206-210
Daniel Suarez-Riera, Alessandra Merlo, Luca Lavagna, Roberto Nisticò, Matteo Pavese
Waste management is a most current topic, and as such, numerous articles in literature discuss over the recycling and re-use of waste materials from various fields. A common solution is the to use these materials as partial substituent of the inert fraction in concretes and mortars. This work focuses on the possibility of using Acanthocardia tuberculata seashells, which constitute a food waste destined to landfilling, as partial substituents of inert in mortars. The results obtained evidenced that the reduction in mechanical properties (in terms of toughness and flexural stress) is mainly due to the water absorption properties of seashells aggregates, which affect the hydration of the cement. However, as experimentally demonstrated, such decrease in mechanical properties in any case does not compromise the performance of the material when used for civil applications.
Key words:Mortar Mechanical properties Food waste Sustainability Recycled seashell
Propiedades mecánicas del mortero que contiene conchas marinas Acanthocardia tuberculata recicladas como reemplazo parcial del agregado mineral
La gestión de residuos es un tema actual, y como tal, numerosos artículos en la literatura discuten sobre el reciclaje y la reutilización de materiales de desecho de diversos campos. Una solución común es utilizar estos materiales como sustituyentes parciales de la fracción inerte en hormigones y morteros. Este trabajo se enfoca en el posible uso de conchas marinas Acanthocardia tuberculata, que constituyen un desperdicio de alimentos destinados al relleno sanitario, como sustituyente parcial del inerte del mortero. Los resultados obtenidos evidenciaron que la reducción de las propiedades mecánicas (en términos de tenacidad y resistencia a flexión) se debe principalmente a las propiedades de absorción de agua de las conchas marinas, que afectan la hidratación del cemento. Sin embargo, como se demostró experimentalmente, dicha disminución de las propiedades mecánicas en cualquier caso no compromete el rendimiento del material cuando viene empleado en aplicaciones civiles.
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Palabras clave:
Mortero Propiedades mecánicas Desechos alimentarios Sostenibilidad Reciclaje de conchas marinas
211-228
J.L. Pérez-Rodríguez, M.D. Robador, J. Castaing, L. de Viguerie, M.A. Garrote, A. Pleguezuelo
Los palacios del Real Alcázar de Sevilla, España, son famosos por sus revestimientos cerámicos. En el Palacio Mudéjar, construido en la segunda mitad del siglo xiv, se usó de forma extensiva la técnica de alicatar en todas sus dependencias. Estas cerámicas se han analizado in situ utilizando métodos químicos cuantitativos no invasivos de fluorescencia y difracción de rayos X (XRF y XRD). Además, se tomaron algunas micromuestras para preparar estratigrafías y analizarlas por microscopia óptica y electrónica. En este trabajo se ha caracterizado la composición de estas cerámicas, se describe su técnica de fabricación y la época en que se colocaron en las distintas zonas del palacio.
Una gama de 5colores básicos se encuentra en los azulejos del Palacio Mudéjar: verde, negro, melado, blanco y azul. Fe, Co, Cu, Mn y Sn son los principales elementos químicos responsables del color de la fase vítrea de estas cerámicas. Se han encontrado inclusiones en la fase vítrea de wollastonita, cuarzo, bustamita y feldespatoides. También aparece casiterita y malayaita, las cuales fueron también detectadas por DRX. La pasta cerámica utilizada para la fabricación es cálcica. Las fases presentes en el bizcocho sugieren un calentamiento de unos 900° C. En estas cerámicas se han caracterizado thenardita, yeso, cloruro sódico y compuestos de nitrógeno, sales responsables de la alteración de estas cerámicas.
Una gama de 5colores básicos se encuentra en los azulejos del Palacio Mudéjar: verde, negro, melado, blanco y azul. Fe, Co, Cu, Mn y Sn son los principales elementos químicos responsables del color de la fase vítrea de estas cerámicas. Se han encontrado inclusiones en la fase vítrea de wollastonita, cuarzo, bustamita y feldespatoides. También aparece casiterita y malayaita, las cuales fueron también detectadas por DRX. La pasta cerámica utilizada para la fabricación es cálcica. Las fases presentes en el bizcocho sugieren un calentamiento de unos 900° C. En estas cerámicas se han caracterizado thenardita, yeso, cloruro sódico y compuestos de nitrógeno, sales responsables de la alteración de estas cerámicas.
La información obtenida en las 24 zonas estudiadas muestra que no existe homogeneidad en las cerámicas estudiadas debido a las diferentes épocas en que se colocaron los alicatados y a las restauraciones realizadas a lo largo del tiempo. Se encuentran 3grupos principales de cerámicas: a) probablemente del siglo xiv; b) posteriores al siglo xiv, probablemente siglos xv-xvi, y c) de los siglos xix-xx y las intervenciones de restauración realizadas recientemente.
Palabras clave:Cerámicas vidriadas Ensayos no destructivos Difracción de rayos X Microscopia Arqueometría Patrimonio cultural
Archeometric characterization (physical-chemical and microstructural) of tiles in the Mudéjar Palace of the Royal Alcazar of Seville using non-invasive quantitative chemical methods
The Palaces in the Alcázar of Seville, Spain, are famous for their ceramic decoration. The technique of tessellation was used extensively in all rooms in the Mudéjar Palace, dated in the fourteenth century. These glazed ceramics have been analysed in situ using non-invasive quantitative chemical methods of X-ray fluorescence and diffraction (XRF and XRD). Micro-samples were taken to prepare cross-sections and analysed by optical and electronic microscopy. The composition of these ceramics, their manufacturing technique and the time of application in the different areas of the Palace have been characterized in this work. Five colours have been found in the glazed ceramics: green, black, molasses, white and blue. Fe, Co, Cu, Mn and Sn are the main chemical elements responsible for the colour of the glass phase of these ceramics. Wollastonite, quartz, bustamite and feldspars inclusions have been found in the glass phase. Casiterite and Malayaite have been also characterized by XRD. The ceramic paste used for manufacturing was calcic and was heated at about 900°C. Thenardite, gypsum, sodium chloride and nitrogen compounds have been characterized in the ceramic and are responsible for their alteration. The information obtained in the 24 zones studied shows that there is no homogeneity in the ceramics due to the different times in which the tiles were placed and the restorations carried out over time. There are 3main groups of ceramics: a) probably from 14th century, b), probably from 15-16th centuries and c) from 19-20th centuries and recent restorations.
Key words:
Glazed ceramics Non-destructive analysis X-ray diffraction Microscopy Archaeometry Cultural heritage
229-242
Khalil Lazaara,Walid Hajjaji, Bechir Moussi, Fernando Rocha, Jao Labrincha, Fakher Jamoussi
This study was undertaken to valorize naturally occurring silica sand in the synthesis of new consolidated concrete materials. The mixtures of silica sand, calcium sulphate, commercial metakaolin, demolition materials were designed to propose sulphate and sodium silicate/NaOH activate concretes and geopolymers, respectively. Three raw silica sand samples were collected from various locations in Tunisia. The obtained new materials were characterized by SEM and mechanical properties were investigated.
The calcium sulphate-based concretes displayed good technological properties with a compressive strength close to 15MPa and 40–56% of water adsorption. When, metakaolin and demolition reject were added the mechanical resistance decreased due to the lower pozzolanic properties of these materials.
Concerning the geopolymer-based sand concrete, lower compressive strength values were registered. Moreover, by incorporating demolition materials, the mechanical resistance decreased in all consolidated products. The effect of the metakaolin reactivity is more significant when it is activated with a alkaline solution. However, the sodium silicate/NaOH activation of metakaolin governs the reaction when it is highly reactive.
The calcium sulphate-based concretes displayed good technological properties with a compressive strength close to 15MPa and 40–56% of water adsorption. When, metakaolin and demolition reject were added the mechanical resistance decreased due to the lower pozzolanic properties of these materials.
Concerning the geopolymer-based sand concrete, lower compressive strength values were registered. Moreover, by incorporating demolition materials, the mechanical resistance decreased in all consolidated products. The effect of the metakaolin reactivity is more significant when it is activated with a alkaline solution. However, the sodium silicate/NaOH activation of metakaolin governs the reaction when it is highly reactive.
Finally raw silica sand from Tunisia provided good consolidated concrete materials in the presence of calcium sulphate. As well, the silica sand provided good geopolymers in the presence of metakaolin and alkaline solution.
Key words:Silica sand Metakaolin Demolition materials Geopolymers Mechanical properties
Desechos de metacaolín y demolición en concreto consolidado con arena con base ecológica
Este estudio se realizó para valorizar la arena de sílice natural en la síntesis de nuevos materiales de hormigón consolidado. Las mezclas de arena de sílice, sulfato de calcio y metacaolín comercial, materiales de demolición se diseñaron para proponer sulfatos y silicatos de sodio/NaOH activan concretos y geopolímeros, respectivamente. Se recogieron tres muestras de arena de sílice en bruto de varios lugares en Túnez. Los nuevos materiales obtenidos se caracterizaron por SEM y se investigaron las propiedades mecánicas.
