Proyecto de investigación
Procesado y Caracterización Microestructural, Mecánica y Eléctrica de Compuestos Cerámica-Grafeno
Responsable: Ángela María Gallardo López / Rosalía Poyato Galán
Tipo de Proyecto/Ayuda: Plan Estatal 2013-2016 Excelencia - Proyectos I+D
Referencia: MAT2015-67889-P
Fecha de Inicio: 01-01-2016
Fecha de Finalización: 30-09-2019
Empresa/Organismo financiador/es:
- Ministerio de Economía y Competitividad
Equipo:
- Equipo de Investigación:
- Equipo de Trabajo:
- Nitin P. Padture
- Carmen González Orellana (alta: 25/05/2017)
- Carmen Muñoz Ferreiro (alta: 15/01/2018)
Contratados:
- Investigadores:
- Cristina López Pernia
Resumen del proyecto:
En la actualidad se plantean interesantes expectativas sobre los compuestos cerámica-grafeno, propuestos para aplicaciones en catálisis, almacenamiento y conversión de energía, protección del medio ambiente y biotecnología. Pero aún se requieren importantes esfuerzos para dar respuesta a cuestiones abiertas. Hay que incidir en aspectos como la resistencia a la cizalla de las intercaras cerámica-grafeno - esencial para asegurar la transferencia de carga efectiva sobre las láminas de grafeno-, la distribución homogénea del grafeno en la matriz cerámica y la relación de tamaños entre matriz y refuerzo, para maximizar el aumento de tenacidad y de conductividad eléctrica, así como también explorar sus propiedades mecánicas a alta temperatura.
En este proyecto se plantea un estudio sistemático de compuestos de matrices cerámicas con grafeno, desde la fabricación hasta la caracterización microestructural, mecánica y eléctrica, con el objetivo de mejorar la comprensión de los mecanismos que controlan estas propiedades al incorporar nanoestructuras de grafeno a una matriz cerámica. Se procesarán compuestos de dos matrices cerámicas diferentes, de alúmina y de circona tetragonal dopada con óxido de itrio (3YTZP), con grafeno mediante técnicas coloidales, prestando especial atención a la dispersión del grafeno en la matriz cerámica, aspecto no exento de dificultades y que es clave para conseguir la mejora de las propiedades.
La sinterización se realizará en un horno de descarga de plasma (SPS, spark plasma sintering) de última generación, optimizando las condiciones para conseguir compuestos densos y de tamaño de grano nanométrico. Para el análisis microestructural se utilizarán técnicas como la difracción de rayos X, la espectroscopía Raman, y la microscopía electrónica de barrido y transmisión. Con ellas se evaluarán las fases cristalográficas presentes, el tamaño de grano, la distribución de las nanoestructuras de grafeno, etc.
Desde el punto de vista del diseño de materiales avanzados, es fundamental investigar la relación entre microestructura y propiedades mecánicas y eléctricas. Las propiedades mecánicas a temperatura ambiente (dureza, tenacidad a la fractura y resistencia a flexión) se abordarán mediante indentación y ensayos de flexión, a escalas macro y microscópica. A alta temperatura, se estudiará la deformación plástica de los compuestos cerámica-grafeno mediante ensayos de fluencia en atmósferas controladas.
También se estudiará el comportamiento tribológico de los compuestos y se evaluará su conductividad eléctrica, una de las propiedades más interesantes ya que se modifica de forma notoria como resultado de la incorporación del grafeno a estos sistemas cerámicos. La respuesta eléctrica se analizará en un amplio rango de temperaturas, bien mediante espectroscopía de impedancia compleja, bien mediante medidas de conductividad en corriente continua en el caso de los compuestos menos resistivos.
