1 20 3 https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20786/Ingenierias_2014_Ano_17_No_63_Abril-Junio.pdf bdaf46620cb96e84521bc2fe3e7c3f4a PDF Text Text �Contenido Abril-Junio de 2014, Año XVII, No. 63 63 2 Directorio 3 Editorial Retos actuales de la enseñanza de la ingeniería Rogelio G. Garza Rivera 6 Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas de nanopartículas de sulfuro de plomo (PbS) Diana Fabiola García Gutierrez, Denysse González Ovalle, Laura Patricia Hernández Casillas, Fernando Fungo, Domingo Ixcóatl García Gutiérrez 17 Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas Karina Araceli Cabriales Gómez, Juan Antonio Aguilar Garib 31 Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro Taylor-LQG-Fourier Luis Fernando Sánchez-Gómez, José Antonio De la O Serna 45 Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías Francisco Eugenio López Guerrero, Pedro Nicolás Garza Patrón, Francisco Ramírez Cruz, Javier De la Garza Salinas 58 Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino Bruno Cisneros Damm, Alberto Pérez Unzueta 65 Eventos y reconocimientos 67 Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL 71 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 73 Acuse de recibo 74 Colaboradores 77 Información para colaboradores Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 1 �Ingenierías, Año XVII, N° 63, abril-junio 2014. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Telefono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de abril de 2014. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2014 revistaingenierias@uanl.mx DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA M.C. Esteban Báez Villarreal Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable Lic. Julio César Méndez Cavazos Redacción Gregoria Torres Garay M.C. Jesús G. Puente Córdova Hector Javier Velez Verduzco Tipografía y formación Dr. César Guerra Torres Indización M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Jesús E. Escamilla Isla Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Ing. Dagoberto Salas Zendejo Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Prof. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Samir Nagi Yousri Gerges, Brasil. UFSC, Florianopolis / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO M.C. Fernando Javier Elizondo Garza, FIME-UANL / Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Moisés Hinojosa Rivera, FIME-UANL / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FCQ-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dr. Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Azael Martínez De la Cruz, FIME-UANL / Dr. Enrique López Cuellar, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH 2 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 �Editorial: Retos actuales de la enseñanza de la ingeniería Rogelio G. Garza Rivera Secretario General de la UANL Rogelio.Garza@uanl.mx Curiosos por naturaleza, los ingenieros poseemos una fuerte capacidad analítica, somos adaptables a los cambios tecnológicos y a las necesidades socioculturales y contamos con una capacidad creativa que nos impulsa a innovar y buscar métodos más eficientes para hacer las cosas. Todo ingeniero es en esencia un humanista práctico, que retroalimenta continuamente su espíritu con los dictados de la realidad científica. Si bien las aportaciones de la ingeniería a la humanidad han sido muchas a lo largo de la historia, fue en el transcurso del siglo XX cuando la ciencia y la tecnología ingenieril detonaron aportaciones trascendentes que incrementaron la calidad de vida del género humano. En ese siglo se impulsaron áreas como: petroquímica, electrónica, transporte, medicina, potabilización del agua, agroindustria y en especial la tecnología de la información y las telecomunicaciones. La ingeniería contribuyó notablemente en el desarrollo de la aeronáutica y la carrera espacial, con efectos multiplicadores en la diversificación e introducción de nuevos materiales y procesos aplicados en las áreas de la salud y comunicación, entre otras. En pleno siglo XXI, la ingeniería enfrenta nuevos retos derivados del empuje de innovaciones difícilmente imaginables en el pasado reciente: la nanotecnología, la mecatrónica, la robótica, el desarrollo de software seguro y fiable, la transmisión inalámbricas de energía, el aprovechamiento de energías no contaminantes, el tratamiento de residuos no biodegradables, la agroindustria protegida, y la producción y procesamiento de alimentos, por citar algunos. La ciencia y la técnica del siglo XXI demandan, cada vez más, la implementación de sistemas de ingeniería con dispositivos y mecanismos especializados e integrados. Un ejemplo lo constituye la introducción de la mecatrónica en el ámbito del transporte que, además de garantizar el correcto funcionamiento del motor de un vehículo, puede integrar la programación y funcionalidad óptima de los computadores que regulan la ignición, airbag, refrigeración y sistemas eléctricos del automóvil de tal manera que mejoran su seguridad, eficiencia y confort. Con la sinergia de la globalización y el libre comercio internacional, se demandan transformaciones que ponen mayor énfasis en la competitividad más que en la productividad. La estrategia de ventajas competitivas, deberá identificar nuevas demandas de mercado para enfrentar el reto de elaborar productos complejos y especializados por medio de clusters y agregarles valor. Además, debe estar siempre presente la importancia de interrelacionarse con el ordenamiento territorial y la educación ambiental para lograr un auténtico desarrollo sustentable con un manejo integral de los recursos. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 3 �Retos actuales de la ensañanza de la ingeniería / Rogelio G. Garza Rivera. Bajo estas circunstancias, es apremiante seguir fortaleciendo el modelo de la triple hélice mediante la generación de alianzas estratégicas tanto entre las empresas que realizan las distintas etapas de la cadena productiva, como con otros actores sociales, entre los que figuran los distintos niveles del gobierno y las universidades. En este sentido, el rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), Dr. Jesús Áncer Rodríguez, consciente de los desafíos que para la educación pública implica el contexto descrito y de los retos derivados de las reformas económica, financiera y energética promovidas por el Gobierno Federal, ha impulsado la elaboración e instrumentación de un Plan Maestro de Reconversión Educativa (PMRE) enmarcado en la Visión 2020 de la UANL y en su Plan de Desarrollo Institucional, 2012-2020. Asimismo, el Modelo Educativo de la Universidad contempla la actualización de las competencias del estudiante por que lo que en el PMRE se estructura, como respuesta a las reformas, un programa de reconversión de profesionistas basado en diplomados, cursos de actualización, licenciatura y programas de posgrado. En este plan también se definen las estrategias, acciones y programas pertinentes para generar una oferta educativa actualizada, aumentar el capital humano, construir alianzas con la empresa, el gobierno y la sociedad civil e impulsar la movilidad internacional de sus académicos y estudiantes. En especial, para la generación e innovación del conocimiento en el sector energético, la Universidad ha impulsado a los cuerpos académicos que desarrollan líneas de investigación en hidrocarburos, procesos de producción de energías limpias, sustentabilidad y economía internacional, entre otras. Así, a esta fecha, se ofrecen bachilleratos técnicos, licenciaturas y posgrados enfocados al desempeño en el sector energético, muchos de ellos acreditados por organismos internacionales, ya que cuenta con laboratorios de vanguardia especializados en energía y sustentabilidad. La reforma energética conlleva la necesidad de contar también con profesionales del derecho que conozcan el marco legal y normativo de la materia, así como las prácticas y gestiones de los procesos interno y externo de producción, distribución y comercialización del sector energético. Por ello, es destacable que se haya aprobado la creación de la Maestría en Derecho Energético y Sustentabilidad que ofrecerá la Facultad de Derecho y Criminología y que tiene como objetivo formar, con una educación integral, recursos humanos competitivos para ejercer en esa rama del derecho así como desarrollar y generar conocimiento. En particular la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME), de la UANL, está llamada a ser protagonista en esta reconversión académica, y alinea sus procesos de enseñanza, aprendizaje e investigación, con las capacidades y habilidades científicas, tecnológicas y de innovación requeridas. Como parte de la estrategia del director entrante de la FIME, Ing. Jaime Castillo Elizondo, la Facultad fortalecerá los convenios de vinculación y los proyectos de investigación, alineándolos con la política nacional de desarrollo industrial y con el desarrollo de los sectores productivos. En este sentido, se aprovecharán las oportunidades que brinda la Reforma Energética relacionadas con la internacionalización, la innovación tecnológica y la competencia, para contribuir al logro de sus beneficios sociales; entre otros, la mayor producción 4 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 �Retos actuales de la enseñanza de la ingeniería / Rogelio G. Garza Rivera. de hidrocarburos y sus derivados, disminución de costos en electricidad y gas, sustentabilidad ambiental y un mayor número de empleos. Como se ha hecho a lo largo de más de seis décadas, la FIME trabajará para que la calidad y el talento de los investigadores e ingenieros mexicanos sean reconocidos y valorados en el ámbito internacional para reducir constantemente la brecha tecnológica con el extranjero. Por otra parte, estamos seguros que el concepto de “Ingeniería Verde” cobrará importancia como marco de referencia para que las nuevas aplicaciones y propuestas de materiales, productos, procesos y sistemas que generen nuestros estudiantes e investigadores sean eficientes y amigables con el ambiente y la salud, al tiempo que permitan mejorar el estilo de vida de las personas. En un contexto global, la actualización profesional, la experiencia progresiva, la evaluación y la certificación del profesionista son parte de una nueva cultura que repercutirá en el aumento de la calidad del ejercicio profesional. Ello mantendrá vigente la posibilidad de crear sinergias y sostener una competencia justa con escuelas de ingeniería nacionales y del extranjero. Asumiremos nuestra responsabilidad de formar ingenieros con capacidad creadora y de innovación que nos permitan pasar de lo “hecho en México” a lo “creado en México”. Como antaño se sorprendió al mundo con nuestros recursos naturales de exportación, ahora afrontamos nuestro reto a futuro: exportar conocimiento. FIME es un importante pilar de la UANL, y es reconocida en el país y el extranjero como institución de calidad académica y humana, cuyos programas satisfacen los requerimientos y necesidades del estudiantado y de la industria. Entre los 600 maestros que conforman nuestra planta docente, se encuentran distinguidos profesionistas con perfil PROMEP, y adscritos al Sistema Nacional de Investigadores, muchos de ellos tienen reconocimientos, premios y certificaciones diversas. Con base en una filosofía de unidad, innovación y calidad, se ha logrado el cumplimiento de ambiciosas metas y objetivos que han permitido pasar de ser una escuela grande, a una gran escuela, consolidando su liderazgo entre las facultades de ingeniería del país. Ser una escuela de ingeniería de primer nivel en el contexto nacional ha costado mucho esfuerzo. Mantenerse a la vanguardia en un escenario de competitividad creciente representa un reto para todos nosotros, en particular para la planta académica y el cuerpo de investigación. Nuestro compromiso es asegurar una enseñanza con estándares internacionales, que impulse al estudiante a la superación integral, y de esta forma aportar a la sociedad mejores profesionistas y mejores seres humanos, con valores y responsabilidad social transformadora. A mayores retos, mayores oportunidades, y en la UANL estamos preparados para aprovecharlas. Tenemos el potencial para formar profesionistas humanistas y prácticos, con capacidades para innovar y aportar soluciones que vayan más allá del conocimiento actual que permitan realizar el ideal del desarrollo sustentable: la prosperidad de las nuevas generaciones. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 5 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas de nanopartículas de sulfuro de plomo (PbS) Diana Fabiola García GutiérrezA,B, Denysse González OvalleA,B, Laura Patricia Hernández CasillasA,B, Fernando FungoC, Domingo Ixcóatl García GutiérrezA,B Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME CIIDIT-UANL C Departamento de Química, Universidad Nacional de Río Cuarto, Argentina domingo.garciagt@uanl.edu.mx A B RESUMEN El sulfuro de plomo (PbS) es un material semiconductor que, en escala nanométrica, exhibe efectos de confinamiento cuántico, lo que permite que se pueda utilizar para la fabricación de dispositivos fotovoltaicos, optoelectrónicos e imagen biológica. La síntesis química de este material utilizando como precursor al oleato de plomo resulta muy favorable para la obtención de nanopartículas bien estabilizadas, de morfologías y tamaños homogéneos. Sin embargo, el ácido oleico también afecta de manera negativa las propiedades ópticas y eléctricas de las nanopartículas. Como una alternativa ante este problema, se sintetizaron nanopartículas de PbS utilizando diferentes ácidos carboxílicos como agente protector, ácidos carboxílicos de cadena más corta que la del ácido oleico, para evaluar el cambio en las características de las nanopartículas, así como en sus propiedades ópticas y eléctricas. PALABRAS CLAVE Nanopartículas, PbS, ácidos carboxílicos, semiconductores. ABSTRACT Lead sulfide (PbS) is a semiconductor material that, in nanometric scale, shows quantum confinement effects, what makes it attractive for photovoltaic, optoelectronics and biological imaging applications. Chemical synthesis of this material using lead oleate as precursor is one of the best ways to obtain well stabilized nanoparticles of a remarkable quality regarding their size, morphology and size dispersion. Nonetheless, oleic acid also affects negatively the optical an electrical properties of the nanoparticles. In order to address this problem, PbS nanoparticles were synthesized using shorter chain carboxylic acids than oleic acid chain, to evaluate their effect on the characteristics of the nanoparticles, as well as on their electrical and optical properties. KEYWORDS Nanoparticles, PbS, Carboxylic Acids, semiconductors. 6 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. INTRODUCCIÓN Los calcogenuros de plomo (PbS, PbSe, PbTe) son semiconductores del grupo IV-VI que desde hace décadas son utilizados para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos que operan en longitudes de onda correspondientes al mediano infrarrojo y mayores (≈3000-14000 nm). 