Los hormigones a base de sulfato de calcio mostraron buenas propiedades tecnológicas, con una resistencia a la compresión cercana a 15MPa y con el 40-56% de adsorción de agua. Cuando se agregaron metacaolín y rechazo de demolición, la resistencia mecánica disminuyó debido a las propiedades puzolánicas más bajas de estos materiales.
Con respecto al hormigón de arena a base de geopolímero, se registraron valores de resistencia a la compresión más bajos. Además, al incorporar materiales de demolición, la resistencia mecánica disminuyó en todos los productos consolidados. El efecto de la reactividad del metacaolín es más significativo cuando se activa con una solución alcalina. Sin embargo, la activación de silicato de sodio/NaOH del metacaolín gobierna la reacción cuando es altamente reactivo.
Finalmente, la arena de sílice cruda de Túnez proporcionó buenos materiales de hormigón consolidado en presencia de sulfato de calcio. Además, la arena de sílice proporcionó buenos geopolímeros en presencia de metacaolín y solución alcalina.
Palabras clave:
Arena de sílice Metacaolín Materiales de demolición Geopolímeros Propiedades mecánicas
243-254
Milan P. Nikolić, Vladimir B. Pavlović, Slobodanka Stanojević-Nikolić, Vladimir V. Srdić
Two methods of enzyme immobilization onto silica core-shell particles were developed. The first method involved the immobilization of Candida rugosa lipase inside a previously synthesized mesoporous silica layer (deposited at 80°C) surrounding a dense silica core. To prevent lipase leakage from the support, an outer mesoporous silica layer was deposited at 40°C around the first silica layer containing the immobilized lipase. The deposition of the second layer was performed at a relatively lower temperature, to prevent thermal inactivation of the immobilized enzyme. The internal silica layer was obtained by assembling primary silica nanoparticles generated from highly basic sodium silicate solution at 80°C on the surface of poly (diallyldimethylammonium chloride) (PDDA) functionalized silica core particles. The average shell thickness and pore size of the internal silica layer was ∼60nm and 24nm, respectively. The effect of process parameters on generation and aggregation of silica nanoparticles prepared from highly basic sodium silicate solution was also investigated. The aggregation of silica particles generated at 40°C and 80°C took place after 840s and 570 of reactions, respectively. The immobilization efficiency of lipase on the mesoporous silica monolayer was 80%. A decline of immobilized lipase activity was approximately 6 times after 10 reaction cycles due to lipase leakage from the monolayered shell. An outer mesoporous silica layer was deposited at 40°C onto the surface of previously PDDA-functionalized monolayered silica core-shell particles containing the immobilized lipase. The average thickness and pore size of outer mesoporous silica layer was ∼60nm and 17nm, respectively. The activity of lipase immobilized inside the bilayered shell was further reduced due to diffusion resistance within the outer silica layer and PDDA layer however, it was retained for the next reaction cycles.
The pore size of mesoporous silica layer obtained at 80°C was insufficient to allow invertase immobilization. Thus, the second method for the immobilization of invertase was developed. It involved the preparation of the mesoporous silica layer simultaneously with invertase immobilization at 40°C. The immobilized invertase showed decreased activity, but it was not hampered by substrate inhibition, as in the case of the free enzyme, due to the location of the enzyme inside the mesoporous silica layer, where the mass transfer resistance for the substrate to the enzyme active site was present.
Key words:Silica Core-shell particles Mesoporous Lipase Invertase Immobilization
Inmovilización enzimática usando dos métodos de procesamiento en partículas de núcleo-cubierta de sílice
Han sido desarrollados dos métodos de inmovilización enzimática sobre las partículas de la núcleo-cubierta de sílice. El primer método implicaba la inmovilización de Candida rugosa lipasa dentro de una capa de sílice mesoporosa previamente sintetizada (depositada a 80°C), la cual rodea un núcleo denso de sílice. Para evitar fugas de la lipasa del soporte, se depositó una capa externa mesoporosa de sílice a una temperatura de 40°C sobre la superficie de las partículas de la núcleo-cubierta de sílice que contenían la lipasa inmovilizada. La deposición de la segunda capa se realizó a una temperatura relativamente más baja para evitar la inactivación térmica de la enzima inmovilizada. La capa interna de sílice se obtuvo ensamblando nanopartículas de sílice primaria generadas a partir de una solución de silicato de sodio altamente básica a 80°C en la superficie de las partículas del núcleo de sílice funcionalizadas con poli (cloruro de dialildimetilamonio) (PDDA). El grosor medio de la cubierta y el tamaño de poro de la capa interna de sílice fue de ∼60nm y 24nm, respectivamente. También se investigó el efecto de los parámetros del proceso sobre la generación y agregación de las nanopartículas de sílice preparadas a partir de una solución de silicato de sodio altamente básica. La agregación de las partículas de sílice generadas a 40°C y 80°C tuvo lugar después de 840s y 570s de reacción, respectivamente. La eficiencia de la inmovilización de la lipasa en la monocapa de sílice mesoporosa fue del 80%. La disminución de la actividad de la lipasa inmovilizada fue de aproximadamente 6 veces después de 10 ciclos de reacción debido a la fuga de la lipasa de la cubierta monocapa. Se depositó una capa de sílice mesoporosa externa a 40°C sobre la superficie de las partículas de la núcleo-cubierta de sílice monocapa previamente estratificadas de PDDA que contenían la lipasa inmovilizada. El grosor promedio y el tamaño de los poros de la capa de sílice mesoporosa externa fue de ∼60nm y 17nm, respectivamente. La actividad de la lipasa inmovilizada dentro de la cubierta bicapa se redujo aún más debido a la resistencia a la difusión dentro de la capa de sílice externa y la capa de PDDA y, sin embargo, se retuvo para los siguientes ciclos de reacción.
El tamaño de poro de la capa de sílice mesoporosa obtenida a 80°C fue insuficiente para permitir la inmovilización de la invertasa. Así, El segundo método para la inmovilización de la invertasa fue desarrollado debido a que la invertasa era mayor que el poro de la capa de sílice mesoporosa previamente sintetizada. Lo mismo implicaba la preparación de la capa de sílice mesoporosa simultáneamente con la inmovilización de la invertasa a una temperatura de 40°C. La invertasa inmovilizada mostró una actividad disminuida, pero no fue obstaculizada por la inhibición del sustrato, como en el caso de la enzima libre, debido a la ubicación de la enzima dentro de la capa de sílice mesoporosa, donde existía resistencia a la transferencia de masa del sustrato a la enzima activa.
Palabras clave:
Sílice Partículas núcleo-cubierta Mesoporosa Lipasa Invertasa Inmovilización
255-265
K. Ananta Bhaskararao, G. Ranga Janardhana
In this work, four-layered functionally graded materials (FGMs) are fabricated with nickel (Ni) and alumina (Al2O3) as principle materials. Four FGMs of different compositional layers such as PLS10, PLS15, PLS20 and PLS25 are prepared through powder metallurgy. Developing the Ni/Al2O3 FGMs starts with weighing the elementary powders, blending, stacking and cold compacting followed by pressure-less sintering. The sintering is performed at 1200°C for 90min with different cooling rates such as 5°C/min, 15°C/min, 20°C/min and 25°C/min respectively. In microstructural context, SEM micrographs are the clear evidence for varying microstructure with different percentages of raw materials and cooling rate. Energy dispersive spectroscopy (EDS) technique is used to determine the composition of sintered FGM samples. As a part of mechanical characterization, both green and sintered densities, hardness and flexural strength are evaluated. The results indicate that densities decrease steadily with increased alumina composition and hardness increases with alumina content. The use of PLS15 layer composition with 20°C/min sinter-cooling rate promoted the best results for the subject FGMs.
Key words:Functionally graded material Nickel Alumina Powder metallurgy Cooling rate
Microestructura, dureza y resistencia a la flexión de Ni/Al2O3 FGM por sinterización sin presión con diferentes velocidades de enfriamiento
En este trabajo, los materiales graduados funcionalmente de cuatro capas (FGM) se fabrican con níquel (Ni) y alúmina (Al2O3) como materiales principales. Cuatro FGM de diferentes capas de composición como PLS10, PLS15, PLS20 y PLS25 se preparan a través de pulvimetalurgia. El desarrollo de las FGM de Ni/Al2O3 comienza pesando los polvos elementales, mezclando, apilando y compactando en frío, seguido de sinterización sin presión. La sinterización se realiza a 1200°C durante 90min con diferentes velocidades de enfriamiento, como 5°C/min, 15°C/min, 20°C/min y 25°C/min, respectivamente. En el contexto microestructural, las micrografías SEM son la evidencia clara de la variación de la microestructura con diferentes porcentajes de materias primas y velocidad de enfriamiento. La técnica de espectroscopia de dispersión de energía (EDS) se utiliza para determinar la composición de muestras de FGM sinterizadas. Como parte de la caracterización mecánica, se evalúan las densidades verdes y sinterizadas, la dureza y la resistencia a la flexión. Los resultados indican que las densidades disminuyen constantemente con una mayor composición de alúmina y la dureza aumenta con el contenido de alúmina. El uso de la composición de la capa PLS15 con una velocidad de enfriamiento de sinterización de 20°C/min promovió los mejores resultados para las FGM del sujeto.
