Estudios microestructurales y cristalográficos de cerámicas eutécticas solidificadas direccionalmente para aplicaciones energéticas

Resumen

ESTA TESIS SE PRESENTA POR LA MODALIDAD DE COMPENDIO DE ARTÍCULOS. EN ELLA SE RECOGEN LOS ESTUDIOS MICROESTRUCTURALES Y CRISTALOGRÁFICOS DE DIFERENTES CERÁMICAS EUTÉCTICAS SOLIDIFICADAS DIRECCIONALMENTE (DIRECTIONALLY SOLIDIFIED EUTECTIC CERAMICS, DSECS) CON DIVERSAS APLICACIONES POTENCIALES, FUNDAMENTALMENTE ENERGÉTICAS. COMO EUTÉCTICOS, ESTOS MATERIALES SE CARACTERIZAN POR TENER UNA MICROESTRUCTURA MUY FINA Y HOMOGÉNEA (YA SEA IRREGULAR, FIBRILAR O LAMINAR) CON INTERFASES LIMPIAS, Y POR SU SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL, SON ALTAMENTE TEXTURADOS. LOS OBJETIVOS PRINCIPALES DE ESTA TESIS HAN SIDO AVANZAR EN LA COMPRENSIÓN DE LOS FACTORES QUE DETERMINAN LAS RELACIONES DE ORIENTACIÓN Y PLANOS DE INTERFASE ENTRE LAS FASES Y RELACIONAR LAS PROPIEDADES DEL MATERIAL CON SU MICROESTRUCTURA. EN 1979, MINFORD ET AL. ESTABLECIERON QUE LOS DOS PRINCIPALES FACTORES QUE DETERMINAN EL PLANO DE INTERFASE Y LA RELACIÓN DE ORIENTACIÓN EN LAS DSEC SON EL BALANCE DE CARGA EN LA INTERFASE Y LA MINIMIZACIÓN DEL DESAJUSTE ENTRE LAS REDES.[1] EL ESTUDIO DE DICHOS FACTORES, DESDE UN PUNTO DE VISTA TEÓRICO, SE HA LLEVADO A CABO MEDIANTE EL CÁLCULO DEL BALANCE DE DENSIDAD DE CARGA IÓNICA EN LA INTERFASE Y DE LA COINCIDENCIA DE PUNTOS DE LA RED RECÍPROCA (COINCIDENCE OF RECIPROCAL LATTICE POINTS, CRLP) PARA LA FAMILIA DE DSECS COMPUESTA POR LOS EUTÉCTICOS NIO-YSZ (CIRCONA DOPADA CON ITRIO), COO-YSZ, NIO-CEO2, COO-CEO2, NIO-GDC (CERIA DOPADA CON GADOLINIO) Y COO-GDC. ESTOS MATERIALES, TRAS SU REDUCCIÓN, SE CONVIERTEN EN CERMETS POROSOS CON EXCELENTES PROPIEDADES QUE LES PERMITE SER UTILIZADOS COMO ÁNODOS EN PILAS DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO (SOLID OXIDE FUEL CELLS, SOFC). DESDE EL PUNTO DE VISTA EXPERIMENTAL, LA ORIENTACIÓN CRISTALOGRÁFICA SE HA ESTUDIADO POR MEDIO DE DIFRACCIÓN DE ELECTRONES RETRODISPERSADOS (ELECTRON BACKSCATTER DIFFRACTION, EBSD) EN EL MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO (SCANNING ELECTRON MICROSCOPE, SEM). ESTA TÉCNICA FUE APLICADA A LA FAMILIA DE EUTÉCTICOS ANTERIORMENTE MENCIONADA, ASÍ COMO A OTRAS DSEC. CONCRETAMENTE, SE ESTUDIARON: EL EUTÉCTICO LIF-LIYF4, CON APLICACIÓN EN EL CAMPO DE LA FOTÓNICA; EL EUTÉCTICO TERNARIO BASADO EN ALÚMINA AL2O3-ER3AL5O12-ESZ (CIRCONA DOPADA CON ERBIO), CON APLICACIÓN EN DISPOSITIVOS TERMOFOTOVOLTAICOS; Y EL EUTÉCTICO MN3O4-YMNSZ, DE APLICACIÓN EN EL CAMPO DE LAS ELECTROCERÁMICAS Y EL MAGNETISMO. PARA TODAS ESTAS DSEC, SE DETERMINARON SUS DIRECCIONES DE CRECIMIENTO, RELACIONES DE ORIENTACIÓN ENTRE LAS FASES, Y EN ALGUNOS CASOS, TAMBIÉN SUS PLANOS DE INTERFASE. PARA LA DSEC AL2O3-ER3AL5O12-ESZ, SE ESTUDIÓ TAMBIÉN SU ESTABILIDAD MICROESTRUCTURAL TRAS UN TRATAMIENTO TÉRMICO A ALTA TEMPERATURA (1600 ºC), ENCONTRÁNDOSE QUE ESTE MATERIAL APENAS SE DEGRADÓ TRAS 100 H DE ENVEJECIMIENTO. EL ESTUDIO DE LA FAMILIA NIO-YSZ, COO-YSZ, NIO-CEO2, COO-CEO2, NIO-GDC Y COO-GDC INTEGRA EL GRUESO DE ESTA TESIS DOCTORAL. ADEMÁS DE LOS EXPERIMENTOS DE EBSD, SE REALIZÓ UN MICROANÁLISIS DE RAYOS X CARACTERÍSTICO (X-RAY ENERGY DISPERSIVE SPECTROSCOPY, EDS) PARA DETERMINAR Y CUANTIFICAR LA PRESENCIA DE SEGREGACIÓN DE ÁTOMOS DE GADOLINIO HACIA LA INTERFASE EN LOS EUTÉCTICOS NIO-GDC Y COO-GDC. ESTOS EXPERIMENTOS PUSIERON DE MANIFIESTO LA RELEVANCIA DEL PRIMER CRITERIO DE MINFORD EN LA FORMACIÓN DE INTERFASES DE BAJA ENERGÍA. TAMBIÉN SE ESTUDIÓ LA REDUCCIÓN DE LOS EUTÉCTICOS NIO-GDC Y COO-GDC POR MEDIO DE EBSD, DIFRACCIÓN DE RAYOS X Y MICROSCOPÍA DE BARRIDO Y TRANSMISIÓN. LAS INTERFASES RESULTANTES EN LOS CERMETS DEPENDEN DE SI LA REDUCCIÓN DE LOS ÓXIDOS NIO Y COO SE PRODUCE MEDIANTE UN PROCESO TOPOTÁCTICO, O DE LAS REORIENTACIONES QUE TIENEN LUGAR. LA NATURALEZA DE LAS INTERFASES TENDRÁ UN IMPACTO DIRECTO SOBRE LA ADHESIÓN DE LAS FASES Y SU ESTABILIDAD A ALTA TEMPERATURA, Y POR LO TANTO, SOBRE SU FUNCIONALIDAD COMO ÁNODOS EN SOFC. [1] MINFORD, W. J., BRADT, R. C., Y STUBICAN, V. S. (1979). CRYSTALLOGRAPHY AND MICROSTRUCTURE OF DIRECTIONALLY SOLIDIFIED OXIDE EUTECTICS. JOURNAL OF THE AMERICAN CERAMIC SOCIETY, 62(3-4), 154.