1 Sin embargo, su verdadero auge se inicia alrededor de 1982 cuando algunos grupos de investigadores como Efros et al. (1982)2, Ekimov et. al. (1985)3 y Brus et al. (1984)4 empezaron a sintetizar estos calcogenuros en escala nanométrica, dando paso al estudio de los efectos de confinamiento cuántico en éstos sistemas. Tales efectos solo son posibles de observar al reducir el tamaño de partícula del material, de tal manera que el diámetro de la partícula sea menor al radio de excitón de Bohr, y los calcogenuros de plomo son de los materiales semiconductores que presentan radios de excitón de Bohr de mayor valor (PbS de 18 nm, PbSe 46 nm y PbTe de 152 nm). Una de las consecuencias de estos efectos cuánticos de confinamiento es que el rango de longitud de onda para la aplicación de estos materiales se desplaza hacia la zona visible-infrarrojo cercano del espectro electromagnético,5 y otra no menos importante, es la generación de multiexcitones, que para los sistemas PbS y PbSe se han reportado la generación de 5 y 7 excitones, respectivamente, a partir de un fotón incidente (Schaller et al. 2006).6 Estudios como el de Schaller y colaboradores abren una ventana para el uso de estos materiales como potenciales candidatos para la fabricación de dispositivos fotovoltaicos. El sulfuro de plomo (PbS), con un band gap directo de 0.41 eV y con estructura cristalina FCC, igual que el PbSe y PbTe, se ha sintetizado a nivel de nanoestructura por diferentes rutas de síntesis y se han obtenido diferentes morfologías, dependiendo de la ruta de síntesis y de los precursores utilizados; por ejemplo, Sang-Min Lee et al. (2002) 7 sintetizaron diferentes nanoestructuras de PbS (estrellas, cubos, octaedros) a partir de la descomposición térmica de Pb(S2CNEt2)2 en fenil éter a diferentes temperaturas (140ºC a 250ºC), utilizando como agente estabilizante dodecanotiol. En 2007 Mandeep et al.8 sintetizaron diferentes estructuras de PbS en fase acuosa, utilizando un compuesto orgánico de azufre (tioacetamida) y acetato de plomo como precursores, dado que el PbS es insoluble en agua, Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 utilizaron surfactantes de doble cadena, logrando así la síntesis de nano y micro cristales solubles en agua, abriendo la posibilidad del uso de este material en aplicaciones biotecnológicas. La síntesis más común y la que provee las condiciones más favorables para formación de nanopartículas de PbS, PbTe y PbSe, bien estabilizadas, es la que involucra el uso de ácido oleico y óxido de plomo 9-12 como fuente para la formación del precursor de plomo, a su vez el ácido oleico juega el rol de agente protector y estabilizante por su gran afinidad al plomo, que como ya se ha estudiado para otros sistemas de calcogenuros de plomo, éste queda en la parte externa de la nanopartícula.11 Sin embargo, el ácido oleico es un ácido carboxílico con una cadena de dieciocho átomos de C, el cual a su vez aísla a la nanopartícula y no permite que las propiedades optoelectrónicas en general de las nanopartículas de calcogenuros de plomo sean explotadas al máximo. Como una solución alternativa a este problema, se ha empleado el uso de tioles post-síntesis para eliminar el ácido oleico que queda alrededor de la nanopartícula y reemplazarlo por los grupos tioles.9,13,14 Javeed Akhtar et al.15 sinetizaron nanopartículas de PbS sustituyendo el ácido oleico por aceite de oliva, sin Fig. 1. Representación esquemática de los diferentes ácidos carboxílicos utilizados para la síntesis de nanopartículas de PbS. 7 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. embargo aunque éste sea amigable con el medio ambiente y la síntesis se puede llevar a cabo a menores temperaturas de reacción (60ºC), uno de los principales componentes del aceite de oliva es el ácido oleico. La mejor solución a este problema es sintetizar las nanopartículas de PbS y que éstas no requieran de ningún tratamiento post-síntesis. En el presente trabajo se propone sintetizar nanopartículas de PbS utilizando ácidos carboxílicos con una cadena de átomos de C más corta que la del ácido oleico para formar el precursor del plomo, y se evalúa con cada uno de éstos la calidad de las nanoestructuras formadas, así como su respuesta óptica y eléctrica. Se seleccionaron cuatro diferentes ácidos carboxílicos (figura 1) y se mantuvieron las mismas condiciones de reacción para los cuatro diferentes sistemas, con la excepción de la reacción con ácido benzoico, debido a su insolubilidad en 1octadeceno (ODE) a temperaturas menores a 260ºC. la inyección del precursor de S la nucleación y crecimiento de las nanopartículas de PbS ocurre de manera instantánea por lo que se tomaron alícuotas a diferentes tiempos de crecimiento, 10, 60, 120, 300 y 600 segundos, excepto para la reacción con AB en la que únicamente se tomó una alícuota a los 3 minutos de crecimiento. Cada alícuota fue vertida dentro de un tubo de centrifugado que contenía 10 mL de acetona anhidra y la muestra fue enfriada hasta temperatura ambiente. Posteriormente las muestras fueron centrifugadas a 9500 rpm durante 10 min, se decantaron los residuos y el precipitado que contenía las nanopartículas fue redispersado con 2 mL de tolueno anhidro, se agregaron 20 mL de acetona anhidra y se centrifugó nuevamente con los mismos parámetros. El lavado de las nanopartículas se llevó a cabo tres veces para cada alícuota de cada una de las reacciones y el precipitado final se dejó secar al vacío para su posterior caracterización. DESARROLLO EXPERIMENTAL Materiales Óxido de Plomo (OPb), 1-Octadeceno (ODE), Difenilfosfina (DFF), Sulfuro de Trimetilsilil (TMS), Ácido Acético (AA), Ácido Hexanoico (AH), Ácido Benzoico (AB), Ácido Mirístico (AM), Acetona anhidra, Tolueno anhidro, Hexano anhidro. Caracterización La caracterización de las nanopartículas de PbS se llevó a cabo mediante microscopía electrónica de transmisión y por la técnica espectroscópica de UV-Vis-NIR. Se utilizó un microscopio electrónico de transmisión (TEM por sus siglas en inglés) FEI Titan G2 80-300 en las modalidades de microscopía electrónica de transmisión, scanning transmission electron microscopy (STEM) y Difracción de electrones. Además, este equipo cuenta con un detector de high angle anular dark field (HAADF) para el modo STEM marca Fishione, así como con un detector marca EDAX para los estudios de energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). La muestra se preparó depositando una gota de las nanopartículas dispersadas en hexano anhidro sobre una rejilla de cobre cubierta con una capa delgada de carbón amorfo, el solvente se dejó evaporar de manera natural. Por otra parte, las nanopartículas fueron dispersadas en tolueno para su caracterización con un espectrómetro Agilent Cary 5000, UV-Vis-NIR. Para la caracterización de las películas de PbS se llevó a cabo mediante Microscopía Electrónica de Barrido utilizando un FEI NovaNanoSEM para el estudio superficial; y para el estudio de las propiedades de conductividad eléctrica y fotoconductividad de las películas de nanopartículas se utilizó un Keithley 6487 Picoammeter/Voltage source, las muestras para Síntesis de Nanopartículas de PbS En un matraz de tres bocas se adicionan 23 mL de ODE, 0.45 g de OPb y se adiciona el ácido carboxílico (AA, AH, AB, AM) en cantidad de 5 mmol para conservar la relación de 2.5 AC: 1 Pb. La mezcla se coloca en una manta de agitación y calentamiento y se incrementa la temperatura hasta llegar a los 150ºC, excepto para la síntesis con AB, en la que la temperatura de reacción fue de 260ºC, la mezcla se mantiene a esa temperatura durante dos horas, todo esto se lleva a cabo en atmósfera de N2. Por otra parte, dentro de una caja de guantes con atmósfera de N2, se diluyen dentro de un vaso de precipitado 2 mL de ODE, 212 μL de TMS y 100 μL de DFF, ésta mezcla se agita durante 30 min, se coloca en una jeringa y después se inyecta rápidamente en la solución de ODE, OPb y el AC. En cada una de las síntesis con los diferentes ácidos carboxílicos se mantiene la relación 2 Pb : 1S. Después de 8 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. este estudio se prepararon depositando una gota de nanopartículas dispersadas en hexano anhidro sobre un sustrato de vidrio de 10 mm X 10 mm, una vez seca la muestra se utilizó un pincel de punta fina y se pintaron dos electrodos con pintura de carbón, éstos de aproximadamente 1 mm de ancho por 4 mm de largo a una separación de aproximadamente 4 mm uno del otro en posición paralela. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Microscopía Electrónica de Transmisión Se determinó mediante patrones de difracción, como se observa en las figuras 2 a 5 en el inciso a, que las nanopartículas obtenidas corresponden a PbS con estructura cristalina FCC, de acuerdo a la tarjeta JCPDS 77-0244,16 independientemente del ácido carboxílico utilizado en la reacción. Fig. 2. Imágenes de TEM de nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido acético. a), b) y c) Se muestran nanopartículas de PbS a los 10 s, 120 s y 300 s, respectivamente. d) Imagen de HAADF de área selecta para el análisis de EDS y su espectro correspondiente. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 9 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. Fig. 3. Imágenes de TEM para nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido hexanoico. a) Nanopartículas de PbS a los 10s de tiempo de crecimiento y se muestra en la imagen insertada su patrón de difracción indexado. b) Imagen de HAADF de nanopartículas de PbS a los 120s y c) Imagen de TEM de nanopartículas de PbS a los 300s. d) Imagen de HAADF de área selecta para el análisis de EDS y su espectro correspondiente. Para la síntesis de nanopartículas de PbS con ácido acético (figura 2), se obtuvo una polidispersidad en tamaño, oscilando entre los 1.7 nm a 3.5 nm para las nanopartículas como las que se observan en el inciso a, que corresponde a un tiempo de crecimiento de 10 segundos, sin embargo, en el inciso b, que corresponde a un tiempo de crecimiento de 2 minutos, se observan aglomerados con tamaños en el orden de micras. Esto puede ser atribuido a que el ácido acético, al tener la cadena de únicamente dos 10 átomos de C y al presentar interacciones laterales débiles entre las mismas cadenas, no logra pasivar lo suficiente la superficie, para lograr reducir la energía superficial de cada partícula, provocando que éstas se atraigan entre sí para formar estos aglomerados, en los cuales no se observa la coalescencia de las nanopartículas, más bien parecen estar embebidas dentro de lo que podría ser el agente protector. En el inciso c que corresponde a un tiempo de crecimiento de 5 minutos, se puede observar que Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. Fig. 4. Imágenes de TEM para nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido benzoico. a) Nanoestructuras de PbS con tamaños en el orden de los 20 a 100 nm y aún más grandes, también se muestra en el inserto el patrón de difracción indexado. b) Imagen de HAADF que muestra nanopartículas de PbS con tamaños que varían entre 1.9 nm a 3.8 nm. c) Imagen de HAADF que muestra aglomerados formados por nanopartículas de PbS. d) Imagen de HAADF de área selecta para el análisis de EDS y su espectro correspondiente. las nanopartículas que formaban aglomerados coalescieron hasta formar cristales de mayor tamaño, y éstos a su vez se encuentran rodeados de muchas nanopartículas que son atraídas probablemente por el mecanismo de crecimiento Ostwald ripening. En el inciso d se muestra una imagen de HAADF de uno de estos aglomerados, indicando con un rectángulo rojo el área seleccionada para el análisis de EDS realizado, en la parte inferior se muestra el espectro Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 de EDS obtenido, donde se observa claramente la presencia del plomo y el azufre; los estudios de difracción de electrones permiten corroborar la presencia de cristales de PbS. Para la síntesis de nanopartículas de PbS con ácido hexanoico se observaron nanopartículas con morfología cuasiesférica, aunque la distribución de tamaño presentó polidispersidad (entre 3.2 y 5.5 nm), en los tiempos más cortos de reacción no se 11 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. Fig. 5. Imágenes de TEM para nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido mirístico. a) y b) muestran nanopartículas de PbS con tamaños que varían entre los 2.5 nm y 3.5 nm, y en el inserto se muestra su patrón de difracción indexado. c) Imagen de HAADF que muestra nanoparticulas de PbS dispersadas y bien estabilizadas. d) Imagen de HAADF de área selecta para el análisis de EDS y su espectro correspondiente. observó la formación de aglomerados (incisos a y b de la figura 3) sino hasta los 5 min de tiempo de crecimiento se observó la coalescencia de algunas partículas; dando origen a partículas de hasta 10 nm y aglomerados con tamaños mayores a los 100 nm. Aunque la inyección en caliente del precursor del S fue muy rápida, la extracción y enfriamiento de las alícuotas fue muy lenta y esta es la principal causa a la que se atribuye la polidispersidad en el tamaño de partícula. 12 Para la síntesis de nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido benzoico la temperatura de reacción fue de 260ºC, y únicamente se tomó un tiempo de crecimiento, que fue de tres minutos, en las imágenes de TEM de la figura 4, aunque como se observa en el inciso b, se formaron nanopartículas de morfología cuasiesférica con tamaños entre 1.9 nm a 3.8 nm, éstas solo se encontraron en algunas zonas de la rejilla analizada; la mayor parte de las nanopartículas de PbS no presentaron una morfología Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. definida, su tamaño fue superior a los 20 nm en al menos una de sus dimensiones y éstas se encontraban aglomeradas unas con otras, tal como se observa en los incisos a, c y d. El análisis de EDS que se muestra en el inciso d revela la presencia de los elementos Pb y S, pero al igual que para el resto de los sistemas el patrón de difracción fue concluyente para determinar que las nanopartículas sintetizadas con éste ácido carboxílico con cadena de seis átomos de C, también corresponden a PbS. Los resultados de TEM para nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido mirístico se muestran en la figura 5 en los incisos a, b y c. En estos se muestran nanopartículas a los 10, 120 y 300 s de tiempo de crecimiento, respectivamente; se observó una buena distribución de tamaños oscilando entre los 2.5 nm y 3.5 nm. Al igual que para las otras reacciones se hizo el análisis de EDS (inciso d) en una zona que a simple vista pareciera un aglomerado de partículas, sin embargo no fue así, esta zona está cubierta de nanopartículas. Las zonas que se observan “más claras” en las imágenes de HAADF (figura 5 d) están formadas por varias capas de nanopartículas. El análisis revela la presencia de Pb y S y al igual que para las demás reacciones el patrón de difracción fue concluyente para determinar que las nanopartículas sintetizadas son de PbS con estructura FCC. Se puede observar que los mejores resultados en cuanto a morfología y distribución de tamaño se obtienen con el ácido carboxílico con cadena de átomos de C más larga. Cabe mencionar que no se observó la presencia de aglomerados. Resultados de UV-Vis-NIR En la figura 6 se muestran los resultados de UVVis-NIR para cada una de las síntesis de nanopartículas de PbS con los diferentes ácidos carboxílicos. En el inciso a se muestran los espectros de absorción de Fig. 6. Espectros de absorción de UV-VIS-NIR para los diferentes sistemas de nanopartículas de PbS. a) ácido acético, b) ácido hexanóico, c) ácido benzoico y d) ácido mirístico. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 13 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. UV-Vis-NIR para las nanopartículas sintetizadas con ácido acético, a los diferentes tiempos de crecimiento se observan picos de absorción a los 880, 1150 y 1200 nm aproximadamente. Sin embargo, el que éstos aparezcan siempre en el mismo lugar y que a medida que avanza la reacción se atenúan, permite inferir que éstos no corresponden a las nanopartículas de PbS sintetizadas. Aún se está trabajando en la identificación del origen de estos picos, no obstante, resultados experimentales han corroborado que éstos corresponden a un subproducto de la reacción, ya que también se observan en el sobrenatante que se obtiene durante el proceso de limpiado de las partículas. En el inciso c se muestran los resultados de la síntesis de nanopartículas de PbS con ácido benzoico, para ésta reacción tampoco se observó el pico de absorción asociado al primer excitón de las nanopartículas de PbS, a pesar de que en ambas reacciónes (A. Acético y A. Benzoico) se obtuvieron nanopartículas con tamaños menores al radio de Bohr del PbS. Resultados experimentales observados por otros investigadores, 17 mismos que han sido observados en el grupo, han mostrado que cuando hay presencia de aglomerados o se tiene una muestra con una polidispersidad alta, no es posible observar el pico de absorción de las nanopartículas. Otra posible explicación es que al estar presentes estos aglomerados pueden dispersar la luz subiendo la línea de base, lo cual enmascara la señal de generación del primer excitón en las partículas. Por otra parte, como se puede observar en los incisos b y d que corresponden a la síntesis con ácido hexanoico y mirístico, respectivamente, se observa claramente el pico de absorción de las nanopartículas y cómo éste a menor tamaño de nanopartícula se recorre más hacia el visible. Los espectros de absorción para la síntesis con ácido hexanoico (inciso b) también revelan la polidispersidad en tamaño de las nanopartículas, lo cuál ya se había observado en el análisis de TEM, contrario a los espectros de absorción para el ácido mirístico, que muestran una mejor distribución de tamaño, para estos dos casos se pudo calcular el band gap óptico utilizando la referencia 18, y éste se muestra en los incisos b y d. Las nanopartículas sintetizadas con ácido mirístico mostraron el mayor corrimiento hacia el visible, mostrando el pico de absorción asociado al primer excitón de las nanopartículas en 847 nm de longitud de onda para los 10 s de tiempo de crecimiento, y aún para los 60 y 120 s el pico de absorción es menor a los 900 nm. Caracterización de las películas de PbS En la figura 7 se muestran imágenes de SEM para películas de PbS, en el inciso a con nanopartículas sintetizadas con ácido hexanoico y en el inciso b con ácido acético. Para las diferentes películas analizadas en algunas se observó una superficie Fig. 7. Imágenes de SEM de películas de PbS. a) Se muestra la superficie de la película de PbS sintetizado con ácido hexanóico y b) muestra la superficie de la película de PbS sintetizado con ácido acético. 