Palabras clave:
Material funcionalmente calificado Níquel Alúmina Metalurgia de polvos Velocidad de enfriamiento
266-272
Brenda Carreño-Jiménez, María Elena Villafuerte-Castrejón, Armando Reyes-Montero, Rigoberto López-Juárez
Lead-free 0.98(K0.48Na0.52)0.95Li0.05Nb1−xSbxO3–0.02Ba0.5(Bi0.5Na0.5)0.5ZrO3 (KNLNSx–BBNZ) solid solution with 0.04<x<0.08 was prepared by traditional solid-state process. Samples were sintered using a conventional method at 1120°C for 4h. The effect of Sb5+ content on the phase structure, microstructure, ferroelectric, dielectric and piezoelectric properties of the KNLNSx–BBNZ ceramics was studied. The phase transition of the ceramic was determined by the temperature dependence of the dielectric properties, while the structural properties, like the phase coexistence, were studied by X-ray diffraction. It was found that ceramics in the composition range of 0.06<x<0.08 possess an orthorhombic (Amm2) and tetragonal (P4mm) phases coexistence. The best piezoelectric properties were obtained in the ceramics with x=0.07: d33=282pC/N, −d31=103pC/N, kp=46%, ɛr=1820, tanδ=3% and Tc=271°C. Furthermore, this composition exhibited a good thermal stability, up to 200°C on d33 piezoelectric constant, indicating that this material have great potential for application from room temperature until this temperature limit.
Key words:KNN-based ceramics Phase coexistence Piezoelectric properties Dielectric constant
Efecto del contenido de antimonio en las propiedades eléctricas y estructurales de materiales cerámicos 0.98(K0.48Na0.52)0.95Li0.05Nb1-xSbxO3-0.02Ba0.5(Bi0.5Na0.5)0.5ZrO3
La solución sólida libre de plomo 0.98(K0.48Na0.52)0.95Li0.05Nb1-xSbxO3-0.02Ba0.5(Bi0.5Na0.5)0.5ZrO3 (KNLNSx-BBNZ) con 0.04<x<0.08 fue sintetizada por el método tradicional de estado sólido. Las muestras se sinterizaron a 1120°C durante 4 horas. Se estudió el efecto del contenido de Sb5+ en las propiedades estructurales, microestructurales, ferroeléctricas, dieléctricas y piezoeléctricas de las cerámicas KNLNSx-BBNZ. La transición de fase de los materiales cerámicos se determinó mediante la dependencia de las propiedades dieléctricas con respecto a la temperatura, mientras que las propiedades estructurales, como la coexistencia de fase, se estudiaron mediante difracción de rayos X. Se encontró que los materiales cerámicos con composición entre 0.06<x<0.08 muestran una coexistencia de fases ortorrómbica (Amm2) y tetragonal (P4mm) (O-T). Las cerámicas con la composición x=0.07 presentaron las mejores propiedades: d33=282pC/N, −d31=103pC/N, kp=46%, ɛr=1820, tanδ =3% y Tc=271°C. Además, se observó una buena estabilidad térmica de la propiedad piezoeléctrica (d33), hasta 200°C, indicando un gran potencial en aplicaciones hasta este límite de temperatura.
Palabras clave:
Materiales cerámicos con base en KNN Coexistencia de fases Propiedades piezoeléctricas Constante dieléctrica
138-146
H. Amaveda, O.J. Dura, M. Mora, M.A. Torres, G. Guelou, M.A. Madre, S. Marinel, A. Sotelo
Ca3Co4O9+xwt.% TiC (x=0, 0.25, 0.5, 0.75, and 1.0) polycrystalline thermoelectric ceramics have been prepared through the classical ceramic route. XRD characterization has demonstrated that all samples are mainly composed by the Ca3Co4O9 phase, while microstructural observation has shown that no reaction between both components has been produced. Moreover, TiC particles are well distributed for small additions, and start to agglomerate from 0.75wt.% content. Density measurements showed that nearly no changes have been produced by TiC addition and nearly the whole porosity appears as open one. Furthermore, electrical resistivity decreases up to 0.75wt.% addition, increasing for higher content. On the other hand, Seebeck coefficient has been maintained unchanged in all samples. In spite of an irregular behaviour of thermal conductivity with temperature, it tends to decrease when the temperature is raised, displaying the lowest values for the 0.25wt.% samples. These data led to an increase of about 40% in ZT values at 800°C for samples with 0.25wt.% addition, when compared with the pure ones. Finally, linear thermal expansion coefficient is decreased when TiC content is increased, which can be exploited to fit the thermal expansion coefficients of all the components used to build a power generation thermoelectric module.
Key words:Ceramics Oxides Mechanical properties ZT Thermal expansion
Ajuste de propiedades térmicas y eléctricas del Ca3Co4O9 por medio de adición de nanopartículas de TiC
Se han preparado cerámicas de composición Ca3Co4O9 + x% en peso de TiC (x=0, 0,25; 0,5; 0,75, y 1,0) utilizando el método clásico de estado sólido. La caracterización por XRD mostró que la fase termoeléctrica Ca3Co4O9 aparecía como mayoritaria. Las observaciones microestructurales determinaron que no se produce reacción entre esta fase y las partículas de TiC. Estas partículas aparecen bien distribuidas cuando hay pequeñas adiciones y comienzan a aglomerarse a partir del 0,75% en peso. Las medidas de densidad indicaron que este parámetro no se modifica con la adición de TiC y, además, que se produce una porosidad de tipo abierto. La presencia de TiC modifica la resistividad eléctrica de forma que disminuye hasta el 0,75% en peso de TiC, aumentando para contenidos mayores, sin afectar el coeficiente de Seebeck. La conductividad térmica muestra un comportamiento irregular, pero tiende a disminuir al aumentar la temperatura, alcanzando los menores valores en muestras con 0,25% en peso de TiC. Estos resultados llevaron a un aumento del 40% en los valores de ZT a 800°C en muestras con 0,25% TiC en peso, comparados con los medidos en muestras sin TiC. Finalmente, el coeficiente de dilatación lineal disminuye al aumentar el contenido de TiC, lo que puede utilizarse para ajustar los coeficientes de dilatación de todos los componentes al construir un módulo termoeléctrico de generación de potencia.
Palabras clave:
Cerámicas Óxidos Propiedades mecánicas ZT Dilatación térmica
147-162
Simon N. Ogugua, Odireleng M. Ntwaeaborwa, Hendrik C. Swart
ZnAl2O4 doped with various concentration (x) of Fe3+ were prepared using the Pechini synthesis. In the first set of samples, Fe3+ substituted Al3+ to create a system of the form ZnAl(2−x)Fex3+O4 (x=0–0.08). To study the effect of charge compensation, Fe3+ substituted Zn2+ to create Zn(1−x)Fex3+Al2O4 (x=0.05) system. The structure and particle morphology of the phosphors were studied using X-ray diffractometer (XRD) and field emission scanning electron spectroscopy, respectively. From the XRD data, the oxygen parameter and the inversion degrees were estimated. The elemental composition and electronic states of the phosphors were analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). XPS results showed that part of the Fe3+ were reduced to Fe2+ in the doped samples. Both photoluminescence and cathodoluminescence properties of the phosphors were also studied. Luminescence excitations using a xenon lamp and X-ray showed two broad emission bands located around 470 and 730nm, and were ascribed to Fe ions occupying the tetrahedral (tet) and the octahedral (oct) sites in ZnAl2O4, respectively. A change in the lifetime of these two emission bands upon Fe doping further confirmed the existence of Fe in the tet and oct sites in the ZnAl(2−x)Fex3+O4 matrix.
Key words:Luminescence Lifetime Microscopy Spectroscopy Inversion degree
Luminiscencia, estructura e información sobre el grado de inversión de la espinela normal a la inversa en un sistema ZnAl(2−x)Fex3+O4
Se preparó ZnAl2O4 dopado con varias concentraciones (x) de Fe3+ usando la síntesis de Pechini. En el primer conjunto de muestras, Fe3+ sustituyó Al3+ para crear un sistema de la forma ZnAl(2−x)Fex3+O4 (x=0 a 0,08). Para estudiar el efecto de la compensación de carga, Fe3+ sustituyó Zn2+ para crear el sistema Zn(1−x)Fex3+Al2O4 (x=0,05). La estructura y la morfología de las partículas de los fósforos se estudiaron utilizando un difractómetro de rayos X (XRD) y espectroscopía electrónica de barrido de emisión de campo, respectivamente. A partir de los datos XRD se estimaron el parámetro de oxígeno y los grados de inversión. La composición elemental y los estados electrónicos de los fósforos se analizaron mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS). Los resultados de XPS mostraron que parte de Fe3+ se redujo a Fe2+ en las muestras dopadas. También se estudiaron las propiedades de fotoluminiscencia y catodoluminiscencia de los fósforos. Las excitaciones de luminiscencia usando una lámpara de xenón y rayos X mostraron dos amplias bandas de emisión ubicadas alrededor de 470 y 730nm, y se atribuyeron a iones Fe que ocupan los sitios tetraédricos (tet) y octaédrico (oct) en ZnAl2O4, respectivamente. Un cambio en la vida útil de estas dos bandas de emisión después del dopaje con Fe confirmó aún más la existencia de Fe en los sitios tet y oct en la matriz ZnAl(2−x)Fex3+O4.
