Ingeniero Civil Mecánico / El aluminio y sus aleaciones son materiales con una elevada demanda en los campos industrial, aeroespacial y automotriz, debido a su amplia variedad de propiedades mecánicas y sobre todo por su elevada proporción de resistencia-peso, y gran resistencia a la corrosión. Para mejorar aún más las propiedades de estos materiales, se han creado los materiales compuestos de matriz metálica, los cuales tienen excelentes propiedades mecánicas y por lo tanto motiva su investigación. El objetivo general de este trabajo es estudiar el efecto de la cantidad de refuerzo de 〖Al〗_2 O_(3 ) sobre el creep y módulo elástico, en una matriz de aluminio 6061. También, se busca medir los términos del exponente del esfuerzo (n) y la energía de activación (Q) de la ecuación fundamental del creep. Para llevar esto acabo, se tienen muestras del compuesto con distintos porcentajes de 〖Al〗_2 O_3 como refuerzo. Luego, se implementa la técnica de creep por impresión con el fin de aprovechar las ventajas de este en comparación al creep por compresión. Las ventajas radican principalmente en la optimización del uso del material y en la disminución de error en los resultados. Se realizan análisis de vibraciones mediante excitación por impulso. A continuación, se realizan tratamientos térmicos de endurecimiento por solución y envejecimiento, y en paralelo se hacen mediciones de dureza Vickers después de cada uno de estos tratamientos. Se realizan ensayos de creep a temperaturas entre los 220°C y 280°C a diferentes esfuerzos constantes, para obtener varias curvas características de estas y mejorar el análisis de las mismas. Los resultados muestran que el refuerzo de alúmina aumenta el módulo de elasticidad de estas, obteniéndose valores cercanos a los 63 [GPa]. No se comprueba una relación lineal directa entre la cantidad de refuerzo con la deformación en creep y módulo elástico. Se incorpora el término de umbral de tensión que ayuda a explicar los mecanismos de creep existentes en los MMC de forma análoga a las aleaciones sólidas. Finalmente en los ensayos de creep, las muestras se comportan como si fuesen aleaciones de solución sólida. No se encuentra un valor certero para n ni Q debido a errores en mediciones, pero se logra ver una leve tendencia del mecanismo de creep por deslizamiento viscoso de dislocaciones.

Las excelentes propiedades del grafeno, y la predicción de que este material pueda dar solución a todas las necesidades tecnológicas ha supuesto una gran revolución. Dada la versatilidad de este material, como consecuencia de los distintos métodos de producción disponibles, que generaran un material final con propiedades muy distintas, este se postula como un buen candidato para el desarrollo de distintas aplicaciones. Uno de los productos derivados de grafeno más usados es el óxido de grafeno. Actualmente existe gran controversia acerca su estructura, por lo que es necesario conocer muy bien esta para el uso de este material en las futuras aplicaciones. Por otro lado, los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras, para aplicaciones estructurales, presentan un gran interés por su alta versatilidad de propiedades mecánicas, debidas a sus excelentes propiedades. Debido a esto los materiales compuestos pueden sustituir el uso extendido del acero y aluminio, reduciendo así el peso final y por tanto disminuyendo el consumo de combustibles, por ejemplo cuando se usan en aeronáutica. A pesar de sus excelentes propiedades mecánicas estos materiales presentan algunas limitaciones como puede ser el fallo por deslaminación. Por lo que será importante mejorar este aspecto mejorando la adherencia entre los tejidos de fibra y la resina. Postulándose el grafeno como un excelente candidato para mejorar estas propiedades, para ello será importante estudiar el grafeno de partida usado. Siendo este tipo de materiales objeto de estudio en esta tesis. Igualmente, el consumo energético mundial ha aumentado de manera considerable. Este aumento está relacionado con el crecimiento de