14 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. de mala calidad, es decir, como en el caso de la síntesis con ácido acético, los aglomerados de nanopartículas no permiten que haya continuidad en la película, contrario a la película con nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido hexanoico, en la que se observa un buen acomodamiento de las nanopartículas dando como resultado una superficie más homogénea y continua de nanopartículas de PbS. Se hace énfasis en la calidad de la película debido a que únicamente en las películas de mejor calidad se logró observar la señal de fotorrespuesta (figura 8), y además se obtuvieron las curvas I vs. V para todas las películas de PbS sintetizadas con los diferentes ácidos carboxílicos y los resultados de resistencia calculados a partir de éstas se muestran en la tabla I. Se aprecia que los resultados de resistencia son altos, sin embargo es muy claro que las películas más resistivas son aquellas con nanopartículas de PbS sintetizadas con los ácidos carboxílicos de cadenas de átomos de C más largas. Fig. 8. Señal de foto-respuesta correspondiente a la película de PbS sintetizado con ácido hexanóico. Tabla I. Resultados de resistencia calculados a partir de las curvas I vs. V obtenidas de las películas de PbS con nanopartículas sintetizadas con los diferentes ácidos carboxílicos. Material Resistencia Ω PbS-Ácido Acético 3.30 x 1010 a 3.30 x 1011 PbS-Ácido Hexanoico 1.00 x 1012 a 1.00 x 1013 PbS-Ácido Benzoico 5.00 x 1012 PbS-Ácido Mirístico 5.00 x 1012 a 1.00 x 1013 PbS-Ácido Oleico 1.00 x 1013 a 6.00 x 1013 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 CONCLUSIÓN Se puede concluir que con todos los ácidos carboxílicos probados se lograron obtener nanopartículas de PbS. Con el ácido acético, el de cadena de átomos de C más corta, se produjeron nanopartículas que empezaron a coalescer a tiempos de crecimiento muy cortos, formando aglomerados muy grandes, ésta puede ser la razón por la cuál no se observó el pico de absorción óptica asociado a las nanopartículas en el UV-Vis-NIR y de la mala calidad de la película mostrada en la figura 7 (b). Se propone sintetizar nanopartículas de PbS con mayor concentración de ácido acético para promover la formación de nanopartículas de PbS bien estabilizadas. La reacción para obtener nanopartículas de PbS con ácido benzoico se tuvo que llevar a cabo a 260ºC debido a que éste ácido carboxílico es insoluble en ODE a temperaturas menores, aunque se lograron obtener nanopartículas de PbS, éstas formaron aglomerados de manera instantánea, y al igual que en el caso de las nanopartículas sintetizadas con AA, éstas tampoco mostraron pico de absorción en el espectro de UV-Vis-NIR, ni tampoco una clara señal de fotorrespuesta. Se puede agregar que el cambiar el ácido carboxílico, fuente para formar el precursor de plomo, no mostró tener efecto alguno en la estructura cristalina de las nanopartículas de PbS, solo tiene efecto en la morfología, tamaño y absorción óptica, además, los menores valores de resistencia corresponden a las películas delgadas de PbS sintetizadas con los ácidos carboxílicos de cadena de átomos de C más cortas, por esta razón se cree que es posible mejorar las propiedades eléctricas de las nanopartículas de PbS controlando la síntesis de éstas con los ácidos carboxílicos de cadena de átomos de C más cortas con la finalidad de producir nanopartículas aisladas y bien estabilizadas. Es muy importante mencionar que los mejores resultados de foto-respuesta se observaron en las películas de PbS de mejor calidad, lo que implica que esta propiedad no está determinada únicamente por las características individuales de las nanopartículas, también tiene influencia la forma en que las nanopartículas se encuentran arregladas dentro de la película, obteniendo los mejores resultados siempre y cuando las películas formadas en la superficie del sustrato sean continuas y homogéneas. 15 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. REFERENCIAS 1. G. Bauer and G. Springholz, Johannes Kepler, Lead Salts, Semiconductor Materials, Elsevier (2005), pp. 385-391. 2. Efros, Al. L.; Efros, A. L. Interband Absorption of light in a Semiconductor Sphere. Sov. Phys. Semicond. (1982), 16, pp. 772-774. 3. Ekimov, A. I.; Efros, A. L.; Onushchenko, A. A. Quantum Size Effect in Semiconductor Microcrystals. 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El primero de ellos fue tetraetoxysilano como fuente de silicio, con bakelita como fuente de carbono, el segundo precursor fue feniltrimetoxysilano como fuente de silicio y carbono a la vez. Estos precursores fueron pirolizados mediante microondas en una atmósfera de nitrógeno. Nanopartículas de aproximadamente 5 nm fueron observadas mediante HR-TEM y se determinó que su arreglo corresponde al β-SiC. La presencia de este compuesto fue corroborada mediante difracción de rayos X. PALABRAS CLAVE β-SiC, microondas, sol-gel, tetraetoxysilano, feniltrimetoxysilano ABSTRACT Nanoparticles of silicon carbide β-SiC of cubic lattice were produced in this work using two precursors prepared by means of sol-gel. The first one was tetraetoxysilene as a source of silicon, with bakelite as a source of carbon, the second precursor was feniltrimetoxysilene as a source of both, silicon and carbon. These precursors were pyroliyzed by means of microwaves undera nitrogen atmosphere. Nanoparticles of approximately 5 nm were observed by means of HR-TEM and it was found that their arrangement corresponds to β-SiC. The presence of this compound was confirmed by means of X-rays diffraction. KEYWORDS β-SiC, microwaves, sol-gel, tetraetoxysilene, feniltrimetoxysilene INTRODUCCIÓN La producción y uso de nanopartículas es cada vez más extensa y al igual que con otros productos, la búsqueda de métodos para producirlas de manera eficiente y confiable es continua. Entre diversas opciones se ha propuesto el uso de microondas como medio para proporcionar la energía que los procesos de síntesis requieren. En particular en este trabajo se produjeron nanopartículas de carburo de silicio del politipo 3C-SiC (β-SiC) mediante la pirolización, bajo una atmósfera de nitrógeno, de precursores obtenidos mediante sol-gel. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 17 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. La preparación de un material por medio del proceso sol-gel requiere la mezcla de los constituyentes o precursores en una fase líquida, hasta obtener una disolución homogénea, la cual se somete a un proceso de polimerización y gelificación, después de la cual el gel se transforma en compuesto deseado mediante un tratamiento térmico, eliminando componentes volátiles e incrementando la densidad del material.1 Un procedimiento sol-gel típico parte de un organometálico hidrolizable conocido como alcóxido metálico M(OR)X, donde M es un metal del grupo IV y OR es un grupo alcoxilo, en el que R es un radical hidrocarbonado. En el proceso solgel el sistema modelo es la sílice, y de los alcóxidos de silicio disponibles, el tetraetoxysilano, TEOS, es el más utilizado. Los otros dos reactivos necesarios para que se lleve a cabo el proceso sol-gel son: agua, para la hidrólisis del precursor; y un solvente, normalmente un alcohol u otros orgánicos, el cual es miscible tanto en el alcóxido como en el agua y ayuda a formar la solución para que se lleve a cabo la hidrólisis. La estructura final del gel y sus propiedades dependen de las reacciones de hidrólisis y condensación de los precursores. Solo algunas características podrán ser modificadas en el curso de las etapas siguientes. La rapidez de reacción de la hidrólisis y de la condensación depende de la temperatura, la reactividad del alcóxido, el tipo de solvente, y la acidez. Las reacciones de hidrólisis y condensación conducen a la formación de agregados de partículas extremadamente pequeñas, que se enlazan hasta formar un agregado único denominado gel, el cual continúa reaccionando, produciendo cambios químicos y nanoestructurales como la polimerización en la que aumenta su densidad y resistencia mecánica. CARBURO DE SILICIO El carburo de silicio, SiC, es uno de los cerámicos no-óxidos que se utiliza en la industria refractaria por su alto punto de fusión y bajo coeficiente de expansión térmica; es también un abrasivo de dureza cercana a la del diamante. En cuanto a sus aplicaciones en electrónica, por su alto “band gap”, alta conductividad térmica, alta fuerza de campo de interrupción eléctrica y alta velocidad de flujo de 18 saturación, es un material adecuado para electrónica de potencia y dispositivos de alta frecuencia.2, 3 El SiC, tanto en sus formas amorfa o cristalina, ha sido objeto de investigación para aplicaciones en campos optoelectrónicos y microelectrónicos como películas delgadas de diodos emisores de luz, dispositivos electroluminiscentes y transistores bipolares entre otros.2 El SiC fue sintetizado por primera vez por Acheson en 1891 mediante la fusión de arcilla (SiO2) con carbón (C) en un horno de arco eléctrico a 2400 °C durante 36 horas, él encontró pequeños cristales azules a los que llamó carborundum, derivado de corundum Al2O3, porque creyó que estaban formados de aluminio y carbono. Actualmente este método se sigue utilizando para la obtención de SiC a nivel industrial, aunque una de sus desventajas es el poco control que se tiene en la formación de los politipos y polimorfos del SiC.4 Un politipo es una clase especial de polimorfo en el que se tiene que la diferencia en las estructuras cristalinas de un compuesto se deben solo al orden en el cual está apilada una capa bidimensional (plano atómico). En 1912, Baumhauer descubrió las primeras tres estructuras politípicas del SiC; 5 actualmente, se han clasificado más de 200 politipos del SiC.6 Los politipos de SiC provienen de las diferentes secuencias de apilamiento periódicas de las bicapas. Hay seis bicapas diferentes, cada una formada de dos planos empaquetados (figura 1). Fig. 1. Bicapas fundamentales del SiC. 5 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. cual consiste en el número de bicapas en la celda unidad y una letra que puede ser C, H ó R, cúbica, hexagonal y romboédrica, respectivamente (figura 2). Los politipos más comunes del SiC son el 2H, 3C, 4H, 6H y el 15R (figura 3). La formación del β-SiC normalmente se da a temperaturas aproximadas a 1500 °C, aunque hay reportes de haber obtenido β-SiC debajo de esta temperatura, 8, 9 y se considera que es más estable que otros politipos hexagonales a temperaturas Las secuencias de apilamiento no alteran significativamente las longitudes de los enlaces o la densidad (tabla I). Si el número de bicapas en una celda unidad es par, la simetría será hexagonal, en otro caso será cúbica o romboédrica. El SiC normalmente se clasifica, según sus polimorfos, como α-SiC y β-SiC, donde los polimorfos hexagonal y romboédrico son α-SiC; mientras que el polimorfo cúbico es β-SiC.5 Para describir los politipos de SiC es común utilizar la notación de Ramsdell, la Tabla I. Propiedades de algunos politipos de SiC.7 PROPIEDAD POLITIPO 3C-SiC (β-SiC) 2H-SiC (α-SiC) 4H-SiC (α-SiC) 6H-SiC (α-SiC) F43m P63mc P63mc P63mc Hexagonalidad [%] 0 100 50 33 Orden de empaquetamiento ABC AB ABCB ABCACB Constante a de red [nm] 0.4358 - 0.4359 0.3075 - 0.3081 0.3070 - 0.3081 0.3073 - 0.3081 Constante c de red [nm] - 0.5031 - 0.5048 1.0053 - 1.0080 1.5109 - 1.5120 Densidad [g/cm3] 3.215 3.219 3.215 3.212 Band Gap [eV] 2.39 3.33 3.26 3.00 Conductividad térmica [W cm-1 K-1] 3.6 - 4.9 4.9 ≤ 1000 - ≤ 850 ≤ 450 ≤ 40 - ≤ 120 ≤ 100 Grupo espacial Movilidad de electrones [cm2 V-1 s-1, 300 K] Movilidad de huecos [cm2 V-1 s-1, 300 K] Resistividad eléctrica [Ω cm] 102 - 103 Fig. 2. Politipos del SiC con sus bicapas correspondientes. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 5. 19 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. Fig. 3. Secuencia de apilamiento de cinco politipos de SiC.6 menores a 2000 °C. A temperaturas superiores, el β-SiC se transforma en α-SiC hexagonal.10 El politipo más común arriba de los 2000 °C es el 6H por lo que es común que el 3C se transforme específicamente en 6H. Otras transformaciones β → α y α → α también han sido reportadas, como por ejemplo las 3C → 4H, 3C → 15R, 4H → 6H.11 Las transformaciones politípicas del SiC no solamente están relacionadas a un cambio de temperatura y presión como en las transformaciones polimórficas, sino también a los cambios de esfuerzos e impurezas. Además, las transformaciones con frecuencia son irreversibles. Por ejemplo, el 3C se puede transformar a 6H a temperaturas mayores que 2000 ˚C, pero el 6H no se puede transformar a 3C a temperaturas menores que 2000 ˚C. SÍNTESIS DE SiC Entre los métodos para sintetizar SiC mediante sol-gel se puede destacar el reportado por Nakamura et al.12 en el que se utiliza como precursor un alcóxido metálico y se añade una resina fenólica con el fin de agregar carbono a la reacción; para 20 después realizar una reducción carbotérmica a presión y temperatura controlada en Ar a 1500 °C para la obtención de fibras de β-SiC. De igual manera, Raman et al.8, 13-15 sintetizaron nanofibras de SiC utilizando alcóxidos metálicos de silicio y diferentes precursores de carbono, tales como resina polimérica en solución, carbón verde, grafito, entre otros, para después efectuar una reducción carbotérmica en Ar a 1400 °C, y determinaron que el exceso de carbón residual obtenido podría ser de ayuda para la formación de CO el cual reacciona con SiO para formar SiC. Sevast’yanov et al.16 utilizaron como precursores de carbono diferentes materiales, entre los que se encontraban una resina fenólica, una suspensión de carbón coloidal, alcohol polivinilico, carbón negro (un producto de la síntesis de fullerenos) y nanotubos de carbono. La reducción carbotérmica se llevó a cabo a vacío a 1300 °C y se observó que en los primeros tres precursores de carbono, el SiC era producido en forma de partículas poliédricas con tamaños aproximados entre 40 y 100 nm en más de un 70% del producto; mientras que en los dos restantes precursores, las partículas se aglomeraron formando estructuras compactas Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. con tamaños mayores a 100 nm. White et al.17, 18 utilizaron una ruta sol-gel modificada para sintetizar polímeros de organosilanos de formulas idealizadas (RSiO1.5)n y los pirolizaron para producir SiC. En cuanto al uso de microondas para la formación de compuestos, se puede mencionar a Nagarajan et al.19, los cuales prepararon nanotubos de SiC utilizando un horno de microondas doméstico, llevando a cabo una reducción carbotérmica de sílice con grafito y después introdujeron inmediatamente el producto obtenido en agua helada. Satapathy et al.9 sintetizaron SiC en un microondas tubular a 2.45 GHz, mediante una reacción en estado sólido, por medio de Si y C. Determinaron que es posible la obtención de SiC a partir de los 900 °C, presentándose así mismo Si sin reaccionar, el cual disminuye hasta desaparecer completamente cuando la experimentación se lleva a 1200 °C, obteniendo β-SiC solamente. Aguilar et al. 20-22 prepararon este mismo compuesto por medio de una síntesis sol-gel y microondas, demostrando que el gel polimérico de sílice pirolizado al vacío produce βSiC, posteriormente, Aguilar et al.23 prepararon SiC pirolizando el gel de sílice obtenido del sol-gel en aire en tiempos entre 70 y 120 minutos, obteniendo un material con el mismo aspecto que el obtenido anteriormente a vacío. Al ser caracterizado mediante microscopía electrónica de transmisión, TEM, se obtuvieron distancias interplanares de 0.2513 nm, que coinciden con la distancia obtenida por figuras et al.24 de 0.251 nm para el β-SiC. EXPERIMENTACIÓN En este trabajo se llevaron a cabo dos procesos sol-gel. En el primero se utilizó tetraetoxysilano, TEOS, como precursor de silicio y una resina fenólica como precursor de carbono; mientras que en el segundo proceso sol-gel modificado se utilizó al feniltrimetoxysilano, PhMEOS, como precursor tanto de silicio como de carbono. En ambos se hace uso de reactivos precursores basados en silanos, aprovechando la estructura y polimerización de éstos para la formación de SiC. La hidrólisis de los precursores se efectuó con agua y se utilizaron catalizadores. Después de ello, el gel de sílice obtenido se convierte en el precursor directo del SiC, el cual fue expuesto a microondas en una cavidad multimodo a diferentes tiempos para su pirólisis. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Precursores de silicio y carbono Los reactivos utilizados como precursores de silicio fueron el feniltrimetoxysilano y el tetraetoxysilano (tabla II). Los alcoxilanos poseen excelente estabilidad térmica y son líquidos en un amplio intervalo de temperatura, el cual puede ampliarse si se utilizan sustituyentes de cadenas más largas. Se debe de tener cuidado en el manejo de ésta clase de reactivos, debido a su toxicidad. Los alcoxilanos generalmente exhiben bajos niveles de toxicidad, posiblemente esto puede asociarse a la hidrólisis de sus productos alcohólicos; no obstante, se cita como excepciones al Si(OCH3)4 (tetrametoxysilano), Si(OCH3)3 (trimetoxysilano) y el Si(OCH2CH3)3 (trietoxysilano). Los vapores de estos materiales pueden ser absorbidos directamente dentro del tejido de la córnea causando daño o ceguera total y estos efectos son raramente reversibles. Se aprovechó el grupo aromático del PhMEOS como precursor de carbonos en la reacción de sol-gel modificada, de esta manera, un solo reactivo provee el Si y C. Para la otra reacción de sol-gel, los grupos funcionales metilos (-CH3) se pierden al realizarse la gelificación, por lo que la reacción requiere de un precursor de carbono; como tal, fue elegida una resina fenólica que fue disuelta en acetona y añadida al sol de la síntesis. Solventes Otros de los reactivos usados fueron los alcoholes metanol (CH3OH) y etanol (CH2CH3OH). Estos son utilizados como solventes para la formación de una solución miscible entre los silanos y el agua, la cual hidrolizará a los silanos. Se eligió al metanol y al etanol por su afinidad con los alcóxidos utilizados, ya que presentan los mismos grupos funcionales metil (-CH3) y etil (-CH2CH3), los cuales garantizan su afinidad en solución. Catalizadores Para la realización del experimento se utilizó ácido clorhídrico diluído, HCl, como catalizador de ambas reacciones sol-gel (síntesis sol-gel ácida), ya que facilita la formación del silanol, SiOH, como producto estable de la condensación. Una 21 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. Tabla II. Alcoxilanos más comunes. Reactivo Feniltrimetoxysilano (97% Aldrich) Tetraetoxysilano (Grado reactivo 98% Aldrich) Nombre común Fórmula PhMEOS C6H5OSi(OCH3)3 TEOS Si(OCH2CH3)4 Molècula vez realizada la hidrólisis y la condensación, se agregó hidróxido de amonio, NH4OH, el cual es un catalizador para la gelificación. Atmósfera Se utilizó nitrógeno, el reactor fue purgado durante 1 minuto con un flujo de gas de 2.36 L/min, para después reducirlo a 0.471 L/min al comienzo de la experimentación. Esta cantidad es suficiente para permitir que el aire del reactor salga, manteniendo una atmósfera de N2. Esta condición fue extrapolada de una norma ASHRAE 25 para ventilación que recomienda cambiar el aire de una habitación entre 4 y 10 veces por hora, manteniendo un ambiente libre de contaminación. En esta experimentación, el volumen del reactor tuvo una razón de cambio de 112 veces por hora. Microondas Una vez que se tuvieron los geles de sílice, a partir de la síntesis sol-gel, se secaron y fueron colocados en un crisol de alúmina y llevados al microondas para su pirólisis a tres diferentes tiempos: 5, 10 y 15 minutos. Se utilizó la cavidad (figura 4) de un horno de microondas convencional de 2.45 GHz de potencia variable, máximo 1200 W, modificado para efectuar la experimentación. Se fijó la tubería de alimentación del N2 a la lámina inferior de la cavidad, a ras, en donde E es cero. 22 Fig. 4. Dimensiones de la cavidad multimodo utilizada. La zona roja es la apertura por la que pasan las microondas del magnetrón hacia la cavidad. Susceptores Se utilizó como susceptor al α-SiC, el cual se sabe que es un buen absorbedor de microondas a temperatura ambiente y mayores.26 Fue colocado en forma de barra sólida de 3 cm de largo contra 3 mm de diámetro en el centro del crisol de alúmina (figura 5), quedando por encima del gel de sílice para evitar la contaminación del gel con la barra de α-SiC. Una vez que el gel fue pirolizado en el microondas, se quitó cuidadosamente el susceptor y se separó en partes superior, medio e inferior para poder caracterizar la parte media. Pudiera parecer redundante utilizar α-SiC para la formación de nanopartículas de SiC; pero los susceptores más comunes en las microondas son el SiC y el grafito; sin embargo este último es Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. Fig. 5. Imagen del sistema dentro del microondas donde se llevó a cabo la pirólisis. altamente reactivo; además, si se utilizara, existiría la incertidumbre sobre si la reacción tomó el carbono de los precursores iniciales o fue obtenido por causa de la contaminación con grafito. La ventaja de utilizar α-SiC como susceptor es que, como se mencionó anteriormente, la formación del α-SiC a través del β-SiC (β-SiC→ α-SiC) no es reversible, por lo que no existe la probabilidad de la formación de β-SiC a partir del susceptor que se está utilizando ni posibilidad de contaminación por la distancia a la que se encuentra. En la figura 6 se muestra un espectro de difracción de rayos X del susceptor utilizado. Fig. 6. Difractograma del susceptor utilizado. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Para el proceso sol-gel con PhMEOS (tabla III) se agregó a un vaso de precipitado este precursor, Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 agua bidestilada y metanol en relación molar de 1: 3: 2 y se agitó durante 5 minutos. Se añadió HCl en relación molar con el PhMEOS 1: 0.05 y se agitó durante 30 minutos. Se añadió NH4OH, en relación mol: volumen con respecto al precursor de 1 mol: 60 ml y se esperó 5 minutos. Al obtener el gel en el vaso se dejó envejecer un día; posteriormente, el gel fue lavado y filtrado con agua destilada para eliminar el exceso de NH4OH y de HCl. Las reacciones de hidrólisis y condensación se presentan en la figuras 7 y 8 respectivamente. Se colocó la muestra con el gel lavado en una mufla a 80 °C durante dos días para el secado y luego se molió el gel obtenido en un mortero de porcelana. Para el proceso sol-gel con TEOS y resina fenólica (tabla IV) se agregó a un vaso de precipitado el precursor TEOS, agua bidestilada y etanol en relación molar de 1: 4: 4 y se agitó durante 5 minutos. Se añadió HCl en relación molar con el TEOS 1: 0.05 y se agitó durante 60 minutos. Simultáneamente, se preparó la solución de resina/acetona, en relación de TEOS/acetona = 1 g: 3 ml y se colocó en el agitador ultrasónico 30 minutos. Al terminar los 60 min. de la hidrólisis se agregó la resina, en relación masa TEOS: resina = 1: 1.3 y se agitó otros 60 minutos. Se añadió NH4OH y se agitó con una varilla de vidrio de manera manual de ser necesario. Al obtener el gel en el vaso se dejó envejecer un día; posteriormente el gel fue lavado y filtrado con agua destilada para eliminar el exceso de NH4OH y de HCl. Las reacciones de hidrólisis y condensación se presentan en la figuras 9 y 10 respectivamente. El gel se lavó, secó y molió como en el caso del PhMEOS. El procedimiento para la pirólisis de los geles provenientes del PhMEOS y del TEOS consistió en colocar 1.5 g de muestra en un crisol de alúmina para después colocar el susceptor arriba del gel. Se ubicó el crisol a una altura aproximada de 7 cm de la base en la zona de alta densidad de microondas. Se le colocó una campana de vidrio para mantener la atmósfera de N2 el cual ingresaba por la parte baja de la campana. Los tiempos de exposición fueron de 5, 10 y 15 minutos a 1200 W, con lapsos de 30 minutos de reposo para el horno de microondas entre pruebas. Inicialmente se consideró la medición de la temperatura, pero dado el tamaño de la muestra las lecturas no son confiables, además lo más importante 23 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. Tabla III. Reactivos y cantidades necesarias para la formación del gel de sílice del PhMEOS. Reactivo Feniltrimetoxysilano PhMEOS (97% Aldrich) Agua destilada Metanol(ACS Fermont) Fórmula Cantidad [g] Relación C6H5Si(OCH3)3 40 1:1 H 2O 10.9019 3:1 CH3OH 12.9269 2:1 Ácido clorhídrico (1N CRT Scientific) HCl 0.3677 0.05:1 Hidróxido de amonio (CRT Scientific) NH4OH 12.1 [ml] --- Fig. 7. Reacciones de hidrólisis del sol-gel del del PhMEOS. Fig. 8. Reacciones de condensación del sol-gel del del PhMEOS. 24 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. Tabla IV. Reactivos y cantidades necesarias para la formación del gel de sílice del TEOS. Reactivo Tetraetoxysilano TEOS (98% Aldrich) Fórmula Cantidad [g] Relación Si(OC2H5)4 41.6656 1:1 H 2O 14.4118 4:1 CH3CH2OH 36.8547 4:1 Agua destilada Etanol (Absoluto ACS Fermont) Ácido clorhídrico (1N CRT Scientific) HCl 0.3646 0.05:1 Hidróxido de amonio (CRT Scientific) NH4OH 12 [ml] --- Resina Fenólica (Baquelita - Metlab) --- 54.1653 1.3 g : 1 g CH3COCH3 162.4859 [ml] 1 g resina : 3 ml acetona Acetona (ACS Fermont) Fig. 9. Reacciones de hidrólisis del sol-gel del TEOS. Fig. 10. Reacciones de condensación del sol-gel del TEOS. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 25 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. y que comprobaría que se había alcanzado la temperatura necesaria para la pirólisis era el producto de la reacción y el aspecto final de la muestra. Se debe tener presente que el calentamiento mediante microondas fue libre, es decir que no hubo control de la temperatura y esta medición únicamente sería un registro. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La muestra para analizar se toma de la sección media, y fue caracterizada por medio de difracción de rayos X con una radiación de CuKα con una longitud de onda de 1.54 Å; y por microscopía electrónica de transmisión de alta resolución. En la figura 11 se muestran los patrones de difracción de rayos X de las muestras provenientes del precursor PhMEOS pirolizadas a 5, 10 y 15 minutos. En el patrón obtenido a 5 minutos solo coinciden dos de los picos con respecto a los del β-SiC, pero también se nota la existencia de picos a aprox. 28, 39, 54 y 78° correspondientes al grafito. 27-29 Esto nos da la idea de que aún existe carbono presente en la muestra que no ha sido pirolizado; mientras que en las muestras a 10 y 15 minutos se puede notar una mayor cantidad de picos coincidentes con los del β-SiC. Al obtener señales a 76 y 90° se descarta la posibilidad de que se haya formado otro politipo del SiC, ya que estas señales son únicas y características del β-SiC, a diferencia de otras que pueden presentarse en varios politipos. Fig. 11. Espectro de difracción de rayos X de las muestras provenientes del precursor PhMEOS pirolizado durante 5 (MWPhT1), 10 (MWPhT2) y 15 (MWPhT3) minutos. 26 Fig. 12. “Cebollas” de grafito obtenidas en la muestra de gel de sílice con una pirólisis de 5 minutos. La figura 12 presenta una imagen HR-TEM de la muestra MWPhT1, pirolizada en 5 minutos. Se puede observar la formación de estructuras cristalinas redondas, comúnmente llamadas “cebollas” y características del grafito. Al comparar esta imagen con la obtenida por de Street et al. 30 y presentada en la figura 13 se puede confirmar la presencia de carbono libre en forma de grafito, esto coincide con la información obtenida (los picos de carbono) de la difracción de rayos X. Para que esto haya sido posible, se debió de haber llevado a cabo un Fig. 13. Imagen HR-TEM de una “cebolla” de grafito.30 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. rompimiento del grupo funcional fenil del resto de la molécula del PhMEOS para su subsecuente enlazado únicamente entre grupos feniles. En la figura 14 se presenta una HR-TEM de la muestra MWPhT2, la cual fue pirolizada en 10 minutos. Por medio del software Digital Micrograph de GATAN, se obtuvo una imagen filtrada (usando como herramienta la transformación de Fourier) de HR-TEM más nítida de una zona específica. Esta imagen muestra claramente un orden en los planos cristalinos de la partícula (figura 15). Daulton et al. 5 obtuvieron imágenes HR-TEM del SiC calculadas a partir de simulaciones de sus estructuras cristalinas. En la figura 16 se muestra la HR-TEM calculada obtenida por Daulton et al. 5 Con esto se confirma la obtención de β-SiC ya que los otros politipos del SiC son notoriamente diferentes (figura 17), e incluso Fig. 14. Imagen de HR-TEM de la muestra MWPhT2, la cual fue pirolizada en un tiempo de 10 minutos. Fig. 16. Imagen calculada HR-TEM de la muestra pirolizada a 10 minutos. La imagen se muestra invertida para su mejor comparación con la figura 14. Fig. 15. Imagen HR-TEM del β-SiC calculadas a partir de la simulación de la estructuras cristalina. 5 Fig. 17. Imágenes HR-TEM del diferentes politipos de SiC calculadas a partir de la simulación de la estructuras cristalina.5 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 27 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. en muestras formadas por ambos politipos de SiC, la diferencia es notable. 31 En la figura 18 se muestran los patrones de difracción de rayos X de las muestras provenientes del precursor TEOS pirolizadas a 5, 10 y 15 minutos. En estas muestras se observó una mayor concordancia entre los picos obtenidos de las muestras y los reportados en literatura para el β-SiC. 3, 32-35 Así mismo, también se observó la presencia de los picos correspondientes al grafito en todas las muestras. 27-29 Esto se explica por el uso de una resina fenólica como precursor de carbono, lo cual da una mayor concentración de este elemento en las muestras, convirtiendo al Si en el reactivo limitante para la formación de SiC. En la figura 19 se presenta una imagen HR-TEM de la muestra MWTET1, a 5 minutos, en la cual se ven arreglos cristalinos. Por medio del software Digital Micrograph de GATAN se midió la distancia interplanar de la muestra, obteniendo un valor de 2.48 Å, muy cercano al valor de 2.518 Å reportado en las bases de tarjeta de difracción JCPDS 29-1129. En las imágenes HR-TEM del gel de sílice a 15 minutos también se obtuvieron distancias interplanares características del β-SiC. La figura 20 corresponde a la muestra MWTET3 presenta una distancia interplanar de 2.13 Å, la cual es similar a la reportada por Leconte et al. 31 para el plano (200) del β-SiC de 2.17 Å. Fig. 18. Espectro de difracción de rayos X de las muestras provenientes del precursor TEOS pirolizado en 5 (MWTET1), 10 (MWTET2) y 15 (MWTET3) minutos. Fig. 20. Por medio del software Digital Micrograph de GATAN se pudo verificar la distancia interplanar de las partículas, la cual corresponde a 2.13Å. Fig. 19. Imagen HR-TEM de una nanopartícula producto del gel de sílice de TEOS pirolizada a 5 minutos. 