Circona estabilizada con Itria: Obtención y Caracterización - Villavieja-Urzainqui, Ángel Javier (Servicio de Publicaciones y Divulgación Científica, 2015)
El óxido de Zirconio o Circona es una de las cerámicas de mayor interés tecnológico en la actualidad debido a sus múltiples propiedades, y como consecuencia de ello se utiliza en un amplio abanico de aplicaciones. A tal efecto, los dispositivos en los que se ha seleccionado este material para su uso requieren que sus procesos de fabricación y obtención sean lo más estables y fiables posibles para ofrecer una buena calidad final del producto, así como poder ser manufacturados de un modo optimizado en cuanto a la tecnología y los costes de fabricación se refiere. La estabilización de la Circona proporciona unas características únicas que hacen de este material el más utilizado en una serie de aplicaciones muy concretas como son las de electrolito en pilas de combustible, como sensores de oxígeno y como barrera térmica. Uno de los estabilizadores de mayor utilización es el óxido de itrio o Itria. Entre las propiedades más notables de este material está su alta conductividad iónica, que le confiere un alto grado de interés tecnológico a la Circona estabilizada con Itria, o YSZ, como pueden ser en los ya reseñados electrodos de pilas de combustible (SOFC) y en los sensores de Oxígeno, y también como material refractario o como capa protectora de metales frente a la abrasión y desgaste, especialmente a altas temperaturas por su bajo coeficiente de conductividad térmica y un coeficiente de expansión térmica del mismo orden al de los aceros. A día de hoy es patente el gran número de líneas de investigación respecto a este material, tanto en materia de caracterización de sus propiedades como en aplicaciones de muy diversa índole, lo que indica sin lugar a dudas la importancia que tiene en el ámbito científico e ingenieril y la motivación que este material genera en la comunidad científica. El diseño de un proceso de obtención de piezas de este material así como su caracterización puede permitir abrir nuevos caminos en relación con los procesos de fabricación y con la calidad obtenida. La finalidad de este trabajo consiste en definir un proceso de obtención de la Circona estabilizada con Itria YSZ extrapolable a escala industrial para la fabricación de este tipo de materiales de un modo razonable en cuanto a tecnología y costes de proceso. Para poder alcanzar este objetivo, la definición del proceso debe llevar implícita la caracterización del material con el proceso de obtención empleado, de manera que los parámetros de cada proceso de fabricación den como resultado una Circona YSZ de altas prestaciones. Para poder conseguir estos objetivos, el trabajo que aquí se documenta necesita de una base teórica así como de una parte experimental. A tal efecto, se describen las propiedades y el comportamiento del material, definiendo el estado del arte en el campo de investigación llevado a cabo. Además de lo anterior, ha sido necesario el diseño de un proceso de fabricación y obtención de piezas de este material, para el cual se ejecutaron diferentes secuencias y parámetros de obtención hasta depurar un proceso de obtención del material que es el que se describe en el texto. Se describe todo el proceso experimental de obtención además de una descripción detallada del método de preparación, y se han relacionado las técnicas que se van a usar para caracterizar el material. La justificación de que el proceso definido es el adecuado para obtener las propiedades requeridas queda reflejada en este trabajo y se muestran los resultados de la caracterización del material. La caracterización que aquí se describe incluye el cálculo de la densidad de las pastillas, un análisis morfológico de las mismas, el cálculo del tamaño de grano medio de cada tipo de pastilla y un análisis topográfico de la superficie así como la caracterización de los bordes de grano. También se ha realizado un análisis químico de composición y distribución de los elementos en el material, así como lo relativo a precipitados y segregaciones. Finalmente, se ha ejecutado el estudio de las fases presentes y las características estructurales de ellas. Por último, se analizan y discuten los resultados obtenidos y se comparan con el estado del arte, para lo cual se realiza dicha discusión y se justifica la bondad del diseño del proceso de obtención aquí documentado. Del mismo modo, este trabajo abre la posibilidad de realizar nuevas investigaciones sobre este material y sobre los procesos de fabricación utilizados, para lo cual se recogen las conclusiones más importantes de este trabajo y se perfilan las nuevas líneas de investigación que se puedan llevar a cabo en un futuro próximo como continuación de éste.
Keywords: Cerámica; Obtención; Segregación; Tesis doctoral; Circona; YSZ; SOFC