la población y la industrialización de países en vías de desarrollo. En este contexto, como consecuencia del cambio climático y los costes de los combustibles fósiles, la producción y almacenamiento de energía mediante tecnologías alternativas se ha convertido en uno de los temas de mayor importancia y que más atención reciben por la comunidad científica. Es por ello que surge la necesidad de desarrollar dispositivos de almacenamiento de energía con mayores prestaciones y eficiencia, así como la menor dependencia con los combustibles fósiles. Pero a su vez, hay que mejorar el desacoplamiento existente entre la generación y la demanda de energía. Siendo los supercondensadores, dispositivos atractivos para ser objeto de estudio en esta Tesis. A los que se les mejoraran sus propiedades electroquímicas con la adición de óxido de grafeno. Se ha llevado a cabo una revisión bibliográfica sobre el estado del arte del grafeno así como de las dos aplicaciones desarrolladas, materiales compuestos estructurales y materiales para almacenamiento de energía. Así, se plantean como objetivos llevar a cabo un análisis profundo sobre la estructura del óxido de grafeno, así como su química superficial. Y el empleo de este en materiales compuestos de fibra de carbono y resina epoxi y en materiales para almacenamiento de energía, en este caso xerogeles de carbono. De esta manera, en la primera parte de esta memoria se realiza una introducción (Capítulo 1) sobre el grafeno y sus propiedades, así como los materiales compuestos y materiales para almacenamiento de energía. Esta introdución es muy general, con el fín de poner al lector en antecedentes de las distintas aplicaciones que se desarrollaran en los siguientes capítulos. A continuación en cada capítulo de resultados se hará una introducción más específica y de acuerdo con el material objeto de estudio. El siguiente capítulo (Capítulo 2) se presentan los objetivos del presente trabajo. A continuación, en el capítulo 3 se presentan las técnicas de caracterización comunes para la caracterización tanto del óxido de grafeno como los materiales desarrollados. Igual que pasaba en la introducción en cada uno de los capítulos de resultados se explican las técnicas de caracterización utilizadas para caracterizar los materiales preparados. En los siguientes capítulos se presentan los resultados obtenidos para cada una de las aplicaciones desarrolladas. En primer lugar, se lleva a cabo un estudio sobre el óxido de grafeno, con el fin de estudiar su estructura, así como su química superficial, con el fin de ver su efecto en las aplicaciones desarrolladas en los siguientes capítulos. A continuación, se muestran los resultados obtenidos de dopar una resina epoxi con dos tipos de óxido de grafeno con distinta química superficial, y ver su efecto en las propiedades mecánicas de la resina, así como el efecto de dopar la resina en las propiedades interlaminares de los materiales compuestos de fibra de carbono. El último capítulo de resultados (capítulo 6) está dedicado al desarrollo de una segunda aplicación, en este caso se preparan xerogeles de carbono dopados con dos tipos de óxido de grafeno, con el fín de evaluar el efecto de la adición de óxido de grafeno a las propiedades electroquímicas del xerogel final. Así como el efecto de la química superficial del mismo en el material final. En este capítulo de la memoria se comparan los resultados de los diferentes capítulos y se resumen las conclusiones más importantes que se pueden extraer del trabajo. Los resultados mostrados en esta Tesis Doctoral revelan que el óxido de grafeno tiene un efecto positivo y contribuye enormemente en la mejora de las propiedades de los materiales desarrollados para las dos aplicaciones estudiadas. Así como la importancia de la química superficial de óxido de grafeno usado en las distintas aplicaciones. Finalmente, se resumen las conclusiones más importantes del trabajo (Capítulo 7) y en el último se recoge la bibliografía consultada para la realización de los mismos (Capítulo 8).