28 CONCLUSIÓN En el caso de la síntesis sol-gel con PhMEOS y su posterior pirólisis se demostró que el carbono necesario para la formación del SiC fue obtenido de los precursores agregados. Por medio de la difracción de rayos X, se pudo demostrar la presencia de β-SiC en las muestras pirolizadas a los tres tiempos; encontrando que a 5 minutos de pirólisis, aún se Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. encuentran picos característicos de grafito, esto explica la presencia de estructuras cristalinas tipo “cebollas”, típicas del grafito, en la imagen HR-TEM de la misma muestra. Se obtuvo un patrón de planos cristalinos característico del β-SiC a partir de una imagen HR-TEM, la cual coincide con imágenes reportadas en estudios de dicho material. En el caso de la síntesis sol-gel con TEOS y su posterior pirólisis se comprueba la formación de nanopartículas de tamaños aproximados a los 5 nm con distancias interplanares características del SiC. Los espectros de difracción de rayos X nos manifiestan la existencia de β-SiC en todas las muestras pirolizadas a los tres tiempos, obteniendo la mejor señal en la pirólisis a 15 minutos, donde se confirma la presencia de todos los ángulos característicos del β-SiC. En virtud de lo anterior es posible decir que: se tiene un método que produce nanopartículas de SiC mediante una combinación de sol-gel y microondas, obteniendo un solo politipo β-SiC cuando lo más frecuente en otros procesos es obtener mezclas de este politipo con α-SiC. REFERENCIAS 1. Pepe, A., Galliano, P. G. y Boeri, R. Obtención y Caracterización preliminar de recubrimientos de sílice por Sol-Gel sobre fundiciones. IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, 2000. págs. 871-877. 2. 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Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro Taylor-LQG-Fourier Luis Fernando Sánchez-Gómez, José Antonio de la O Serna Doctorado en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL fersago.00@gmail.com ; jdelao@ieee.org RESUMEN Recientemente los filtros TaylorK-Kalman-Fourier fueron propuestos para la estimación de fasores dinámicos, los cuales proveen de estimados instantáneos y reducen drásticamente el vector de error (TVE) por un factor de diez. Sin embargo, exhiben frecuencias de resonancia alrededor de la banda de paso, y altas ganancias inter-armónicas. En este artículo, el controlador Óptimo Lineal Cuadrático (LQ) es aplicado para diseñar filtros retroalimentados refiriéndose a los filtros TaylorKLQG-Fourier. Este método reduce las ganancias inter-armónicas y las frecuencias de resonancia alrededor de la banda de paso del filtro TaylorK-Kalman-Fourier. Los estimados de la señal obtenidos a través de esta técnica óptima son cuasiinstantáneos, otorgando estimados instantáneos de frecuencia y su tasa de cambio, preservando la sincronía con la señal para aplicaciones de control. La efectividad del algoritmo propuesto es verificada a través de las simulaciones. PALABRAS CLAVE Controlador Lineal-Cuadrático, Filtro de Kalman, Controlador LinealCuadrático Gaussiano, Fasor Dinámico, Control Óptimo. ABSTRACT Recently TaylorK-Kalman-Fourier filters were proposed for estimating dynamic phasors to provide instantaneous estimates and drastically reduce the total vector error (TVE) by a factor of ten. However, they exhibit resonant frequencies at the edges of the pass-band, and high inter-harmonic gains. In this paper, the optimal linear quadratic (LQ) control is applied to design feedback filters referred to as TaylorK-LQG-Fourier filters. This method reduces the inter-harmonic gains and the resonant frequency at the passband edges of the TaylorK-Kalman-Fourier filter. The estimates from oscillating signals obtained through this optimal technique are quasi-instantaneous, and provide estimates of the instantaneous frequency, and its rate of change, preserving its synchrony with the signal for control applications. The effectiveness of the proposed algorithm is verified through simulations. KEYWORDS Linear-quadratic control, Kalman filter, Linear Quadratic-Gaussian Controller, oscillating phasor, optimal control. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 31 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. INTRODUCCIÓN El monitoreo y control de sistemas de potencia, o cualquier otro sistema cuyo comportamiento sea sinusoidal, dependen de una estimación precisa e instantánea del fasor, especialmente cuando las señales fluctúan. Mejores estimados del fasor bajo condiciones dinámicas son obtenidos mediante un modelo de señal que asume fluctuaciones de amplitud y fase, en lugar del modelo de señal tradicional con parámetros constantes. Actualmente, el problema de estimación fasorial ha atraído mucho la atención, debido a la proliferación de dispositivos electrónicos diseñados para operar bajo condiciones oscilatorias, tal y como las unidades de medición fasorial (PMUs). Este interés se expresa a través de la norma de sincrofasores recientemente revisada. 1 Estimados del fasor bajo condiciones oscilatorios son recientemente propuestos en varios estudios. El filtro TaylorK-Kalman-Fourier (TK-K-F) 2 fue desarrollado para resolver el retardo de la Transformada TaylorKFourier (TFT). 3 La TFT es más apropiada bajo condiciones dinámicas que la Transformada Discreta de Fourier (DFT), sin embargo, ambas presentan un retardo sistemático en los estimados del fasor, mientras que el filtro TaylorK-Kalman-Fourier otorga estimados instantáneos, lo que hace posible su verdadera sincronización para aplicaciones de control. Otra importante ventaja de estos filtros es que otorga estimados no solo del fasor, sino también de sus primeras derivadas. Esto se vuelve importante ya que además de los estimados del fasor durante condiciones oscilatorias o cambios abruptos, también es necesario estimar la frecuencia del sistema, y su tasa de cambio. El objetivo principal de este artículo es mostrar la acción de control del controlador Lineal-Cuadrático basado en el principio de optimalidad de Bellman 4, 5 usando el filtro TaylorK-Kalman como observador para generar los vectores de estado de las muestras disponibles de la señal. Este método óptimo nos conduce al filtro TaylorK-LQG, y los filtros TaylorK-LQG-Fourier con nuevas ganancias de retroalimentación capaces de modificar la trayectoria de los estimados del fasor obtenidos mediante el filtro de Kalman, y mejorando su respuesta en frecuencia. Este trabajo fue motivado por la búsqueda del método 32 optimum optimorum para la estimación fasorial bajo condiciones dinámicas. Se pretende saber cuál entre mínimos cuadrados ponderados (LMS), filtro de Kalman, o el algoritmo lineal cuadrático es la mejor opción para este propósito. Todos ellos claman de ser el óptimo, pero en esta implementación emergen dificultades como se muestra en este artículo: El algoritmo del LQ no puede operar sobre las muestras disponibles de la señal, esta implementación requiere de un observador para generar los estados de la señal. En este artículo usamos el algoritmo de Kalman para cumplir con este propósito, de esta manera un método híbrido es encontrado. Por supuesto, muchas otras estrategias son posibles, es por eso que mostramos los resultados de este trabajo para estimular la investigación en este campo interesante. La principal contribución de este artículo es proveer una nueva clase de filtros, desarrollados a partir de la modificación el algoritmo clásico del LQG, y demostrar que estos filtros son capaces de mejorar la respuesta de magnitud de los filtros TK-K y TK-K-F, reduciendo sus altas frecuencias de resonancia en las bandas subarmónicas. El método LQG con un modelo flexible de la señal estima fasores de las señales de oscilación con la suficiente precisión y proporciona estimaciones fasoriales cuasi-instantáneas. Modelo de la Señal Pasabanda El filtro TK-K presentado por de la O Serna y Rodriguez-Maldonado 6 está basado en un modelo de señal con amplitud y fase como funciones variantes en el tiempo que definen las dinámicas de oscilación de la envolvente compleja. Una breve síntesis de este desarrollo se presenta con el fin de hacer de este documento más completo. En sistemas de potencia las oscilaciones de amplitud y fase pueden ser modeladas completamente por una señal pasabanda de la forma: (1) siendo a(t) la amplitud de la señal s(t) y φ(t) su fase relativa a su frecuencia fundamental ƒ1 (la derivada φ’(t) corresponde a la desviación de frecuencia instantánea). También se supone en este artículo que s(t) es de banda estrecha, es decir, su espectro se encuentra confinado dentro de una banda estrecha alrededor de la frecuencia fundamental ƒ 1. En términos de funciones exponenciales complejas, el Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. modelo de la señal puede ser simplificado como: (2) Donde p(t)=a(t)ejφ(t) es la envolvente compleja de la señal pasabanda s(t), mejor conocida como fasor oscilatorio de la oscilación. Dicho fasor es representado por una función compleja expresada en forma polar, en la cual a(t) y φ(t) son modulaciones de amplitud y fase de s(t), respectivamente. La función compleja del fasor oscilatorio p(t), puede ser aproximada por un K-ésimo polinomio de Taylor centrado en t0: (3) a partir de las derivadas de sus curvas del polinomio de Taylor, es posible obtener la matriz de transición de estados. Para τ=t-t 0 se tiene: (4) Note que la transición de estados está dada por: (5) donde pK(t) es el vector de estado, y la matriz de transición de estados se compone de la siguiente forma: (6) Para un determinado grado del polinomio de Taylor, esta aproximación es más exacta cuando t→t 0 si p(t) es una función suave. El modelo truncado puede ser aplicado en cualquier instante de tiempo t 0 con precisión suficiente, siempre que el intervalo de tiempo τ sea corto. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Esta condición se logra entre dos muestras de la señal ya que generalmente los muestreadores se aplican con periodos de muestreo muy cortos con respecto al periodo fundamental T 1=1/f 1. En este artículo se supone que la señal es muestreada a N1=16 muestras por ciclo, entonces τ=T1/16. El modelo de la señal truncado es dado por: (7) donde rK (t) es el fasor rotado, y hT extrae su primera componente, por ejemplo el vector h T=(1 0 -- 1), con K ceros. Suponiendo t0=(n-1)τ y t=nτ se tiene la transición de estados rotados discretos: (8) Donde ψ1 es el factor de fase ψ 1= e jθ1, c o r r e s p o n d i e n t e a l a f r e c u e n c i a fundamental en radianes (θ 1 =j2πf 1 τ=j2π/N). Finalmente, se obtiene la ecuación del estado de transición discreto como: (9) Y el modelo truncado de la señal: (10) Esta ecuación muestra la dependencia instantánea del modelo de señal en el fasor dinámico. El filtro Taylor-Kalman es un seguidor de señal que opera como un desintegrador instantáneo de señal, lo que ocurrirá cuando la señal de entrada esté contenida en el subespacio generado por el modelo de señal en lazo cerrado. Para el subespacio de segundo orden (K=2), es precisamente el caso de oscilaciones suaves numéricos, en donde se alcanzan errores de estimación de señal de millonésimas. La matriz de transición de estados en (9) es compleja 2(K+1)×2(K+1) y trabaja con los fasores rotados, así que para obtener los estimados del fasor dinámico, deben anti-rotarse. Note que el modelo de espacio de estados en (9) contiene la información genética del desarrollo de la trayectoria compleja de una muestra a la siguiente. El modelo en estado estable de la señal (K=0) obligaría al fasor a moverse en círculos de una muestra a la siguiente. Con la matriz de transición de estados de Taylor (6), se permite a 33 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. los estimados del fasor moverse en trayectorias más flexibles, acotadas por el termino de Taylor de mayor orden en el polinomio. A continuación se muestra cómo es que los modelos truncados de la señal se incorporan dentro del controlador LinealCuadrático. Este filtro con base en el controlador, descompone la señal de entrada en las componentes de un vector de estados. La descomposición del LQG y sus estimaciones son cuasi-instantáneas, es decir, contienen un retardo muy pequeño que es imperceptible para la estimación del fasor. Controlador Lineal-Cuadrático Gaussiano Como se acaba de mostrar, el espacio de estados del modelo dinámico de la señal incorpora las derivadas de la envolvente compleja. En lugar de utilizar solo el algoritmo de Kalman, 6 en este artículo la incorporación del controlador LQ conduce a la implementación del LQG, el cual aplica la ley de control del algoritmo del LQ como retroalimentación del vector de estado proporcionado por el filtro óptimo de Kalman. El control LQG puede ser aplicado tanto en sistemas invariantes en el tiempo así como en sistemas variantes en el tiempo. 7 Esta última característica permite diseñar controladores de retroalimentación lineal para sistemas de no lineales inciertos. El controlador LQG es resuelto mediante el siguiente par de ecuaciones de Riccati: (11) (12) En estas ecuaciones, Φ es la matriz de transición de estados, S es la solución positiva de la ecuación (11), la cual provee las ganancias óptimas del controlador LQ, y P es la solución positiva y simétrica de (12) que resuelve el problema de estimación lineal-cuadrática, necesaria en el diseño del filtro de Kalman. 8 Las ecuaciones algebraicas discretas de Riccati, (11) y (12) son las siguientes. 9 (13) se nota la similitud entre ellas, lo que se conoce como dualidad.11 Se trata de dos esquemas que juntos resuelven el problema de control LQG. Cada esquema puede ser separado y resuelto de manera independiente mediante el principio de separación. 11 En contraste con este principio y la solución clásica del LQG, 12 este trabajo propone una alternativa del controlador LQG, la cual consiste en resolver ambos esquemas a través de la ecuación en diferencias de Riccati (12), substrayendo la ecuación (11). Los observadores obtenidos mediante este algoritmo son capaces de mejorar las estimaciones fasoriales en condiciones oscilatorias. El espacio de estados del modelo de señal usado en el algoritmo del LQG es obtenido de las derivadas del polinomio de K-ésimo orden de Taylor, correspondiente a una aproximación de Taylor del modelo de la señal pasabanda dada una señal de entrada. Controlador LQ y Filtro de Kalman El algoritmo del controlador LQG se presenta a continuación. El diagrama esquemático se ilustra en la figura 1. Está basado en la siguiente ecuación de estado: (15) donde x(n) y Φ son el vector de estado y la matriz de transición de estados definida en (9), Γ es el vector de entrada con 2(K+1) unos, para retroalimentar igualmente a los estados del sistema, mientras u(n) es la entrada proporcionada por la retroalimentación del LQG, y v(n) es ruido blanco gaussiano (WGN). Por otro lado, el modelo de observación es: (16) (14) La ecuación (13) tiene la particularidad que es resuelta hacia atrás. 4 Observando ambas ecuaciones, 34 Fig. 1. Diagrama General del Sistema. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. el cual corresponde al modelo de señal en (10), pero afectado por WGN aditivo ω(n). Finalmente, el algoritmo recursivo LQG es formado básicamente de dos principales secuencias: la primera (I) calcula el vector de ganancias hasta que las ganancias de Kalman se encuentran en estado estable, mientras que la segunda (II) filtra la señal mediante la aplicación de las ganancias en estado estable. Los pasos para ambas secuencias para el n-ésimo ciclo aparece a continuación: I. Para n de 1 hasta Nss A. Actualización del estado 1) Predicción del estado (17) 2)Error de Covarianza a Priori (18) B. Actualización de la Medición 1) Ganancia de Kalman (19) 2) Corrección del Estado (20) 3) Error de Covarianza a Posteriori (21) 4) Ganancia LQ (22) donde σv y σω son las varianzas de entrada y la medición de ruido, respectivamente. r=1 se refiere al peso de control para un sistema de entrada singular y salida singular; si r es muy grande, cancela el efecto de retroalimentación de L. El proceso comienza con x(0)=0, y P(0)=1×109 para la matriz de error de covarianza inicial desconocida del estado. Una vez que las ganancias de Kalman se encuentran en K̅ = K(N ss), la ley de control LQ es aplicada mediante la siguiente secuencia: II. Para n de n>Nss hasta Nend C. Estado de retroalimentación 1) Predicción del estado (23) 2) Actualización del estado (24) Note que la predicción del estado en (23) contiene la ley de control del algoritmo LQG propuesto, el 2 2 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 cual difiere de la clásica (u(n)=-L ̅x ̂(n-1)). Esta peculiaridad es explicada en el siguiente párrafo. Vale la pena señalar también que la carga computacional del proceso de filtrado LQG se reduce sólo a (23), (24) y la antirotación. El algoritmo propuesto es entonces una estrategia sofisticada del LQG basada en la solución del LQ y el algoritmo del filtro de Kalman mediante (24). Para más implementaciones alternativas, conocidas como estrategias sofisticadas. 