan a tener un mayor soporte al usuario al caminar reduciendo el dolor, funcionan a través de presión, pero el modelo de estas tiene movilidad limitada. En la presente tesis se diseñará una ortesis que les dé a los usuarios una mejor movilidad. Esta contará con una estructura materiales compuestos que sea resistente y ergonómica, Además el actuador brindará todo el soporte necesario para realizar movimientos de rodilla sin un mayor esfuerzo, podrá ser adquirido con facilidad para todos los usuarios con los casos de artrosis en la rodilla. Se utilizará para el diseño y el análisis dinámico el programa SOLIDWORKS, también se tendrá en cuenta estudios médicos sobre los problemas que causa la artrosis en la zona de la rodilla y sus métodos de tratamiento.