En la presente investigación se realizó el diseño de una prótesis transtibial utilizando material compuesto que nace de la unión de la fibra de vidrio tipo E y resina poliéster, con el fin de lograr que esta cumpla con dar solución a las necesidades de los pacientes amputados como poder movilizarse y tener una buena estabilidad, y que mediante el diseño en donde la fabricación de las piezas es sencilla, se pueda obtener un costo accesible para todas las personas que presentan limitaciones económicas, ya que como se sabe, en el mercado nacional el costo de las prótesis es elevado. Además, se incorporó un material compuesto como lo es la unión de la fibra de carbono y la resina poliéster, en los componentes que están sujetos a desgaste, para que así no causen problemas al paciente cuando la utilice. Mediante la recopilación de datos y medidas antropométricas de un número determinado de personas, se logró obtener los parámetros para poder realizar el diseño de cada pieza, y posteriormente a ellos, se analizó en el software SolidWorks, esfuerzos, desplazamientos y factor de seguridad de cada pieza, aplicándole el material compuesto. De esta manera se logró obtener el material a utilizar en la fabricación de cada pieza, logrando así que la prótesis soporte el peso del paciente y presente una buena estabilidad, además de obtener un costo más accesible debido al uso de la máquina CNC para la fabricación de las piezas.

En el 2012, el Ministerio del Ambiente presentó el cuarto informe sobre desechos solido municipales y no municipales. Según este documento, durante el 2010, en nuestro país se generaron 613 toneladas de residuos sólidos plásticos por día. La región de Lima produce un 51,4% de los residuos plásticos totales y, dado que, solo un 31,6% de sus distritos reportaron sobre la gestión de sus residuos, entonces, la cantidad de desechos plásticos generados podría resultar ser más alta al de la cifra citada. Entonces, dado que Lima es la región que genera la mayor cantidad de desechos plásticos a nivel nacional y es, al mismo tiempo, la región donde se concentra mucha de la actividad industrial, es posible pensar en un sector industrial local que trate de reusar estos desechos y los transforme en productos con valor agregado. Así, uno los procesos más usados a nivel industrial para la fabricación de productos huecos de gran volumen, libres de esfuerzos residuales y a bajo costo con respecto a otros procesos, es el proceso de moldeo rotacional. En este sentido, el objetivo principal de esta investigación es estudiar el sinterizado de materiales compuestos de polietileno reciclado y madera capirona recuperada fabricados mediante moldeo rotacional con el fin de incentivar el uso de materiales alternativos, conformados a partir materiales considerados como desechos, dentro del sector industrial. Para cumplir con el objetivo principal, se ha estudiado el estado del arte referente al proceso de moldeo rotacional y a los materiales compuestos constituidos de plástico y madera. Se han identificado los parámetros críticos del proceso de moldeo de estos materiales tales como la temperatura y el tiempo de calentamiento y el tamaño y la proporción en volumen de las partículas de madera, a partir de los cuales, fue posible idear una metodología experimental. En base a esta metodología, se llevaron a cabo ensayos de moldeo rotacional en cuatro etapas diferentes y, en cada una de ellas, se elaboraron varios materiales compuestos según diferentes condiciones de moldeo. Al final de cada etapa, estos materiales fueron sometidos a ensayos de tracción a fin de evaluar el efecto de los parámetros del proceso sobre las propiedades mecánicas del material determinados en base a dicho ensayo de control. En la primera etapa, se determinaron las temperaturas y tiempos de calentamiento. Durante la segunda, tercera y cuarta etapa, se evaluaron el efecto de la proporción en volumen de las partículas de madera, del tamaño de partícula de madera de la temperatura, respectivamente. Los constituyentes también han sido caracterizados. Se ha estudiado el sinterizado de materiales compuestos de polietileno reciclado y madera capirona recuperada fabricados mediante moldeo rotacional y se ha demostrado que el proceso de sinterización se realiza más eficazmente a mayor temperatura y mayor tiempo de calentamiento para una misma proporción de madera. El material de mejores propiedades mecánicas es aquel que está constituido por un 15 % en volumen de partículas de madera y ha sido moldeado a 300 °C durante 25 minutos. Asimismo, se probado que a medida el contenido de madera aumenta, se dificulta el proceso de sinterización y disminuyen las propiedades mecánicas del material compuesto; mientras que, a medida que disminuye el tamaño de partículas de madera, las propiedades mecánicas mejoran. / Tesis