13 El sistema LQG es resuelto por (14) en lugar del par de ecuaciones de Riccati, porque en esta aplicación solo disponemos de las muestras de señal. Esta ecuación contiene en su estructura fundamental, el vector H el cual extrae el fasor y conjugado complejo que sintetiza la componente de señal, proporcionando la matriz P de la cual K(n) y L(n) son calculadas. Note que el factor inverso en el último termino en (14) es escalar, por lo tanto puede definir la matriz Q=HTH, la cual pondera P(n), de tal modo que los elementos de P que tienen que ver con el primer estado y su complejo conjugado permanezcan, anulando los elementos relacionados con los otros estados. El mismo principio puede ser usado cuando el factor inverso es matricial. En este caso el lema de inversión de matrices puede ser usado. Esta es la razón por la cual solo se implementa (14). Una vez que las ganancias estables de Kalman son obtenidas como en la referencia 6, la matriz de transición de estados propuesta en (23) del controlador óptimo LQ es la siguiente: (25) Esta matriz de transición es propuesta en lugar de la clásica (Φ-ΓL ̅ ) porque es inestable, con dos muy lejos raíces fuera del círculo unitario. Este inconveniente fue resuelto transponiendo la matriz ΓL ̅ como se indica en (25) para asegurar estabilidad. De hecho la matriz transpuesta tiene en cada una de sus filas, cada una de las ganancias de L correspondientes; de esta manera, el mismo valor constante es sustraído de cada fila de Φ, asegurando la estabilidad en nuestro caso. Esta opción es posible porque la ley de control no tiene restricciones de diseño, y la transpuesta conserva el rango de la matriz. 14, 15 Por otro lado, esta solución puede ejecutarse junto con el algoritmo de Kalman, formando un sistema híbrido de control. Las ganancias LQ del sistema son fijadas junto con las ganancias de Kalman, es decir, L ̅=L(Nss). 35 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. En este artículo, las ganancias de Kalman son fijadas cuando se alcanza el primer estado estable, como en la referencia 6. Otro criterio de paro para las ganancias de Kalman puede ser consultado en la referencia16. La aproximación propuesta LQG en (22) está basada en la idea de que la ecuación solución para Kalman (14) provee mejor estabilidad ya que toma en cuenta las matrices Γ y H. Pero, incluso si no se tiene una justificación teórica para explicar por qué el estimador propuesto funciona correctamente, la eficencia del algoritmo propuesto se verifica a través de las simulaciones y los resultados experimentales de la siguiente sección. Resultados Numéricos Esta sección ilustra los estimados del fasor y sus primeras derivadas de la señal oscilatoria, al igual que las señales de prueba del estándar 1 con un paso en amplitud y fase, y una rampa en frecuencia. A. Señal Oscilatoria De acuerdo con la señal pasabanda (1), se diseña una señal de prueba mediante las siguientes funciones de amplitud y fase para una portadora a f1=60 Hz: Fig. 2. Estimación de Amplitud y Fase usando el algoritmo LQG con φ0. mostrados a continuación. El incremento en el orden del modelo de señal, los cuales son más cercanos a las funciones ideales amplitud y fase, pueden ser vistos en la figura 3. Los errores de amplitud y fase para K=0 y K=2 son mostrados en la figura 4. Por otro lado, la figura 5 muestra los estimados de las primeras derivadas de (a) amplitud y (b) fase. Las derivadas corresponden a la velocidad de la amplitud de la oscilación y a la frecuencia de (26) cuyos parámetros son: a0=1, a1=0.1, y fa = 5 Hz, para la amplitud y φ0=1, φ1=0.1, y fφ = 5 Hz, para la fase. Otras características de la señal son σv2=0.01 y σ ω2=10 -4, en otras palabras las varianzas de entrada y la medición de ruido, respectivamente. Esto corresponde a una relación señal-ruido de 37 dB, equivalente a la producida por un convertidor análogo-digital de 6 bits. 1) Modelo de Orden Cero: El algoritmo LQG con el modelo de orden cero Φ0, el cual corresponde al modelo tradicional con amplitud y fase constante, no mejora los resultados del filtro TaylorKKalman visto en la referencia 6 como se puede ver en la figura 2. Se puede ver el mismo efecto corrugado y el retardo en los estimados, lo que demuestra que el supuesto contante excluye la información necesaria para estimar las fluctuaciones. 2) Modelo de Orden Dos: Los resultados obtenidos con el modelo de orden dos Φ2, son 36 Fig. 3. Estimación de Amplitud y Fase usando el algoritmo LQG con φ2. offset (con respecto a la frecuencia fundamental), respectivamente. Aparentemente dichos estimados no son suaves como los estimados del fasor, debido a su aparente comportamiento ondulatorio. La calidad de los estimados LQG es baja respecto a los estimados obtenidos con el filtro de Kalman en la referencia 6. La figura 6 ilustra el error absoluto Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. alcanzado. Se puede observar que el error se debe principalmente a un retraso aparente. El vector de ganancias de Kalman de este ejemplo fue tomado de su primer periodo de estado estable ocurrido al final del primer ciclo. Se observa que en el primer ciclo fundamental, el comportamiento de los estimados es similar al mostrado en figuras previas, pero después de ese intervalo de tiempo, las ganancias se degradan adoptando un comportamiento muy similar al del modelo de orden cero. Entonces el vector de ganancias de Kalman es fijado en su primer periodo de estado estable. La primera mitad del vector de ganancias es el siguiente: Fig. 4. Error relativo de amplitud y error absoluto de fase. Donde la segunda mitad es el conjugado complejo de la primera. Mientras que el vector de ganancias correspondiente del controlador LQ, es fijado en el mismo instante de tiempo que el vector de Kalman, obteniéndose: Una vez que estas se estabilizan, la respuesta en frecuencia del filtro y su comportamiento dinámico son invariantes, como se puede ver a continuación. Fig. 5. Estimados de velocidad y frecuencia del LQG con φ2. Fig. 6. Error absoluto de velocidad y frecuencia con Φ2. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 B. Señal con Paso en Amplitud y Fase La figura 7 ilustra los errores de estimación sobre (a) amplitud y (b) fase de la señal con un paso de escalón de 1 a 1.1ejπ/18 en t=0, como es indicado en la referencia 1, mientras que en la figura 8 se muestran los estimados de sus derivadas, respectivamente. . Fig. 7. Errores de estimación en amplitud y f a s e o b t e n i d o s c o n l o s f i l t r o s T 2- K y T 2LQG de la señal con un paso en amplitud y fase. 37 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. Como se puede observar, tomando en cuenta una banda de tolerancia del 5%, 14 el tiempo de asentamiento es aproximadamente de 2 ciclos, haciendo que el transitorio presentado por el LQG sea mejor que el del filtro de Kalman. Fig. 8. Estimados de la primera derivada de amplitud y fase obtenidos con los filtros T2-K y T2-LQG de la señal con un paso en amplitud y fase. C. Análisis de Sensibilidad al Ruido Otro análisis interesante tiene que ver con la sensibilidad de los estimadores ante WGN aditivo en la señal de estado estable. La figura 9 muestra el nivel de ruido en la amplitud de salida en dB, así como la cota de CramerRao (CRB), cuando el SNR de la señal de entrada se incrementa. Como podemos ver, ambos filtros tienen sensibilidad al ruido similar, la cual es 1.25 mayor que la CRB en 10 dB y casi igual a 100 dB de SNR. D. Señal con rampa en frecuencia La figura 10 ilustra los estimados de (a) amplitud y (b) fase de la señal con una rampa de frecuencia de 2 Hz/s, mientras que la figura 11 los estimados de sus derivadas, respectivamente. Podemos ver que los estimados de fase son mejores que los de amplitud. La respuesta en frecuencia del algoritmo LQG tiene una ganancia plana superior más corta que el filtro de Kalman, esto es porque la amplitud de los estimados del algoritmo LQG son más altos que los del filtro de Kalman. Con respecto a los Fig. 10. Estimados de magnitud y fase obtenidos con los filtros T2-K y T2-LQG de la señal con una rampa en frecuencia. Fig. 11. Señal con rampa de frecuencia. estimados de las derivadas, podemos ver que los estimados de frecuencia de ambos filtros son bastante bueno, y la rampa en frecuencia es vista como un incremento en amplitud por ambos filtros. Nuevamente, el algoritmo LQG es peor que Kalman. Fig. 9. Nivel de ruido en la amplitud de salida de los filtros T2-K y T2-LQG cuando la entrada es una señal de estado estable con ruido aditivo. 38 RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL FILTRO TAYLOR-LQG La respuesta en frecuencia del filtro Taylor-LQG es obtenida a través de la transformada z de la ecuación de estado (27) Con la ganancia de Kalman K en estado estable. La transformada z de (27) es Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. (28) y resolviendo para x ̂(z), se tiene (29) Entonces la función de transferencia entre los estados del modelo de la señal y la señal de entrada está dada por (30) dos derivadas. La figura 13 muestra la respuesta de magnitud del primer (gráfico superior) y segundo (gráfico inferior) derivador estimado. Ambos filtros también tienen ganancia nula alrededor de la Y las respuestas en frecuencia de los estados del filtro se obtienen evaluando la función de transferencia en G(z) a z=ejθ, para -π<θ≤π. A. Respuesta en Frecuencia del Filtro Taylor2-LQG Los gráficos (a) y (b) en la figura 12 muestran la respuesta de magnitud y fase de los estimados del fasor del filtro. A diferencia de la respuesta de magnitud del filtro de Kalman, vista en la referencia 2, la respuesta de magnitud del filtro LQG no exhibe frecuencia de resonancia cercana a la frecuencia nula; sin embargo, continúa presentando ganancias armónicas altas. Por lo tanto el filtro trabaja solamente cuando el espectro de la señal está confinado dentro de los intervalos de las ganancias planas. Una característica importante, es la respuesta de fase que es casi nula alrededor de la frecuencia fundamental. Esto significa que los estimados del fasor proporcionados por el filtro son cuasiinstantáneos. Esto explica por qué las estimaciones fasoriales mostradas en la figura 3 son muy cercanas a la señal dada. El algoritmo del filtro Taylor2-LQG provee también de los estimados de las primeras Fig. 12. Respuesta en frecuencia del Filtro Taylor2-LQG para varias frecuencias de muestreo. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Fig. 13. Respuesta en Magnitud del primer y segundo diferenciador del filtro Taylor2-LQG frecuencia fundamental negativa, lo que significa que rechaza esa componente. Estos filtros también exhiben altas ganancias armónicas lo que significa que son muy sensibles al ruido esperado. B. Efecto de la Ganancia de Retroalimentación El comportamiento mostrado por el filtro Taylor2LQG difiere muy poco respecto al comportamiento del filtro Taylor2-Kalman, que a pesar de que las ganancias del controlador LQG son relativamente pequeñas, son suficientes para mover los polos y ceros modificando el comportamiento del filtro, y reduciendo las resonancias mostradas en la referencia 12. Fig. 14. Polos y Ceros del filtro Taylor2-Kalman en lazo cerrado. 39 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. Por lo tanto son capaces de redefinir la trayectoria óptima proporcionada por el filtro de Kalman. Esto es debido a que las ganancias L ̅ mueven la posiciones de polos y ceros de la figura 14 a los mostrados en la figura 15. El principal cambio consiste en reducir los módulos del par complejos de polos y ceros, los cuales acortan la respuesta al impulso del filtro. Este cambio los diferenciadores alrededor de cada armónica, la matriz de transición de estados del modelo de señal necesita ser extendida para todas las armónicas de interés. Por ejemplo, se la señal es muestreada a N=2l muestras por periodo, y todas las armónicas son incluidas, entonces la matriz de transición extendida es de la forma: (31) Fig. 15. Polos y Ceros del filtro Taylor2-LQG en lazo cerrado. Como se puede ver, la matriz de transición TaylorFourier es una matriz diagonal cuyos elementos son la submatriz Φ2 multiplicada por los factores de fase rotatorios {ψk, k=0,1,…,15}. La matriz extendida es (K+1)N×(K+1)N; sin embargo, el costo computacional para calcular la transición de un estado no es [(K+1)N]2, sino [(K+1) ]2 N/2 debido a su naturaleza diagonal, y la forma triangular superior de ΦK. Esta reducción es importante porque una vez que las ganancias de Kalman son estables, el algoritmo del LQG es ejecutado solo con las ecuaciones de predicción del estado. (23) y la actualización del estado (24). El vector H de la ecuación de salida (16), para K=2, es de la forma: (32) Entonces se requieren sólo N productos para estimar la señal del vector de estado. Fig. 16. Respuesta Impulsional de puede ser mejor apreciado comparando las respuestas al impulso de ambos filtros en la figura 16. Note una respuesta al impulso con ligeras oscilaciones, con una concentración de energía cerca del origen. Filtro TaylorK-LQG-Fourier El filtro Taylor K-LQG garantiza ganancias ideales del diferenciador alrededor de la frecuencia fundamental. Para obtener ganancias ideales para 40 A. Taylor2-LQG-Fourier La figura 17 muestra la repuesta en magnitud y fase de las primeras armónicas del filtro Taylor2LQG-Fourier, junto a la respuesta del filtro Taylor2-Kalman-Fourier. Note que ambos filtros se comportan como un filtro valla, es decir, extrae una armónica oscilante, rechazando el resto. Además, las altas ganancias interarmónicas son mitigadas considerablemente, y las ganancias planas nulas son preservadas, aunque sus intervalos sean más estrechos. Por otro lado, la respuesta de fase bajo la banda de paso ideal sigue siendo nula plana, indicando un retraso insignificante en los estimados del fasor. Una gran ventaja de estos estimados, es que son de gran utilidad para aplicaciones de control. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. del fasor, junto a los estimados de los derivados del filtro de Kalman, ya que ambos son aplicados simultáneamente en el algoritmo propuesto. De esta manera, en la siguiente sección ilustraremos los resultados obtenidos con ambas técnicas. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se analizan los estimados fasoriales de las señales de (a) voltaje y (b) corriente mostradas en la figura 19. Dichas señales fueron muestreadas a una tasa Fig. 17. Respuesta en Frecuencia del Filtro T2-LQG-F. Fig. 19. Señales de voltaje y corriente. de 16 muestras por ciclo de un sistema de potencia de Sudamérica. Fig. 18. Respuesta de Magnitud del primer y segundo diferenciador asociados al Filtro T2-LQG-F. La figura 18 muestra la respuesta de magnitud para el (a) primer y (b) segundo diferenciador del fasor. Note que cercanos a la frecuencia fundamental la respuesta de magnitud exhibe ganancias del diferenciador ideales. Sin embargo, ambos diferenciadores pierden sus ganancias nulas planas alrededor del resto de los armónicos. En lugar de ello, exhiben ganancias parabólicas alrededor de estas frecuencias. Esto significa que cada estimado de los derivados armónicos contendrá la infiltración de los segundos derivados del resto de los armónicos. Entonces, el algoritmo LQG mejora los estimados del fasor del filtro de Kalman pero empeora los estimados de sus derivados. Este inconveniente puede ser resuelto tomando del LQG los estimados Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 A. Señal de Voltaje Los módulos de los estimados fasoriales de la señal de voltaje son mostrados en la figura 20 (a), con el error de estimación de la reconstrucción de Fig. 20. Estimados de Amplitud de la señal de voltaje (a) y error de reconstrucción de señal (b). 41 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. la señal en el gráfico (b). Dado que no contamos con una envolvente teórica, no podemos estimar el error fasorial, como en el caso de la señal teórica. Estos resultados son obtenidos con el filtro LQG con K=0 y K=2. Es evidente que las fluctuaciones de voltaje crecen con el tiempo, con valles más profundos. También es notorio que el error de estimación de la señal disminuye cuando el grado de los polinomios de Taylor aumenta. Note que el nivel del error de estimación de la señal es muy bajo, indicando un muy buen estimador de señal. Sin embargo, nuestro problema no es estimar la señal, sino los parámetros del fasor. De modo que, los bajos niveles de los errores de la señal se obtienen con las estimaciones de la amplitud del fasor contaminado por ruido proporcionados por el modelo de segundo orden. El gráfico (a) en la figura 21 muestra los Fig. 21. Estimados de Amplitud de la señal de voltaje (a) y su primer y segunda derivada en (b) y (c). Fig. 22. Estimados de fase de voltaje (a) y primer y segunda derivada en (b) y (c). 