Palabras clave:
Fósforos Luminiscencia Toda la vida Microscopía Espectroscopia Grado de inversión
163-174
Claudia Maribel García-Hernández, Jorge López-Cuevas, Carlos Alberto Gutiérrez-Chavarría, Alfredo Flores-Valdés
A mixture of olivine and (NH4)2SO4 was reacted in the solid state at 300–500°C for 1h. This was followed by mechanical activation of the reacted material for 4–16h in a laboratory attrition mill. Si and Fe were removed from the milled material and Mg was extracted from it as brucite [Mg(OH)2]. CO2 absorption tests were carried out for 24–72h at 50–200°C, using the obtained brucite suspended in deionized water. In these tests, the brucite was completely transformed into nesquehonite (MgCO3·3H2O) at 50°C/24h. Then, nesquehonite was completely transformed into hydromagnesite [Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O] at 100°C/24h. Additional CO2 absorption tests were carried out using the obtained hydromagnesite, but this time under a flow of CO2 with a relative humidity of 70–80%, at the same temperatures mentioned before, and with an absorption time of 3 or 6h. It was found that at 200°C/6h hydromagnesite was almost completely transformed into an amorphous hydrated magnesite. In terms of the CO2 capture, the best results were obtained at 50°C/24h with brucite suspended in water. With an industrial-scale process, the nesquehonite produced could be used to manufacture various materials useful for the construction industry.
Key words:CO2 capture Olivine Milling Reactivity Synthesis
Uso de la activación mecánica para obtener Mg(OH)2 del mineral de olivino para la captura de CO2
Una mezcla de olivina y (NH4)2SO4 se hizo reaccionar en estado sólido a 300-500°C por 1h. Esto fue seguido de activación mecánica de la mezcla por 4-16h en un molino de atrición. Se eliminó el Si y el Fe del material molido y se extrajo el Mg como brucita [Mg(OH)2]. Se llevaron a cabo pruebas de absorción de CO2 por 24-72h a 50-200°C, utilizando suspensiones de brucita en agua desionizada. En estas pruebas, la brucita se transformó completamente en nesquehonita (MgCO3·3H2O) a 50°C/24h. Luego, esta se transformó completamente en hidromagnesita [Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O] a 100°C/24h. Se llevaron a cabo pruebas adicionales de absorción de CO2 utilizando la hidromagnesita obtenida, por 3 o 6h bajo un flujo de CO2 con una humedad relativa del 70-80%, a las mismas temperaturas mencionadas anteriormente. Se encontró que a 200°C/6h la hidromagnesita se transformó casi completamente en una magnesita hidratada amorfa. En cuanto a la captura de CO2, los mejores resultados se obtuvieron a 50°C/24h con brucita suspendida en agua. Con un proceso escalado a nivel industrial, la nesquehonita producida podría ser utilizada para fabricar diversos materiales útiles para la industria de la construcción.
Palabras clave:
Captura de CO2 Olivino Molienda Reactividad Síntesis
175-182
Amparo Borrell, Lucia Navarro, Carlos F. Gutiérrez-González, Carmen Alcázar, María D. Salvador, Rodrigo Moreno
Bulk composites of silicon carbide reinforced zirconia were obtained through colloidal processing and spark plasma sintering, and their microstructural and mechanical properties were investigated. Mixtures of powders of 4mol% yttria-doped zirconia and silicon carbide, with percentages of 15 and 20wt% of silicon carbide, were prepared by colloidal processing and freeze-drying to guarantee the homogeneity of powders, and sintered by SPS at temperatures ranging from 1300 to 1400°C to obtain dense composites. The spark plasma sintering technique makes it possible to control sintering energy and speed, and impedes the oxidation of silicon carbide to ensure larger reproducibility. The microstructure of the composites reveals that some defects arise during sintering due to the differences of coefficient of thermal expansion between zirconia and silicon carbide. Mechanical properties were studied, such as Vickers hardness, Young's modulus, and bending strength. Compared with 4YTZP monolithic material, composites have better fracture strength values (∼588MPa and 492MPa, for 15wt% and 20wt% of silicon carbide, respectively) when sintered at 1400°C. It is also demonstrated that silicon carbide particles act as an absorption centre for propagating cracks.
Key words:Zirconia Silicon carbide Spark plasma sintering Mechanical properties Microstructure
Microestructura y propiedades mecánicas de composites 4YTZP-SiC obtenidos por procesamiento coloidal y Spark Plasma Sintering
En este estudio se investigaron las propiedades microestructurales y mecánicas de los composites de circona reforzados con carburo de silicio (SiC) obtenidos mediante procesamiento coloidal y sinterización por descarga eléctrica (spark plasma sintering [SPS]). Se prepararon mezclas de circona dopada con 4%mol de itria (4YTZP) y SiC con porcentajes del 15 y 20% en peso mediante procesamiento coloidal y liofilización para garantizar la homogeneidad de los polvos, posteriormente se sinterizaron por SPS a temperaturas de 1300 a 1400°C para obtener composites densos. La técnica de SPS permite controlar el tiempo y la velocidad de sinterización e impide la oxidación del SiC para garantizar una mayor reproducibilidad. La microestructura de los composites ha revelado algunos defectos durante la sinterización debido a las diferencias de coeficiente de expansión térmica entre la 4YTZP y el SiC. Por otro lado, se estudiaron las propiedades mecánicas como la dureza Vickers, el módulo de Young y la resistencia a la flexión. En comparación con el material monolítico de 4YTZP sinterizado a 1400°C, los composites presentan mejores valores de resistencia a la fractura (∼ 588MPa y ∼ 492MPa, con un 15 y un 20% en peso de SiC, respectivamente). También se ha demostrado que las partículas de SiC actúan como centro de absorción de propagación de grietas.
Palabras clave:
Circona Carburo de silicio Spark plasma sintering Propiedades mecánicas Microestructura
183-193
Julián Dávalos, Ashley Bonilla, Mónica A. Villaquirán-Caicedo, Ruby M. de Gutiérrez, Jesús Ma. Rincón
Wastes such as coal and rice husk ashes, which are widely available in Colombia, were successfully used to synthesize glass-ceramics in the (Na2O)–CaO–Al2O3–SiO2 system, which are obtained from thermally treating the parent glasses. The raw materials were mechanically conditioned, and the glasses were designed based on the CaO/SiO2 molar ratio, which was varied between 0.25 and 0.39. The glasses were obtained by melting the powders at 1450°C for 2h, and the melted powder was then poured into water. To obtain the glass–ceramic material, the temperature of the glass thermal treatment, which was generally lower than 1000°C in all cases, was determined by differential thermal analysis. The glass-ceramics obtained were microstructurally, physically and mechanically characterized. In addition, the durability was determined in acidic and alkaline environments (HCl and NaOH solutions). Glass–ceramics with densities of 2607–2739kg/m3, water absorption below 0.1%, Vickers hardness above 600MPa and elastic modulus of ∼96GPa were obtained. The fracture toughness Kic was in the range of 0.39–0.59MPam1/2. The chemical durability was considered excellent (with mass losses of ∼0.5mg/cm2), therefore these glass–ceramics can be good candidates for different applications in the construction sector.
Key words:Glass Glass–ceramic Rice husk ash Coal ash Microstructure Mechanical properties
Preparación de vitrocerámicas a partir de ceniza de carbón y ceniza de cascarilla de arroz: microestructura, propiedades físicas y mecánicas
Residuos sólidos como ceniza de carbón y ceniza de cascarilla de arroz, los cuales se encuentran disponibles en grandes cantidades en Colombia, se emplearon para la síntesis (a partir de vidrios parental) de materiales vitrocerámicos dentro del sistema SiO2–Al2O3–CaO(Na2O). Las materias primas se acondicionaron mecánicamente y los vidrios se diseñaron basados en la relación molar CaO/SiO2, la cual varió entre 0,25 y 0,29. Los vidrios se obtuvieron por fusión a 1.450°C por 2h y el material fundido se enfrió en agua. Para obtener la vitrocerámica, el vidrio fue analizado por análisis térmico diferencial para identificar la temperatura de cristalización, que fue menor de 1.000°C para todos los vidrios en estudio. Las vitrocerámicas obtenidas fueron caracterizadas microestructural, física y mecánicamente. Además, la durabilidad fue determinada en ambiente ácidos y básicos en soluciones de HCl y NaOH. Se obtuvieron vitrocerámicas con densidades entre 2.607 y 2.739kg/m3, con absorción de agua menor al 0,1%, dureza Vickers de 600MPa y módulo de elasticidad de ∼96GPa. La tenacidad a la fractura Kic estuvo en el rango de 0,39-0,59MPam1/2 y la durabilidad química fue considerada como muy buena debido a las pérdidas de masa de tan solo ∼0,5mg/cm2. Con estos resultados, las vitrocerámicas obtenidas se consideran buenas candidatas para aplicaciones en el sector de la construcción.