En la actualidad, la creciente producción de plásticos, su rápido consumo y eliminación luego del primer uso, genera la acumulación de grandes volúmenes de residuos de plásticos y, en consecuencia, ocasiona serios problemas en términos medioambientales, económicos y sociales. Por otro lado, la industria maderera genera grandes volúmenes de residuos sólidos y los empresarios usualmente invierten parte de su capital para deshacerse de estas mermas de la producción. Por lo que reciclar el plástico, recuperar la madera y transformarlos en objetos con valor agregado siempre será provechoso. Asimismo, un reto constante de la Ingeniería de Materiales es la búsqueda de nuevos materiales, que sean económicos, fiables y de buenas propiedades específicas; lo que, al mismo tiempo, implica el desarrollo de nuevos procesos de fabricación, como es el caso del sinterizado sin presión de materiales poliméricos, mediante el moldeo rotacional, como una técnica de procesamiento ideal para la fabricación de objetos huecos de gran volumen, de buen acabado superficial, económico, versátil en cuanto al diseño y libres de tensiones internas, debido a que no se obliga a fluir el material para tomar la forma final del producto, como usualmente ocurre en otras técnicas de procesamiento. En esta perspectiva, el objetivo principal de este trabajo es el estudio del sinterizado de materiales compuestos de polietileno de alta densidad reciclado y madera pino recuperada, fabricados mediante moldeo rotacional. Con este objetivo, según la metodología de la investigación, inicialmente se identifican los variables más importantes involucradas en el proceso de sinterizado mediante moldeo rotacional de materiales compuestos de plástico y madera. Luego, con el objetivo de evaluar la influencia de dichas variables, el procedimiento experimental se divide convenientemente en 3 etapas de moldeo, organizadas según la jerarquía de la influencia de dicha variables en función del tiempo del proceso. En la primera etapa, se estudia la influencia del contenido en volumen de las partículas de madera en el sinterizado del material compuesto. En la segunda etapa se analiza la influencia de la temperatura. Finalmente, en la tercera etapa se evalúa el efecto del tamaño de las partículas sobre el sinterizado del material compuesto. Cada una de las etapas de moldeo suministra valores de entrada para las etapas posteriores, por ello es indispensable realizar cada etapa de moldeo en el orden establecido. El ensayo de control en todas las etapas es la resistencia a la tracción de muestras fabricadas según el diseño experimental, a partir de las cuales se obtienen probetas según las normas ASTM. A partir del estudio del sinterizado de materiales compuestos de polietileno de alta densidad reciclado y madera pino recuperada, fabricados mediante moldeo rotacional, se ha identificado que las variables que gobiernan el proceso y, por tanto, las propiedades de dichos materiales son: i) el tiempo de sinterizado; ii) la temperatura de sinterizado; iii) el contenido en volumen de las partículas de madera y iv) el tamaño de las partículas de madera. Asimismo, se ha demostrado que el nivel de sinterizado de los materiales compuestos, puede ser cuantificado de manera indirecta a través del análisis de las superficies internas de los objetos moldeados y con la ayuda de los resultados de los ensayos de tracción, densidad y absorción de agua. Las mejores propiedades se obtienen para el material compuesto con un contenido en volumen del 15% de madera pino recuperada y 85% de polietileno de alta densidad reciclado, bajo las siguientes condiciones que permiten alcanzar un nivel de sinterizado óptimo: 320°C de temperatura nominal del horno, 28 minutos de tiempo de permanencia en el horno y un tamaño de partícula entre 297 y 500 μm. Estas condiciones de procesamiento dan como resultado, una material con una superficie interna libre de poros y con las siguientes propiedades: 18 MPa de resistencia a la tracción; 1000 MPa de módulo elástico; 0,938 g/cm3 de densidad y 0,7% de absorción de agua. / Tesis