42 estimados de amplitud del LQG y Kalman, con los primeros y segundos derivados de Kalman en los gráficos (b) y (c), respectivamente. Es claramente visible que las estimaciones de amplitud de la señal de voltaje difieren un poco. Podemos ver que los estimados de sus derivados, incluso si son ruidosos, se pueden utilizar para detectar los puntos críticos de la señal de amplitud. La misma conclusión se puede sacar de las estimaciones de fase en la figura 22, que corresponden a las estimaciones de fase del LQG, y Kalman de la fluctuación de la frecuencia fundamental y su tasa de cambio, respectivamente. B. Señal de Corriente Los estimados de la señal de corriente se muestran en las figuras 23-25, conteniendo parámetros equivalentes de la señal de voltaje en las figuras 20-22. Podemos ver en el gráfico (a) de la figura 23, que las estimaciones de amplitud son bastantes similares, además de que la señal de corriente está creciendo, indicando inestabilidad en el sistema de potencia. El nivel de error alcanzado por las estimaciones de señal de corriente es similar a la de la señal de voltaje. Por otro lado, las estimaciones de los derivados de amplitud y fase que se ilustran en las figuras 24 y 25, tienen las mismas propiedades que se encuentran en las estimaciones de la señal de voltaje. Del análisis de la señal de voltaje y corriente se puede concluir que el sistema está en un estado de pesado estrés. Sin embargo, las estimaciones son bastante buenas, y se pueden utilizar en aplicaciones de control a causa de su retardo insignificante. Fig. 23. Estimados de amplitud de la señal de corriente (a) y error de reconstrucción de señal. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. Bellman en el problema de estimación fasorial, pero más trabajo de investigación se debe hacer para encontrar mejores soluciones alternativas. Por ejemplo, para implicar a los derivados de señal en el error con mayores ganancias en el vector de entrada, o mediante la propuesta de una matriz de entrada en lugar de un vector. Fig. 24. Estimados de amplitud de corriente (a) y primer y segunda derivada en (b) y (c). Fig. 25. Estimados de fase de corriente (a) y primer y segunda derivada en (b) y (c). La aplicación del principio de Optimalidad de Bellman en el lazo de control LQ de un sistema modelado es un algoritmo óptimo clásico. Sin embargo, como en nuestro problema de estimación del fasor solo tenemos la señal disponible, el algoritmo de Kalman es usado para proveer de los estimados de estado requeridos por el algoritmo LQ. Además la solución LQR produjo estimaciones fasoriales muy pobres, independientemente del orden de Taylor utilizado en el modelo de señal. Finalmente, la ley de control clásica rindió soluciones inestables. La solución propuesta resuelve estos inconvenientes. Esta solución es sugerida como un punto de partida en un proceso iterativo de selección.17-19 En este primer intento, se utilizaron los criterios descritos en el documento para abrir el camino a la aplicación del principio de la Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 CONCLUSIÓN Es posible aplicar la acción de control LQ en los filtros TK-K y TK-K-F para mejorar los estimados del fasor. La principal ventaja de los filtros LQG es que mejoran la respuesta en magnitud reduciendo las frecuencias resonantes cercanas a la frecuencia fundamental, así como las ganancias de interarmónicas el filtro de Kalman. Sin embargo, el control LQ degrada los estimados de las derivadas del filtro de Kalman. Por lo tanto, el esquema propuesto en este trabajo consiste en tomar las estimaciones del fasor del filtro LQG, y las estimaciones de sus derivadas del filtro de Kalman. REFERENCIAS 1. 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Describe la relación entre el diseño ideal por computadora y las desviaciones naturales del proceso de construcción. Para la calibración cinemática del brazo se utilizan las funciones de transformación geométrica 3D. La calibración de forma se logra a través de un cuadro experimental de mediciones utilizando un patrón de FIMcalibración. Como resultado se muestra la digitalización de un objeto 2D en el espacio R3. PALABRAS CLAVE Máquinas de coordenadas, digitalizador 3D. ABSTRACT The geometric reconstruction and measurement plays a key role in manufacturing. In the last ten years the 3D technology has become more popular, but the market demands such technology to be cheaper, faster and easier to use. This work presents the design and construction of a measurement arm, to be used as a 3D scanner. The work also describes the relation between ideal design and natural production deviations. For the kinematic calibration 3D transformations were used. The form calibration is achieved through pattern measurement experiments. As preliminary result 2D scanned objects in R3 are presented. KEYWORDS Coordinate Measuring Machines, 3D scanner. INTRODUCCIÓN La digitalización de geometrías tridimensionales se ha convertido en un proceso crítico que apoya fuertemente la manufactura. Hoy en día existe suficiente oferta de digitalizadores 3D en el mercado. Las limitaciones de dichos sistemas han sido objeto de investigaciones como las de Iuliano et al. 1, Yang et al. 2 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 45 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Wu et al. 3 Aunque la implementación de dichas tecnologías ha llegado completamente a los trenes productivos, 4-6 en el caso de México no han penetrado significativamente al mercado nacional. Ver la Prospectiva Tecnológica Industrial de México 2002-2012 en el Sector 8 Diseño y Automatización, área 8.1 Diseño. El proceso de producción para objetos con superficies complejas 7, 8 permite {1} la digitalización de objetos con facilidades que implican usuarios con el mínimo de requerimientos cognitivos; ello abarata el proceso y permite una mejora de las características estéticas y funcionales del producto (optimización del proceso de diseño con la introducción de métodos de ingeniería inversa); {2} nuevas funciones para el diseño estilístico, para permitir mejores resultados: mejor calidad y menor tiempo invertido en el diseño y {3} una arquitectura nueva de sistema tipo modular, que permitirá a las pequeñas y medianas empresas acceder a los sistemas de diseño alternativo, hasta ahora fundamentalmente usados por las grandes empresas. El objetivo principal es reconstruir en computadora la geometría de un objeto. Para lograrlo es necesario alcanzar las metas: • Diseñar y construir un sistema propio para la captura de coordenadas espaciales. • Compensar los errores mecánicos y elaborar algoritmos de cálculo. • Enlazar los algoritmos con una interfaz flexible dentro de un programa de CAD comercial. El presente proyecto apoya los trabajos desarrollados por los autores sobre optimización geométrica usando algoritmos de crecimiento biológico,9-13 en el desarrollo de un sistema que permita la digitalización de objetos de geometría compleja.14-16 por TCP (Tool Center Point). El cálculo de las coordenadas del TCP incluye no solamente el análisis del mecanismo, sino también las consideraciones de calibración individual de los componentes, así como el de todo el sistema en general. Si el TCP está posicionado en un objeto, las coordenadas del TCP serán las del punto de contacto de la probeta con el objeto. El uso exhaustivo de esta condición permite la captura de puntos a lo largo del objeto, y por lo tanto, de la geometría de éste. La metodología utilizada para la construcción del brazo digitalizador fué: • Modelo cinemático, construcción y ensamble de los elementos mecánicos. • Calibración cinemática y de forma. • Programación de algoritmos para el cálculo utilizando transformaciones geométricas. • Creación de la interfase de usuario. • Pruebas de medición. La calibración cinemática calibra los parámetros de las funciones de cinemática directa que describen el mecanismo. 17-20 Se calculan los valores tridimensionales de posición y orientación suponiendo que cada miembro es perfecto y no se ve afectado por factores tales como deformaciones por fuerza, temperatura, etc. La calibración de forma calibra los errores de ensamble y construcción. 21, 22 Una vez calibrado, si se coloca el brazo de tal forma que el TCP toque a un objeto en cuestión, por compensación geométrica es posible calcular el valor de coordenadas del punto del objeto que se está tocando. Un sistema electrónico supervisa codificadores angulares de cada grado de libertad. Los valores angulares son los datos de entrada de un algoritmo para el cálculo del TCP, y a través de la transferencia a un ambiente CAD de computadora. Esto convierte al brazo en una máquina de medición. METODOLOGÍA El brazo es un mecanismo articulado sin elementos motrices para ser movido y colocado de forma manual, manteniendo el sistema de referencia fijo. Cada articulación tiene acoplado un sensor digital, que codifica el valor angular de la articulación. La punta consta de un palpador recto o probeta, cuyo punto de contacto en la jerga técnica es conocido MODELO CINEMÁTICO DEL MECANISMO Sea {L} (ecuación 2) el vector de valores de construcción y {θ} (ecuación 3) el vector de valores de posición. La ecuación (1a) calcula la traslación para cualquier sistema local de coordenadas, mientras que las ecuaciones (1b, 1c, 1d) calculan las rotaciones X,Y,Z de los ejes locales con respecto al sistema universal. 46 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Las distancia entre cada articulación de la cadena son: LT = (1 4 6.25 3.69 4 4 0.5 0.5) (ec. 2) Los valores angulares están dados por la constante de resolución del codificador angular y el valor numérico del contador de pulsos: (ec. 3) El vector {P} representa los ejes locales de cada articulación. (figura 1). (4) Fig. 1. Ensamble completo del brazo digitalizador. Se destacan el sistema de referencia XYZ y el punto final del brazo TCP. (1a) (1b) (1c) (1d) Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Nótese que los argumentos de la transformación lineal y la posición en la multiplicación matricial de las rotaciones Rx, Ry, Rz identifican la construcción geométrica del mecanismo. La multiplicación de todas las matrices de transformación mostradas en (ec. 4) representa la ecuación del modelo del mecanismo. PT := P0P1P2P3P4P5P6P7 (5) PT es también una matriz homogénea 3D, por lo que las coordenadas del punto de medición TCP es la columna resultado de la matriz. (6) TCP = PT <3> COMPONENTES Y ESTRUCTURA DEL BRAZO DIGITALIZADOR Las articulaciones del brazo digitalizador son de dos tipos: 1) Articulación de codo: con un rango de trabajo de 300°. Figuras 3a y 4a. 2) Articulación radial: con un movimiento angular libre nπ. Figuras 3b y 4b. 47 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. El ensamble completo consta de tres articulaciones de codo y tres de tipo axial, unidas por cuatro cilindros rectos de 2 pulgadas y uno de 4 pulgadas. La figura 5 muestra las piezas maquinadas y el ensamble final. Como herramienta se acopló un palpador recto. LOS SENSORES DE ARTICULACIÓN Y SU SISTEMA DE SUPERVISIÓN El sistema 586-drive es un controlador programable en C/C++ basado en un procesador Elan AMD SC520 de 32 Bit a 133 MHz. Este sistema combina un procesador de alto desempeño de la generación 586 con un extenso grupo de características de entrada y salida industriales en una solo tarjeta. (a) (b) Fig. 3. Tipos de articulaciones de los que se compone el brazo digitalizador (a) articulación tipo codo, y (b) articulación axial. (a) (b) Fig. 4. Diagrama de ensamble del sensor con las articulaciones de la figura 4: (a) articulación tipo codo, y (b) articulación axial. Fig. 2. Dimensiones de construcción para el cálculo del vector L de la ecuación (2). Los valores están dados en milímetros. 48 La tarjeta QD8 permite controlar hasta ocho codificadores de cuadratura 63QDL-3-P de 4096 pulsos por revolución. La tarjeta QD8 se interconecta con una controlador (SC520) a través de un bus de datos de 8 bit de alta velocidad. Esto es especialmente importante, pues el reto de mantener todos los valores angulares sin pérdida de información requiere de electrónica de alta velocidad. La tarjeta controladora se muestra en la figura 6, mientras que el acoplamiento mecánico del sensor en la figura 4. El sistema 586 drive y la tarjeta Qd8 administran los pulsos de los seis codificadores angulares. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Es importante hacer notar que este sistema es un producto comercial que garantiza el manejo paralelo de interrupciones de ocho codificadores, pues la sincronización de los pulsos de cada sensor y la consolidación de la información de los ocho contadores para una posición es crítica. Los valores de los contadores de los codificadores se transfieren por el puerto serie RS232 cuando el usuario presiona el pedal de comunicación. Véase la figura 7. AMBIENTE CAD Y SU ESTRUCTURA DE PROGRAMACIÓN La tarjeta electrónica 586 drive, que controla los codificadores angulares de las articulaciones tiene conexión a una computadora por medio de un puerto RS232. El programa residente en la computadora que hace uso de los valores angulares es un algoritmo desarrollado para Rhinoceros, un ambiente de CAD programable, que permite la colocación de un punto por cada bloque de información que conforma la posición del brazo en el momento de la medición. La figura 8 muestra el diagrama a bloques del procesamiento de información. El bloque de transformaciones geométricas es el algoritmo de la implementación de la ecuación 5. La figura 9 muestra el algoritmo ejecutándose en el ambiente de CAD Rhinoceros. (a) (b) Fig. 5. (a) maquinado en taller de las piezas de las articulaciones de la figura 4 y (b) Ensamble del brazo digitalizador. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 49 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Fig. 6. Sistema 586 drive con la tarjeta QD8 para la administración de los codificadores angulares. Los valores numéricos de las desviaciones se presentan en las tablas I (porcentual) y II (pulgadas). La figura 10 muestra una fabricación aceptable en la zona en donde opera la articulación con desviaciones no mayores a 0.01. La desviación de maquinado máxima se presenta en la sujeción del componente, y no presentando excentricidad, es irrelevante para efectos prácticos. Los histogramas de las figuras 11 y 12 permiten concluir que el componente tiene una geometría fiel al diseño: el 65% de las mediciones CÁLCULO DEL ERROR DE MAQUINADO Para la calibración de forma fue necesario que el maquinado de las piezas tuviese una desviación de construcción mínima. Esto garantiza que el mecanismo tenga mínimo error con respecto al modelo matemático (ecuación 6). El análisis de desviación se hizo utilizando una máquina de Fig. 8. Diagrama a bloques del algoritmo del plugin para Rhinoceros. Fig. 7. Sistema de adquisición de puntos para Rhinoceros utilizando un plugin desarrollado exprofeso. coordenadas en cada pieza maquinada (figura 5a). A continuación se presentan los datos de medición del componente P2 y su comparativo con respecto al archivo de CAD. El número de puntos muestreados para este componente fue de 680329. El rango de los valores extremo del componente es: • Máx: +0.097 a -0.097 pulg. (2.4638 mm) • Mín: +0.007 a -0.007 pulg. (2.4638 mm) 50 Fig. 9. Plug-In para el programa CAD Rhinoceros recibiendo el estado numérico de los codificadores. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. tienen una desviación máxima de 0.007 (0.1778 mm), y éstas no ocurren en zonas de funcionalidad. Haciendo ajustes de mínimos cuadrados para el plano: RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para la evaluación se utilizó un bloque patrón de mármol de calibración certificada. Se muestrearon puntos a lo largo de la superficie y se evaluó la nube de puntos arrojada por el brazo digitalizador utilizando el bloque patrón como un plano ideal de referencia. 23, 24 Las coordenadas medidas con el brazo fueron ajustadas a un plano utilizando mínimos cuadrados (ecuaciones 7 y 8). (7) (8) Resolviendo X = MB * MA-1 Tabla I.