Palabras clave:
Vidrio Vitrocerámica Ceniza de cáscara de arroz Ceniza de carbón Microestructura Propiedades mecánicas
194-204
Mohamed Amine Harech, Mohamed Mesnaoui, Younes Abouliatim, Youssef EL hafiane, Abdelaziz Benhammou, Abdelkrim Abourriche, Agnes Smith, Lahbib Nibou
The aim of the present work is to characterize the phosphate sludge from the area of Youssoufia (rich in CaO∼31%) and to study its thermal behavior alone and when mixed with clay from Safi (Morocco). This may contribute to its valorization as an alternative raw material for ceramic industries. The evolution of phases during the thermal treatment of phosphate sludge, clay and sludge–clay mixtures at different mass ratios (25wt%, 50wt%, and 75wt%) was performed at different levels of temperatures from 600 to 1120°C. Mineralogical analysis by X-ray diffraction (XRD) showed that the sludge mainly consisted of quartz, calcite, dolomite, and francolite. Dolomite and calcite vanished after sludge heating and two new phases were formed, namely akermanite and monticellite. For clay, it mainly consisted of illite, kaolinite, quartz, calcite, and dolomite. After clay sintering at high temperature, a new phase was formed, i.e. anorthite. The effects of the MO/SiO2 ratio (MO=CaO+MgO) in mixtures (clay+sludge) on the crystallization behavior of diopside and fluorapatite, and the disappearance of the akermanite were investigated. The results showed that the crystallization of diopside–fluorapatite increased when the MO/SiO2 ratio increased.
Key words:Phosphate sludge Safi clay Thermal treatment Mineralogical transformations
Efecto de la temperatura y la adición de arcilla sobre el comportamiento térmico del lodo de fosfato
El objetivo del presente trabajo es caracterizar un lodo de fosfato del área de Youssoufia (rico en CaO∼31%) y estudiar su comportamiento térmico tras su mezcla con una arcilla de Safi (Marruecos). Este estudio puede contribuir a su valorización como materia prima alternativa para la industria cerámica. La evolución de las fases minerales durante el tratamiento térmico de lodos de fosfato, arcilla y mezclas de lodos y arcilla en diferentes proporciones de masa (25, 50 y 75% de peso) se realizó a diferentes temperaturas, desde 600 a 1.120°C. El análisis por difracción de rayos X (DRX) permitió conocer la composición mineralógica del lodo formado principalmente por cuarzo, calcita, dolomita y francolita. La dolomita y la calcita desaparecieron tras el calentamiento del lodo y se formaron 2 nuevas fases, a saber, akermanita y monticellita. En cuanto a la arcilla, el análisis mineralógico evideció la presencia de illita, caolinita, cuarzo, calcita y dolomita como fases mayoritarias. Tras la descomposicón de la arcilla se formó anortita como fase de alta temperatura. Se investigaron los efectos de la relación MO/SiO2 (MO=CaO+MgO) en mezclas (arcilla+lodo) sobre la cristalización de diópsido y fluorapatita y la desaparición de la akermanita. Los resultados mostraron que la cristalización de diopsido-fluorapatita aumentó cuando creció el cociente MO/SiO2.
Palabras clave:
Lodos de fosfato Arcilla de Safi Tratamiento térmico Transformaciones mineralógicas
74-82
Jorge López-Cuevas, Claudia Magdalena López-Badillo, Juan Méndez-Nonell
s0366317520300169.pdf (1481 Kb) Un biomaterial vitrocerámico con composición cercana a la eutéctica del sistema seudobinario diópsido (CMS2, CaMgSi2O6) - fosfato tricálcico [C3P, Ca3(PO4)2], con una composición en masa del 61% CMS2 - 39% C3P, fue sintetizado utilizando el llamado «método petrúrgico». Se usaron 3 diferentes velocidades de enfriamiento (0.5, 1 y 2°C/h) a través de la zona de transición sólido/líquido. Los materiales sintetizados mostraron una microestructura consistente en dendritas esqueléticas primarias de la fase β-C3Pss (solución sólida de CMS2 en C3P), con una morfología peculiar similar a un peine, embebidas en una matriz constituida por la fase eutéctica laminar CMS2 - β-C3Pss. La matriz probablemente también contenía una pequeña cantidad de vidrio CaO-SiO2 segregado durante la formación de la fase β-C3Pss. La velocidad de enfriamiento utilizada a través de la zona de transición sólido/líquido afectó la microestructura y la composición de fases de los materiales sintetizados. Las dendritas de la fase primaria β-C3Pss se volvieron más pequeñas y gruesas con una velocidad de enfriamiento decreciente, mientras que el nivel de sustitución de Mg por Ca (x) disminuyó y el de Si por P (δ) aumentó en la última fase, y la relación en peso CMS2/β-C3Pss tendió a aumentar ligeramente en la matriz interdendrítica, con una velocidad de enfriamiento creciente.
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Palabras clave:Síntesis, Biomateriales, Vitrocerámicas
Synthesis and phase evolution of a glass-ceramic biomaterial with near-eutectic composition of the pseudo-binary system diopside–tricalcium phosphate
A glass-ceramic biomaterial with near-eutectic composition of the pseudo-binary system diopside (CMS2, CaMgSi2O6)–tricalcium phosphate [C3P, Ca3(PO4)2], with a weight composition of 61% CMS2–39% C3P, was synthesized by the so-called “petrurgic method”. Three different cooling rates (0.5, 1 and 2°C/h) were used through the mushy zone. The synthesized materials showed a microstructure consisting of β-C3Pss (solid solution of CMS2 in C3P) primary skeletal dendrites, with a peculiar comb-like morphology, and which were embedded in a matrix of lamellar CMS2–β-C3Pss eutectic phase. The matrix also presumably contained a small amount of CaO–SiO2 glass segregated during formation of the β-C3Pss phase. The cooling rate used through the mushy zone affected the microstructure and phase composition of the synthesized materials. The dendrites of the primary β-C3Pss phase became smaller and thicker with decreasing cooling rate, while the level of substitution of Mg for Ca (x) decreased and that of Si for P (δ) increased in the latter phase, and the CMS2/β-C3Pss weight ratio tended to increase slightly in the interdendritic matrix, with increasing cooling rate. View more
Key words:
Synthesis, Biomaterials, Glass ceramics
83-92
Jorge López-Cuevas, Claudia Magdalena López-Badillo, Juan Méndez-Nonell
La bioactividad in vitro de vitrocerámicas ligeramente hipereutécticas del sistema seudobinario diópsido (CMS2, CaMgSi2O6)–fosfato tricálcico [Ca3P, Ca3(PO4)2], se probó en un fluido fisiológico simulado (FFS) por 7 a 21 días a pH=7.3 y 36.5°C. Los materiales sintetizados por el método petrúrgico, usando velocidades de enfriamiento de 0.5, 1 y 2°C/h a través de la zona de transición sólido/líquido, presentaron una microestructura de dendritas primarias de β-C3Pss (solución sólida de CMS2 en Ca3P) en una matriz de fase eutéctica laminar de CMS2–β-C3Pss. La disolución de la matriz en el FFS creó una estructura porosa interconectada en la superficie de las muestras. Posteriormente, las dendritas primarias de β-C3Pss se convirtieron seudomórficamente en (Ca10−yMgy)(PO4)6−z(SiO4)z(OH)2−z (hidroxiapatita, HAp, co-sustituida con Mg y Si). Las cavidades creadas al disolverse la matriz se llenaron con HAp, y se formó una capa de esta misma fase sobre la superficie del material. Las velocidades de disolución de la matriz en el FFS y de precipitación de la HAp de la solución, la composición de la HAp precipitada, y el pH y la composición iónica del FFS durante las pruebas, fueron afectados por la velocidad de enfriamiento utilizada para sintetizar los materiales.