Con la industrialización de alimentos perecederos, se ha visto necesario su transporte tanto a la misma fábrica de procesamiento como a los diferentes mercados existentes, para lo cual se utiliza el camión frigorífico. Por otro lado, estos alimentos deben conservarse a una temperatura, tal que, los mantenga frescos y evite su caducidad prematura, mientras son transportados. Actualmente, los camiones que no cuentan con un revestimiento de un material que evite la transferencia de calor entre las paredes de la carrocería frigorífica hacia el medio ambiente, tienden a requerir más tiempo para llegar a su temperatura ideal de conservación, con lo cual se reduce la eficiencia en consumo energético. Por esta razón, el objetivo de este proyecto de investigación es diseñar y simular la carrocería frigorífica con revestimiento utilizando un compuesto de fibra de vidrio-c/resina epoxy para reducir la transferencia de calor en la misma, cumpliendo con la resolución Ministerial No 1272011- PRODUCE. Se utilizará la matriz morfológica para el diseño de la carrocería frigorífica, las ecuaciones analíticas para evaluar la transferencia de calor y el software SolidWorks para la simulación térmica. / With the industrialization of perishable foods, it has become necessary to transport them both to the same processing factory and to the different existing markets, for which the refrigerated truck is used. On the other hand, these foods must be kept at a temperature that keeps them fresh and prevents their premature expiration while they are being transported. Currently, trucks that do not have a coating of a material that prevents heat transfer between the walls of the refrigerated body to the environment, tend to require more time to reach their ideal storage temperature, which reduces efficiency in energy consumption. For this reason, the objective of this research project is to design and simulate the refrigerated body with coating using a fiberglass-c/epoxy resin compound to reduce heat transfer in it, complying with Ministerial Resolution No 127- 2011- PRODUCE. The morphological matrix will be used for the design of the refrigerated body, the analytical equations to evaluate the heat transfer and the SolidWorks software for the thermal simulation.

El uso de materiales compuestos de matriz polimérica (FRP) emerge como alternativa al hormigón convencionalmente armado con acero debido a la mayor resistencia a la corrosión de dichos materiales. El presente estudio investiga el comportamiento en servicio de vigas de hormigón armadas con barras de FRP mediante un análisis teórico y experimental. Se presentan los resultados experimentales de veintiséis vigas de hormigón armadas con barras de material compuesto de fibra de vidrio (GFRP) y una armada con acero, todas ellas ensayadas a flexión de cuatro puntos. Los resultados experimentales son analizados y comparados con algunos de los modelos de predicción más significativos de flechas y fisuración, observándose, en general, una predicción adecuada del comportamiento experimental hasta cargas de servicio. El análisis de sección fisurada (CSA) estima la carga última con precisión, aunque se registra un incremento de la flecha experimental para cargas superiores a las de servicio. Esta diferencia se atribuye a la influencia de las deformaciones por esfuerzo cortante y se calcula experimentalmente.Se presentan los aspectos principales que influyen en los estados límites de servicio: tensiones de los materiales, ancho máximo de fisura y flecha máxima permitida. Se presenta una metodología para el diseño de dichos elementos bajo las condiciones de servicio. El procedimiento presentado permite optimizar las dimensiones de la sección respecto a metodologías más generales. / Fibre reinforced polymer (FRP) bars have emerged as an alternative to steel for reinforced concrete (RC) elements in aggressive environments due to their non-corrosive properties. This study investigates the short-term serviceability behaviour of FRP RC beams through theoretical and experimental analysis. Twenty-six RC beams reinforced with glass-FRP (GFRP) and one steel RC beam are tested under four-point loading. The experimental results are discussed and compared to some of the most representative prediction models of deflections and cracking for steel and FRP RC finding that prediction models generally provide adequate values up to the service load. Additionally, cracked section analysis (CSA) is used to analyse the flexural behaviour of the specimens until failure. CSA estimates the ultimate load with accuracy, but it underestimates the experimental deflection beyond the service load level. This increment is mainly attributed in this work to shear induced deflection and it is experimentally calculated.A discussion on the main aspects of the SLS of FRP RC is introduced: the stresses in materials, maximum crack width and the allowable deflection. A methodology for the design of FRP RC at the serviceability requirements is presented, which allows optimizing the overall depth of the element with respect to more generalised methodologies.