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Palabras clave:Síntesis, Biomateriales, Vitrocerámicas
The in vitro bioactivity of slightly hypereutectic glass-ceramics of the pseudo-binary system diopside (CMS2, CaMgSi2O6)–tricalcium phosphate [Ca3P, Ca3(PO4)2], was tested in a Simulated Body Fluid (SBF) from 7 to 21 days at pH=7.3 and 36.5°C. The materials were synthesized by the petrurgic method, using cooling rates of 0.5, 1 and 2°C/h through the mushy zone. Their microstructure consisted of β-C3Pss (solid solution of CMS2 in Ca3P) primary dendrites in a matrix of CMS2–β-C3Pss lamellar eutectic phase. The dissolution of the interdendritic matrix into the SBF lead to the formation of an interconnected porous structure at the surface of the samples. Subsequently, the β-C3Pss primary dendrites were pseudomorphically converted into (Ca10−yMgy)(PO4)6−z(SiO4)z(OH)2−z (Mg and Si co-substituted hydroxyapatite, HAp). The cavities left by the dissolved matrix were then filled with HAp, and a layer of this phase was formed on the surface of the material. The rate of dissolution of the material's matrix into the SBF, the rate of precipitation of HAp from the solution, the composition of the precipitated HAp, and pH and ionic composition of the SBF during the tests, were all affected by the cooling rate used to synthesize the materials. View more
Key words:
Synthesis, Biomaterials, Glass ceramics
93-108
Levent Koroglu, Ceren Peksen
Se investigó el efecto del tamaño de partícula y el contenido de fósforo en los medios de biomineralización sobre la bioactividad in vitro de polvos cerámicos a base de monticellita. El polvo cerámico a base de monticellita se sintetizó a 800°C durante 4h utilizando residuos de derivados de boro. El polvo cerámico a base de monticellita, que comprende monticellita, akermanita, diópsido, borato de calcio y magnesio y fases cristalinas de zeolita LTA se trituró, y luego se molió con bola durante un tiempo optimizado para obtener el tamaño de partícula promedio más bajo y la distribución de tamaño de partícula más estrecha. La bioactividad in vitro de obleas gruesas (d10: 0.5μm, d50: 3.0μm, d90: 42μm) y finas (d10: 0.5μm, d50: 1.4μm, d90: 4.8μm) se determinó mediante incubación en solución de Ringer lactato y plasma sanguíneo humano durante 1, 3, 5, 7, 14, 21 y 28 días a 36,5±0,5°C. Los resultados obtenidos mostraron que la capa de calcita (CaCO3) después de la inmersión en la solución de Ringer lactato y la capa de apatita similar a un hueso después de la inmersión en plasma sanguíneo humano se formaron en la superficie de obleas gruesas y finas. La presencia de fósforo en los medios de biomineralización es necesaria para la formación de apatita. El incremento de la rugosidad de la superficie favorece la nucleación homogénea y fija la cinética de nucleación y crecimiento de la precipitación. Como resultado, la característica bioactiva del polvo cerámico a base de monticellita podría estar gobernada por el tamaño de partícula.
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Palabras clave:Monticellita, Bioactividad, Tamaño de partícula, Cristalización, Residuos derivados de boro
The effect of particle size and phosphorous content in biomineralization media on in vitro bioactivity of monticellite based ceramic powders obtained from boron derivative waste
The effect of particle size and phosphorous content in biomineralization media on in vitro bioactivity of monticellite based ceramic powders was investigated. Monticellite based ceramic powder was synthesized at 800°C for 4h using boron derivative waste. Monticellite based ceramic powder, comprising monticellite, akermanite, diopside, calcium magnesium borate and zeolite LTA crystalline phases, was crushed and then ball-milled for optimized time to obtain lowest average particle size and the narrowest particle size distribution. In vitro bioactivity of both coarse (d10: 0.5μm, d50: 3.0μm, d90: 42μm) and fine (d10: 0.5μm, d50: 1.4μm, d90: 4.8μm) wafers was determined by incubation in Lactated Ringer's Solution and Human Blood Plasma for 1, 3, 5, 7, 14, 21 and 28 days at 36.5±0.5°C. The obtained results exhibited that calcite (CaCO3) layer after immersion in Lactated Ringer's Solution and bone-like apatite layer after immersion in Human Blood Plasma were formed on the surface of coarse and fine wafers. The presence of phosphorus in biomineralization media is necessary for apatite formation. The increment of surface roughness favors homogeneous nucleation, and fasten nucleation and growth kinetics of precipitation. As a result, the bioactive characteristic of monticellite based ceramic powder could be governed by the particle size. View more
Key words:
Monticellite, Bioactivity, Particle size, Crystallization, Boron derivative waste
109-118
Danny Guzmán, Gabriel Dubray, Claudio Aguilar, Paula Rojas, Alexis Guzmán, Álvaro Soliz, Rossana Sepúlveda, Rodrigo Espinoza
Este trabajo describe la molienda y subsecuente tratamiento térmico de polvos de IrO2 y Ta2O5. Los reactantes fueron molidos bajo atmósfera de Ar en un molino SPEX 8000D. Los polvos fueron caracterizados mediante difracción de rayos X, espectroscopía de energía dispersiva de rayos X y microscopia electrónica de transmisión. La estabilidad electroquímica fue evaluada mediante potencial de circuito abierto. Los resultados obtenidos mostraron que la energía mecánica transferida durante el proceso de molienda induce la reacción entre el IrO2 y Ta2O5, formando Ir metálico y una solución sólida saturada Ir(Ta)O2. Adicionalmente, se demostró que esta reacción puede ser térmicamente inducida posterior a una activación mecánica de los reactantes. La evaluación electroquímica de los polvos inmersos en una solución de H2SO4, reveló que a medida que el tiempo de molienda aumenta, el potencial de circuito abierto disminuye, hasta alcanzar el potencial presentado por el Ir puro luego de las 15h de molienda.
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Palabras clave:Síntesis mecanoquímica, Óxidos, Termogravimetría, Materiales catalíticos
Mechanochemical processing of IrO2–Ta2O5: An alternative route for synthesizing Ir and Ir(Ta)O2 solid solution
This paper describes a study exploring milling and subsequent heat treatments of pure IrO2 and Ta2O5 powders. Reactants were milled under Ar atmosphere in a SPEX 8000D mill, with structural, morphological, and compositional characterizations (during milling and after subsequent heat treatments) by X-ray diffraction, energy-dispersive spectroscopy, and transmission electron microscopy. Electrochemical stability of powders was evaluated by open circuit potential (OCP). Results showed that the mechanical energy transferred during this process induces a reaction between IrO2 and Ta2O5, forming metallic Ir and Ir(Ta)O2 saturated solid solution. The study additionally shows that this reaction can be thermally induced with previous mechanical activation of reactants. Electrochemical evaluations of milled powders immersed in H2SO4 solution revealed that OCP shifts negatively with increasing milling time, approaching that of pure Ir at 15h milling. View more
Key words:
Mechanochemical synthesis, Oxides, Thermogravimetry, Catalytic material
119-127
Alberto Gómez-Gómez, Juan José Moyano, Maria Isabel Osendi, Manuel Belmonte, Pilar Miranzo
El presente trabajo explora la mejora de la resistencia mecánica de estructuras ligeras formadas por apilamiento de rodillos de SiC puro, procesadas por impresión directa de tinta, a través de modificaciones menores del patrón de diseño. En particular, se evalúa el efecto del ángulo de apilamiento de los filamentos sobre la resistencia a la compresión y el módulo elástico de estas estructuras. Los diferentes patrones fueron diseñados manteniendo similares densidades aparentes de las estructuras, por lo tanto, las diferencias observadas en los resultados mecánicos (resistencia y módulo elástico) no son atribuibles a variaciones de densidad. Todas las estructuras se sinterizaron parcialmente para mantener una elevada porosidad. Además, se produjeron muestras de SiC macizas creadas por la superposición de filamentos utilizadas como material masivo de referencia. Curiosamente, este material muestra una porosidad esférica y ordenada, y presenta la apariencia típica de esponjas con porosidad cerrada, mostrando en consecuencia una ruta alternativa para la fabricación de este tipo de materiales celulares. Dado que la robustez de estructuras 3D se puede maximizar a través de una ligera modificación del diseño, esto permitiría alternativamente aligerar aún más las estructuras sin perjudicar su resistencia.
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Palabras clave:Impresión 3D, SiC poroso, Resistencia, Diseño de patrón 3D, Espuma con porosidad jerárquica
The effect of rod orientation on the strength of highly porous filament printed 3D SiC ceramic architectures
The present work explores the strength enhancement via minor modifications of the pattern design in pure light SiC woodpile structures created by filament printing. In particular, the effect of the filament stacking angle on both the compression resistance and the elastic modulus of these structures are evaluated. Different patterns were designed while maintaining the bulk structure density, therefore the differences in the mechanical data (strength and elastic modulus) are not attributable to density variations. All of these materials were partially sintered at intermediate temperature for additional porosity enhancement. Moreover, SiC specimens made by full filament overlapping were produced to serve as reference massive material. Remarkably, the massive SiC printed material displays ordered spherical porosity and a closed-pore foam appearance, thus revealing a novel route for producing these type of porosity. Results evidence that the structure robustness can be tuned through slight design modification, which thus offers the possibility of further structure lightening without reducing the target strength. View more
Key words:
3D printing, Porous SiC, Strength, 3D pattern design, Hierarchical porous foam
128-136
Carmen Muñoz-Ferreiro, Ana Morales-Rodríguez, Ángela Gallardo-López, Rosalía Poyato
En este trabajo, se han investigado por primera vez unos novedosos compuestos cerámicos de circona tetragonal policristalina con 3mol% de itria con nanoláminas de nitruro de boro. Tras la síntesis de las nanoláminas usando un método de exfoliación en solución y su dispersión en el polvo cerámico mediante la aplicación de ultrasonidos, se han obtenido compuestos altamente densos con 1 y 4%vol de nanoláminas mediante spark plasma sintering. Las nanoláminas presentaron una distribución homogénea en la matriz cerámica y una alineación preferencial en el plano perpendicular al eje de presión durante el spark plasma sintering. Su incorporación en la matriz cerámica no tuvo prácticamente ningún efecto sobre la dureza Vickers del material ni sobre su módulo de Young. En el compuesto con 4vol% de nanoláminas se observaron tanto anisotropía en el desarrollo de las fisuras como un mecanismo de microfisuración extensiva. Mediante una observación minuciosa de las grietas inducidas por indentación se han identificado diferentes mecanismos de absorción de energía durante la propagación de las fisuras, tales como desviación, puenteo o ramificación de fisuras y arranque o decohesión de nanoláminas.
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Palabras clave:Nanoláminas de nitruro de boro, Circona, Materiales compuestos, Propiedades mecánicas
A first insight into the microstructure and crack propagation in novel boron nitride nanosheet/3YTZP composites
In this work, novel 3mol% yttria tetragonal zirconia polycristalline (3YTZP) ceramic composites with boron nitride nanosheets (BNNS) are investigated for the first time. Highly densified composites with 1 and 4vol% BNNS were obtained by spark plasma sintering (SPS) after BNNS synthesis using a solution exfoliation method and BNNS dispersion into the ceramic powder by ultrasonication. The BNNS presented homogeneous distribution throughout the ceramic matrix and preferential alignment in the plane perpendicular to the pressing axis during SPS. The BNNS incorporation had practically no effect on the Vickers hardness of the material nor on the Young's modulus. Anisotropy in crack development was found in the composite with 4%vol BNNS, together with a mechanism of extensive microcracking. Several energy-absorbing mechanisms during crack propagation, such as crack deflection, crack bridging, crack branching, BNNS pull-out and BNNS debonding, were identified in the composites by a close observation of the indentation-induced fracture paths. View more
Key words:
BN nanosheets, 3YTZP, Composite materials, Mechanical properties
2-12
Genesis de O. Lima, Thaylan P. Araújo, José Renato de O. Lima, Gilza Maria P. Prazeres, Carlos William A. Paschoal, Elson Longod, Auro A. Tanaka, Adeilton P. Maciel, Diego A.B. Barbosa, Marcio Aurélio P. Almeida
Using a microwave-assisted hydrothermal method, we synthesized BiOBr powders, with and without, glycine or phenylalanine as templates. The samples were characterized by X-ray Diffraction, UV–Vis Diffuse Reflectance Spectroscopy, and Field Emission Gun Scanning Electron Microscopy. The XRD patterns were indexed to the tetragonal structure and presented very different intensities from each other, which is consistent with changes in the structural organization. The FEG-SEM images showed morphology alterations, from nanoplates for unmodified BiOBr to nanolamellae for BiOBr with phenylalanine (BOB-phe). The catalytic activity of BOB-phe degraded 98% of Rhodamine B dye in approximately 20min, while the other BiOBr compounds presented slower degradation kinetics, which could be explained by a higher amount of active sites on BOB-phe surface.
Key words:Bismuth oxyhalide Photocatalysis Amino acid
Ruta asistida por biomolécula para obtener oxibromuro de bismuto nanoestructurado con actividad fotocatalítica mejorada
Utilizando un método hidrotermal asistido por microondas, sintetizamos los polvos de BiOBr, con y sin, glicina o fenilalanina como plantillas. Las muestras se caracterizaron por difracción de rayos X, espectroscopía de reflectancia difusa UV-Vis y microscopía electrónica de barrido con pistola de emisión de campo. Los patrones XRD se indexaron a la estructura tetragonal y presentaron intensidades muy diferentes entre sí, lo que es consistente con los cambios en la organización estructural. Las imágenes de FEG-SEM mostraron alteraciones de la morfología, desde nanoplacas para BiOBr no modificado hasta nanolamelas para BiOBr con fenilalanina (BOB-phe). La actividad catalítica de BOB-phe degradó el 98% del colorante de rodamina B en aproximadamente 20 minutos, mientras que los otros compuestos de BiOBr presentaron una cinética de degradación más lenta, lo que podría explicarse por una mayor cantidad de sitios activos en la superficie de BOB-phe.
Palabras clave:
Oxihaluro de bismuto Fotocatálisis Aminoácidos
13-28
Noureddine Bjaoui, Nasr Sdiri, Manuel Almaida Valente, Karima Horchani-Naifer, Mokhtar Férid
88P2O5–xFe2O3–2CoO–(10−x)K2O glasses from x=0.0 to x=0.5 were prepared at 850°C using melt quenching technique.
These glass systems were characterized by using X-ray diffraction, differential scanning calorimetry (DSC), magnetic measurements, Raman spectroscopy, Archimedes methods, Brewster spectrometer, UV–vis spectrophotometer and impedance spectroscopy. X-ray diffraction revealed that these glass systems have amorphous structure. DSC has showed that the thermal stability of the glass samples increased with the rate of iron. Raman spectra showed the presence of the P–O–Fe group which increases the rigidity of the glass samples. The density of our compounds increased with the increase of the amount of iron oxide.
Magnetic measurements at 5K using vibrating sample magnetometer technique show antiferromagnetic behavior of these system glasses.
According to the results of the optical absorption spectra, the values of the gap energy and Urbach energy decreased and the refractive index of the glass increased with the increase of the mole of Fe2O3. Brewster spectrophotometer has showed an optical index (n>1.5). On other hand, the chromatic coordinates of all samples to the area of blue–purple light emission.
Electrical properties were studied using the technique of impedance alternative spectroscopy over a temperature range 423–623K in the frequency range of 40Hz–13MHz; conductivity under variable regime σac follows Jonscher's law. The conductivity σdc follows the Arrhenius law with an activation energy value too low (≈0.3eV) and decreased with the rate of iron, indicating polaronic conduction.
The dielectric study showed high values of dielectric constant at low frequency with low loss at high frequency. The modulus revealed dipolar relaxations.
Key words:Glasses Calorimetry Hysteresis Gap energy Impedance spectroscopy Modulus
Efectos de la sustitución de Fe2O3 por K2O en las propiedades físicas de los vidrios 88P2O5–xFe2O3–2CoO–(10−x)K2O
Se prepararon vidrios 88P2O5–xFe2O3–2CoO–(10−x)K2O de x=0,0 a x=0,5 a 850°C con la técnica de enfriamiento rápido (melt quenching).
Estos sistemas vítreos se caracterizaron por el uso de difracción de rayos X, calorimetría diferencial de barrido (DSC), mediciones magnéticas, espectroscopia Raman, métodos de Arquímedes, espectrómetro Brewster, espectrofotómetro UV-Vis y espectroscopia de impedancia. La difracción de rayos X reveló que estos sistemas vítreos tienen una estructura amorfa. La DSC ha demostrado que la estabilidad térmica de las muestras de vidrio aumentó con la tasa de hierro. Los espectros Raman mostraron la existencia del grupo PO-Fe que incrementa la rigidez de las muestras de vidrio. La densidad de nuestros compuestos se incrementó con el aumento de la cantidad de óxido de hierro.
Las mediciones magnéticas a 5K utilizando la técnica del magnetómetro de muestra vibracional muestran el comportamiento antiferromagnético de estos vidrios del sistema.
De acuerdo con los resultados de los espectros de absorción óptica, los valores de la energía del intervalo y la energía de Urbach disminuyeron, y el índice de refracción del vidrio aumentó con el aumento del mol de Fe2O3. El espectrofotómetro Brewster ha mostrado un índice óptico (n>1,5). En cambio, las coordenadas cromáticas de todas las muestras al área de emisión de luz azul-púrpura.
Las propiedades eléctricas se estudiaron utilizando la técnica de espectroscopia alternativa de impedancia en un rango de temperatura de 423-623K en el rango de frecuencia de 40Hz-13MHz; la conductividad por el régimen variable σ AC sigue la ley de Jonscher. La conductividad σdc sigue la ley de Arrhenius con un valor de energía de activación demasiado bajo (≈0,3eV) y disminuía con la tasa de hierro, lo que indica conducción polarónica.
El estudio dieléctrico mostró valores altos de constante dieléctrica a baja frecuencia con baja pérdida a alta frecuencia. El módulo reveló relajaciones dipolares.
Palabras clave:
Vidrios Calorimetría Histéresis Energía del intervalo Espectroscopia de impedancia Módulo
29-40
Roberto Nisticò
In the last decades, magnetic ceramics are very appealing materials that find applications in several technologic fields. Among these, iron oxides nanoparticles are the main relevant ones due to their low-cost as naturally occurring substrates. However, depending on the application, it can be necessary to induce a specific shape and size control over the final morphology, and consequently a proper synthetic route becomes mandatory. Hence, this document provides a summary of the main relevant chemical, physical, thermal, and biological methods to induce a certain degree of morphological control in iron oxides. The main focus of this document relies on highlighting the principal guidelines, unveiling both advantages and disadvantages of each method in terms of morphology control in the resulting products. Lastly, a particular emphasis has been dedicated toward the industrial feasibility of all processes here discussed.