In this work, a systematic study of the structural, optical and electrical properties of aluminum doped hydrogenated amorphous silicon carbide (Al-doped a-SiC:H) thin films grown by radio frequency magnetron sputtering is presented. The samples were grown using a high purity Al and SiC targets in a hydrogen-rich atmosphere and then were subjected to a rapid thermal annealing processes with temperatures of up to 600 °C. The film thickness ranged from 321 nm to 266 nm. The amorphous nature of the thin films was confirmed by X-ray diffraction measurements before and after the annealing treatments. Fourier transform infrared spectroscopy analysis revealed the different heteronuclear bonds present in the samples, whilst Raman spectroscopy showed the different homonuclear bonds present in the material. The evolution of the latter bonds with annealing temperature was assessed, showing a change in the structure of the thin film. Energy-dispersive X-Rays Spectroscopy confirmed the incorporation of aluminum in the amorphous silicon carbide matrix. UV-VIS Transmittance spectra revealed optical parameters such as Tauc energy bandgap, Iso-absorption energy bandgap and refractive index. Furthermore, the bandgap is also determined by means of a recently developed band-fluctuation model. In addition, electrical resistivity is determined by means of a four-probe Van Der Pauw method. Only the samples annealed at 600 °C exhibited contacts with an Ohmic behavior. The annealed films exhibited lower resistivities than the as-deposited ones, probably due to a thermal-induced reordering of the atoms. This reordering is shown in the variation of the Urbach energy which is related to an increase in the Si-C bond density, due to the dissociation of the hydrogen-related bonds. / En este trabajo de tesis se presenta el estudio las propiedades estructurales y optoelectrónicas de carburo de silicio amorfo hidrogenado dopado con aluminio fabricado mediante pulverización catódica de radio frecuencia. Las muestras se fabricaron usando target de SiC y Al de alta pureza en atmosfera de hidrogeno. Luego las películas fueron calentadas hasta la temperatura de 600°C en un horno de rápido procesamiento térmico. La difracción de rayos X confirma la naturaleza amorfa de las películas. Los espectros de absorción infrarroja muestran los diferentes enlaces hetero-nucleares mientras que la espectroscopia Raman nos muestra los diferentes enlaces hononucleares presentes en la muestra. Se evaluó la evolución de los últimos enlaces con el tratamiento térmico, mostrando un cambio en la estructura del material. Espectroscopía de dispersión de energía de rayos X nos muestra la incorporación de aluminio en la matriz de carburo de silicio amorfo. Los espectros de transmitancia UV-VIS revelan parámetros ópticos tales como energía de Tauc, energía de Iso- absorción, energía de Tauc e índice de refracción. Además, el modelo de fluctuación de bandas desarrollado recientemente nos permite determinar los bordes de movilidad y energía de Urbach. Adicionalmente, el método de Van Der Pauw nos permite determinar el valor de la resistividad eléctrica de la muestra, solo a 600°C, donde se obtuvo un comportamiento óhmico mostrando baja resistividad eléctrica, probablemente debido a un reordenamiento de los átomos inducidos térmicamente. Este reordenamiento estructural se muestra en la variación de la energía de Urbach que está asociada con el aumento de la densidad de enlaces Si-C, debido a la disociación de los enlaces relacionados con el hidrogeno.

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