Key words:Ceramic materials Iron oxides Magnetic materials Magnetism Nanoparticles Synthesis
Una guía sintética hacia la producción a medida de nanopartículas magnéticas de óxidos de hierro
En las últimas décadas, la cerámica magnética es un material muy atractivo que encuentra aplicaciones en varios campos tecnológicos. Entre estos, las nanopartículas de óxidos de hierro son las principales por su bajo costo como sustratos naturales. Pero, dependiendo de la aplicación, puede ser necesario inducir un control de forma y tamaño específico sobre la morfología final y, por lo tanto, una ruta sintética adecuada se vuelve obligatoria. Por esta razón, este documento ofrece un resumen de los principales métodos químicos, físicos, térmicos y biológicos relevantes para inducir un cierto grado de control morfológico en los óxidos de hierro. El objetivo principal de este documento se basa en resaltar las principales directrices, revelando las ventajas y desventajas de cada método en términos de control de la morfología en los productos resultantes. Por último, se ha dedicado un énfasis particular a la viabilidad industrial de todos los procesos aquí discutidos.
Palabras clave:
Materiales cerámicos Óxidos de hierro Materiales magnéticos Magnetismo Nanopartículas Síntesis
41-52
Eduardo Tabares, Antonia Jiménez-Morales, Sophia Alexandra Tsipas
MAX phases exhibit excellent combination of ceramic and metallic-like properties. In this work, MAX phase Ti3SiC2 powder was synthesized starting-off with different combinations of elemental powders and carbides. The powders used were Ti, Si, C, SiC and TiC in different combinations, molar ratios and powder size. Powders were heat treated on a vacuum furnace for different times and temperatures for in situ production of the Ti3SiC2 MAX phase. High purity synthesized samples were analyzed by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) in order to identify and quantify the different phase constituents present. The main phase constituents in the powders produced were Ti3SiC2 and TiSi2. Up to 94% of Ti3SiC2 MAX phase was obtained using Ti:SiC:C as starting powders in a molar ratio of 3:1.5:0.5. Different phase constitution was observed on the surface and the centre of the samples. An optimal starting powder composition, molar ratio, heat treatment temperature and time is proposed for the formation of high purity Ti3SiC2 MAX phase. Selected mixture was studied thermodynamically and a reaction mechanism of formation of the MAX phase is proposed.
Key words:MAX phase synthesis Ti3SiC2 Powder metallurgy
Estudio de la síntesis de polvos de la fase MAX Ti3SiC2 por sinterización sin presión
Las fases MAX presentan una excelente combinación de propiedades cerámicas y metálicas. En este trabajo se sintetizaron polvos de fase MAX Ti3SiC2 a partir de diferentes combinaciones de polvos elementales y carburos. Los polvos utilizados fueron Ti, Si, C, SiC y TiC en diferentes combinaciones, proporciones molares y tamaño de partícula. Los polvos se sinterizaron en un horno de vacío a diferentes tiempos y temperaturas para la producción in situ de la fase MAX Ti3SiC2. Las muestras sintetizadas de alta pureza se analizaron mediante difracción de rayosX (XRD) y microscopía electrónica de barrido (SEM) para identificar y cuantificar las diferentes fases constituyentes presentes. Las principales fases constituyentes en los polvos producidos fueron de Ti3SiC2 y TiSi2. Se obtuvo hasta un 94% de fase MAX Ti3SiC2 utilizando como polvos de partida Ti:SiC:C en una proporción molar de 3:1,5:0,5. Se observó diferente formación de fase en la superficie y en el centro de las muestras. Finalmente, se propone una composición óptima de polvo de partida, relación molar, temperatura de sinterización y tiempo para la formación de la fase MAX de Ti3SiC2 de alta pureza. La mezcla seleccionada se estudió termodinámicamente y se propone un mecanismo de reacción para la formación de la fase MAX.
Palabras clave:
Síntesis de fases MAX Ti3SiC2 Pulvimetalurgia
53-61
M.-J. Sánchez-Rivera, M.J. Orts, V. Pérez-Herranz, S. Mestre
Aluminum-doped zinc oxide (AZO) electrodes can be a good alternative to replace the expensive electrodes (Ti, ITO, FTO, etc.), which are used in the electrooxidation process to remove refractory and emergent contaminants from industrial wastewaters. AZO electrodes have been prepared by the traditional ceramic method using ZnO as the main raw material and different precursors of Al2O3 as dopant sources. Densification, microstructure and electric resistivity of AZO electrodes are a function of precursor's nature and sintering thermal treatment. The higher the number of precursor's particles and the smaller their size, the sintering temperature needed to attain high densifications and low resistivities shifted to higher values. Micrometric and colloidal alumina were the precursors which allowed to equilibrate an affordable sintering temperature interval (1200–1300°C) with acceptable densification and resistivity values (around 95% and 5×10−3Ωcm, respectively). However, colloidal alumina made it possible to obtain slightly lower values of resistivity at the cost of having a narrower working interval.
Key words:Sintering Microstructure Electrical conductivity ZnO
Efecto del tipo y cantidad de alúmina como dopante sobre la densificación y las propiedades eléctricas de electrodos cerámicos de óxido de zinc
En este trabajo de investigación se presentan electrodos cerámicos de óxido de zinc dopado con aluminio (AZO) como alternativa a los actuales electrodos de titanio (ITO, FTO…) utilizados en el proceso de electrooxidación de aguas residuales para la eliminación de contaminantes refractarios y emergentes. Estos electrodos AZO han sido preparados mediante el método tradicional cerámico, utilizando ZnO como materia prima principal y diferentes precursores de Al2O3 como dopantes. La densificación, la microestructura y la resistividad eléctrica de estos electrodos son propiedades que están directamente relacionadas con la naturaleza del precursor y con el tratamiento térmico utilizado para su sinterización. Cuanto mayor es el número de partículas del precursor y menor es su tamaño, la temperatura de sinterización necesaria para lograr altas densificaciones y bajas resistividades cambia a valores más altos. Fueron la alúmina micrométrica y la coloidal los dopantes que ofrecieron un buen equilibrio entre temperatura de sinterización (1.200–1.300°C) y densificación-resistividad (95% y 5·10−3Ωcm, respectivamente). Concretamente en el caso de la alúmina coloidal, se pudieron optimizar estos resultados estrechando el intervalo de temperatura de trabajo.
Palabras clave:
Sinterización Microestructura Conductividad eléctrica ZnO
62-72
Abdellah Mourak, Mohamed Hajjaji, Abdelhakim Alagui
The co-presence of geopolymers and cellulose in clay-based materials could improve their performances. Thus, cured NaOH-activated heated clay-cellulose (up to 10 mass%) composites were prepared, and their microstructural characteristics were investigated. Moreover, the effect of waste glass addition on the composites characteristics was evaluated. The results showed that zeolite (chabazite) and sodium carbonate were formed from metakaolin and by carbonation respectively, and the zeolization process slowed down after 5 days of curing because of ions immobilization. The coating of metakaolin particles by the amorphous cellulose II-Na formed reduced drastically the formation of zeolite. The presence of cellulose II-Na resulted in the porosity decrease, and consequently the mechanical strength and density enhanced. The results also showed that the kinetics of water absorption by the composites followed the pseudo-first order equation, and the rate constant was found to be 4.3×10−3s−1. Moreover, the reinforcing effect of the cellulose fibbers was annihilated by the formation of glass derivatives.
Key words:Geopolymer Heated clay Cellulose Alkaline activation Microstructure Performances
Compuestos de arcilla-celulosa calentados activados por álcali: microestructura, efecto de la adición de vidrio y actuaciones
La co-presencia de geopolímeros y celulosa en materiales a base de arcilla podría mejorar sus rendimientos. De este modo, se prepararon compuestos de arcilla-celulosa calentada activados con NaOH (hasta un 10% en masa) y se investigaron sus características microestructurales. Además, se evaluó el efecto de la adición de residuos de vidrio sobre las características de los composites. Los resultados mostraron que la zeolita (chabasita) y el carbonato de sodio se formaron a partir de metacaolín y por carbonación, respectivamente, y el proceso de zeolización se ralentizó después de 5 días de curado debido a la inmovilización de iones. El recubrimiento de partículas de metacaolín por la celulosa amorfa II-Na formada redujo drásticamente la formación de zeolita. La presencia de celulosa II-Na resultó en la disminución de la porosidad y, en consecuencia, la resistencia mecánica y la densidad aumentaron. Los resultados también mostraron que la cinética de la absorción de agua por los compuestos siguió la ecuación de pseudo primer orden, y se encontró que la constante de velocidad era 4,3×10−3s−1. Además, el efecto de refuerzo de las fibras de celulosa fue aniquilado por la formación de derivados de vidrio.
Palabras clave:
Geopolímeros Arcilla calentada Celulosa Activación alcalina Microestructura Rendimiento
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