- Porcentaje de desviaciones. >=Min (pulg.) <Max (pulg.) # Puntos % -0.097 -0.082 -0.082 957 0.141 -0.067 4378 0.644 -0.067 -0.052 6078 0.893 -0.052 -0.037 7725 1.135 -0.037 -0.022 18327 2.694 -0.022 -0.007 47460 6.976 -0.007 +0.007 445456 65.477 +0.007 +0.022 25009 3.676 +0.022 +0.037 29410 4.323 +0.037 +0.052 52843 7.767 +0.052 +0.067 6692 0.984 +0.067 +0.082 7562 1.112 +0.082 +0.097 28432 4.179 Fig. 10. Diagrama de colores de las desviaciones de maquinado con respecto a su diseño en CAD de un componente de articulación. Tabla II. Desviaciones estándar. Distribución (+/-) # Puntos % -6 * Std Dev 0 0.000 -5 * Std Dev 0 0.000 -4 * Std Dev 1324 0.195 -3 * Std Dev 9273 1.363 -2 * Std Dev 17279 2.540 -1 * Std Dev 300053 44.104 1 * Std Dev 236107 34.705 2 * Std Dev 75303 11.069 3 * Std Dev 9834 1.445 4 * Std Dev 31156 4.580 5 * Std Dev 0 0.000 6 * Std Dev 0 0.000 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Fig. 11. Histograma de porcentajes de las desviaciones estándar de la tabla I. 51 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Tabla III.- Valores (mm) de desviación al plano de ajuste. Fig. 12. Histograma de desviaciones estándar de la tabla II. Se encuentra el plano de ajuste para la nube de puntos y su desviación con respecto a este plano se muestra en la tabla III. Dichos valores son los valores de error del brazo digitalizador. En la figura 13a y 13b se muestran en amarillo los puntos medidos del experimento, en verde la interconexión de éstos como malla triangular, en azul el plano de ajuste resultado del ajuste a mínimos cuadrados y en rojo, escaladas visible, las desviaciones de cada punto a dicho plano. Hay videos del proceso de medición del cuadro experimental puede verse en las siguientes direcciones: http://www.youtube.com/watch?v=GxP-jEBFRbo http://www.youtube.com/watch?v=gXYUSzoPSHg El procedimiento es manual y consta de los pasos: 1. Activación del algoritmo de cálculo con el procedimiento estándar del programa de CAD Rhinoceros. 2. Encendido e inicialización de los valores de los codificadores, relacionando la posición del mecanismo con el valor angular de todas las articulaciones del mecanismo. 3. Posicionamiento manual del palpador en el punto en donde se desea hacer la medición. 4. Transferencia de los valores de los codificadores presionando el pedal. 5. En el ambiente Rhinoceros se registra el punto XYZ calculado. 6. Repetir los pasos 3,4 y 5 tantas veces como se desee. 52 Número de puntos 471 Distancia promedio 0.44196 Distancia mediana 0.40036 Desviación estándar 0.27343 Distancia de ajuste máx. admisible 1 Distancia de ajuste min. admisible 0 Con dicho procedimiento se tomaron medidas al bloque patrón encontrando dimensiones de 205.38 x 300.14mm. La diferencia de las mediciones es de 2.18mm y -4.66mm respectivamente, lo cual arroja un el error de 1.07% y -1.53% respectivamente. (figura 14). Para comprobar el efecto visual del grado de precisión del brazo digitalizador se imprimió en papel un dibujo hecho por computadora (con licencia de uso libre), para después ser reconstruido utilizando el brazo. El resultado se muestra en la figura 15. La figura 15a es una imagen vectorizada 2D; los cuadrantes de la figura 15b muestran la figura en el espacio tridimensional referido al sistema de coordenadas locales del brazo digitalizador, las cuales siempre son diferentes al sistema de coordenadas local del programa de dibujo de la computadora. Se encuentra que para este brazo el: • Valor de tolerancia (T).- Diferencia entre los valores mayor y menor considerados como válidos en el plano es T=3.648mm. • Valor de incertidumbre (I).- La dispersión de la distancia de los valores medidos con respecto al plano de mármol es I=0.27343mm. • Los porcentajes de error en las mediciones al patrón de calibración fueron de 1.07% y 1.53%. Una ventaja de este prototipo es que está en condiciones para que sea utilizado por personal no especializado para la captura de geometrías complejas, como es el caso de modelos a escala, geometrías de origen biológico, y componentes industriales con requisitos de baja precisión. La figura 15a es una imagen vectorizada 2D; los cuadrantes de la figura 15b muestran la figura en el espacio tridimensional referido al sistema de coordenadas locales del brazo digitalizador, Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. (a) (b) Fig. 13. Tanto en (a) como en (b) se muestran: puntos medidos, malla triangular, plano de ajuste y desviaciones al plano. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 53 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Fig. 14. Mediciones en CAD 3D Rhinoceros tomadas con el brazo digitalizador al bloque patrón de mármol. Las cotas muestran las dimensiones medidas. (a) (b) Fig. 15. Prueba de aplicación del brazo: (a) dibujo hecho por computadora [http://vector4free.com], y (b) reconstrucción CAD 3D Rhinoceros en R3 utilizando el brazo. 54 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. las cuales siempre son diferentes al sistema de coordenadas local del programa de dibujo de la computadora. TRABAJO REALIZADO Se diseñó y fabricó un brazo digitalizador integrando algoritmos de programación con componentes electrónicos asequibles y piezas maquinadas en taller. Se obtuvieron las coordenadas de la geometría para ser utilizadas por programas computacionales comerciales. Se demostró la factibilidad de la fabricación de un brazo digitalizador con aplicaciones de medición e ingeniería inversa. Se sometió el brazo a un cuadro experimental con un patrón plano que permitió hacer las primeras calibraciones. Los experimentos llevados a cabo con el dispositivo permiten inferir su viabilidad en aplicaciones dedicadas a la captura de objetos de geometría compleja, tal como pueden ser objetos artísticos, antropológicos y/o biológicos. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue realizado por miembros del cuerpo académico Sistemas Integrados de Manufactura como parte del proyecto de investigación 103.511-6844 UANL-CA-166 patrocinado por SEPPROMEP. Se utilizó el equipo de las instalaciones del Departamento de Mecatrónica de la FIMEUANL. Los autores agradecen al M.C. Ing. Leonel Montelongo por su desinteresada donación bibliográfica, de componentes y recursos para la construcción del sistema electrónico del brazo digitalizador; también a los estudiantes de la carrera de Ingeniero en Mecatrónica: Guillermo Loera González, Idalia Urbano Alemán, Jaime Aparicio Esquivel, José Alberto Rodríguez Chávez, Martha Angélica Villasana de la Garza. LISTA DE EQUIPO Y SOFTWARE UTILIZADOS • Sistema 586-drive: controlador programable en C/C++ basado en un procesador Elan AMD SC520 de 32 Bit a 133 MHz. • Tarjeta QD8 permite controlar ocho encoder de cuadratura. La tarjeta QD8 se interconecta al Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 • • • • • • • • sistema 586 a través de un bus de datos de alta velocidad. Rhinoceros v4 dotado del módulo RhinoVB.NET SDK. MathCAD R14 para cálculos. SolidWorks v2007. MicroSoft Visual Studio. .NET Framework 2.0. VB.NET Express 2010. Plano de mármol de calibración marca Mitutoyo “Graplate” grado 8, de 8x12 pulgadas (203.2x304.8mm), serie 548-0 con exactitud de 0.002 pulgadas. Impresora 3D de la compañía ZCorp, modelo Spectrum Z510 con capacidad de construcción de 2 capas por minuto y un volumen de trabajo de 254 x 356 x 203 mm, con resolución de 600 x 540 dpi. Máquina de coordenadas marca FARO modelo “Platinum Arm P0805” de 19,200 mediciones/ segundo, con una exactitud de 50μm (0.002 pulgadas) y repetibilidad ± 50μm, 2σ (± 0.002 pulgadas). Licencia de software para el tratamiento de puntos Geomagic Studio/Qualify v8. REFERENCIAS 1. L. Iuliano, P. Minetola and A. Salmi. Proposal of an innovative benchmark for comparison of the performance of contactless digitizers. IOP Publishing. Measurement Science and Technology, 21 105102 (13pp, 2010. 2. Yang Hu, Qingping Yang,Xizhi Sun. Design, Implementation, and Testing of Advanced Virtual Coordinate-Measuring Machines. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 61, NO. 5, May 2012. 3. Y. Wu, H. Wang, Z. Li. Quotient Kinematics Machines: Concept, Analysis, and Synthesis. Journal of Mechanisms and Robotics, ASME. vol. 3. May 2011. 4. Nicola D’Apuzzo. Overview of 3D surface digitization technologies in Europe. 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Chen. Structural Parameter Identification for Articulated Arm Coordinate Measuring Machines. International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation. p128-131. Computer Society IEEE 2009. 22. H.P. Jawale, H.T. Thorat. Investigation of Positional Error in Two Degree of Freedom Mechanism With Joint Clearance. Journal of Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Mechanisms and Robotics. Transactions of the ASME, vol. 4. February 2012. 23. Z. Li, Y. Wang. Research on 3D Reconstruction Procedure of Marked Points for Large Workpiece Measurement. 2009 Fifth International Conference on Information Assurance and Security. Computer Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Society IEEE 2009. 24. F. Mazzini, S. Dubowsky. Experimental Validation of the Tactile Exploration by a Manipulator With Joint Backlash. Journal of Mechanisms and Robotics, ASME. vol. 4. February 2012. 57 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino Bruno Cisneros DammA,B, Alberto Pérez UnzuetaB A B PROLEC GE International, S. de R.L. de C.V. Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME RESUMEN En el presente trabajo se demuestra que el tanque del transformador eléctrico monofásico tipo poste fabricado de acero al carbono metalizado y pintado cumple con los requisitos de vida útil esperada para zonas de alta corrosión atmosférica. Se realizaron pruebas de cámara salina en probetas y tanques prototipo. Con los resultados obtenidos, se pudo confirmar que existen combinaciones de metalización con cinc y pintura tipo poliéster, que cumplen con los requisitos de operación en zonas costeras. PALABRAS CLAVE Transformadores de distribución, corrosión, metalizado, recubrimiento. ABSTRACT In this work, samples of mild steel and containers for pole mounted singlephase distribution electrical transformers were treated by different metallizing processes and painted with polyester base paint. Tests were performed in a salt spray chamber. Results obtained showed that there are combinations of zinc plating and polyester type paint that meet the operational requirements in coastal areas. KEYWORDS Distribution transformers, corrosion, metallizing, coating. INTRODUCCIÓN La mayoría de metales y aleaciones que han sido obtenidos a partir de compuestos minerales, principalmente óxidos, el paso del tiempo a regresar a su estado químico inicial de menor energía, es decir a compuestos naturales, por medio de un proceso conocido como corrosión. En un entorno marino la corrosión tiene lugar mediante un proceso electroquímico que se da por la exposición de la superficie metálica al oxígeno del aire y es facilitada por la presencia de iones provenientes de las sales en el ambiente.1-3 Este proceso es en sí mismo un problema grave que reduce la vida útil de los componentes metálicos expuestos a los ambientes corrosivos, ya que el deterioro de la superficie no solo afecta la estética de la pieza, sino que puede llevarla a situaciones de adelgazamiento y perdida de resistencia mecánica hasta una falla catastrófica total, con las consecuencias en pérdidas económicas o incluso en poner en riesgo la vida de seres vivos o de impactos ambientales indeseables.3-4 58 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. Entre las medidas más utilizadas para combatir la corrosión y evitar el deterioro de las piezas está el uso de recubrimientos que impidan el contacto directo de la superficie metálica con el medio ambiente. El recubrimiento más ampliamente utilizado y de menor costo son las pinturas. Sin embargo son fáciles de desprender y su vida útil no es muy larga. Otras soluciones son el uso de metales o aleaciones de baja reactividad, pero normalmente es una solución de alto costo. Una solución ampliamente utilizada es el uso de recubrimientos metálicos de diferente naturaleza. El metal base es recubierto con otro metal o aleación de menor potencial electroquímico de tal forma que actué como protección catódica, tal como la láminas de acero galvanizado. Esta última solución no es práctica para el caso de contenedores o tanques de los transformadores eléctricos de distribución tipo poste. Sin embargo, abre la posibilidad de investigar los recubrimientos galvánicos vía metalización por rociado térmico y protección extra con una pintura tipo poliéster. Para la fabricación de los tanques de transformador tipo poste, el material comúnmente utilizado es acero al carbono tipo ASTM A36, 5 con un pre-tratamiento de fosfatado superficial y recubierto con pintura tipo poliéster en polvo. Un tanque de este tipo garantiza que el transformador estará libre de mantenimiento hasta por 5 años, de acuerdo a la norma NRF-0252012.6 Sin embargo, se ha comprobado que esta combinación de recubrimientos no es satisfactoria para las zonas costeras donde se tiene un ambiente de atmósfera marina con alto contenido de iones tipo cloruro. Una solución ha sido el empleo de aceros inoxidables tipo AISI 304 o 409 7 con el consecuente incremento en el costo de materia prima y de procesamiento. Entre los factores que afectan la rapidez de la corrosión, a parte de las condiciones del medio ambiente, se encuentran la preparación de la superficie, el fosfatado, la calidad y la adherencia de la pintura. Finalmente, el manejo del tanque es otro factor importante, ya que una vez recubierto y pintado, los golpes o rayaduras exponen el metal base y las zonas deformadas son más propensas a corroerse. En el presente trabajo se propone proteger los tanques de acero al carbono tipo ASTM A36 con diferentes recubrimientos por metalización y posterior aplicación de una capa de pintura de poliéster de dos diferentes espesores. El objetivo Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 a buscar es el duplicar, en tiempo, la resistencia en cámara salina de los actuales recubrimientos; y que represente una reducción en costo ante el empleo de aceros inoxidables. PREVENCIÓN DE LA CORROSIÓN El recubrimiento con metales mediante rociado térmico es una tecnología que fue desarrollada desde 1910, primeramente con cinc, y en los últimos veinte años ha tenido grandes avances con diversas aleaciones con lo que se ha extendido su uso a dispositivos biomédicos, electrónicos, automotrices, aeronáuticos y en enseres domésticos. La metalización por rociado térmico puede aplicarse a substratos metálicos y no metálicos y actualmente existe una amplia gama de materiales metálicos y cerámicos que pueden depositarse por rociado térmico ya sea por flama o por plasma. Previo a la aplicación de las capa de metalizado, las superficies deben estar limpias y es común darles un tratamiento de granallado para aumentar la rugosidad y la adherencia de los recubrimientos.8-10 Para la aplicación del metalizado se emplea una pistola para calentar el material de recubrimiento, el cual puede estar en forma de polvo o de alambre, hasta un estado fundido o semi-fundido, tal que pueda ser proyectado hacia la superficie a recubrir. Para lo anterior, se utilizan fuentes de energía tales como combustión de gases, arco eléctrico o arco-plasma. Las partículas de material de aporte son impulsadas por un gas de propulsión, acelerando a las mismas hasta impactar la superficie, ver figura 1. Así se forma una nueva superficie protectora. 11 Cuando las partículas fundidas impactan a la superficie se aplastan formando pequeños ovoides que se anclan en los Fig. 1. Metalizado de alambre por arco eléctrico. 59 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. valles de la rugosidad superficial y posteriormente entre ellas. Estas partículas de geometría ovoide se enfrían rápidamente y se solidifican formando una estructura de capas que van creciendo hasta alcanzar el espesor final deseado. RECUBRIMIENTOS En base a la revisión bibliográfica realizada, se estableció que los materiales con mayor potencial competitivo a ser utilizados para proteger estructuras de acero de equipo eléctrico, son los recubrimientos a base de cinc (Zn), aluminio (Al) y una aleación 85 cinc/15 aluminio (85Zn/15Al).12 Por lo anterior se procedió a realizar pruebas en cámara salina sobre muestras de acero y de tanques prototipo con este tipo de recubrimientos. Adicionalmente se realizó un estudio comparativo de los costos que representan cada uno de ellos, comparándolos contra el precio estándar de fabricación y contra el costo utilizando aceros inoxidables tipo AISI 304 y 409. Evaluación de recubrimientos Con el fin de analizar, cual es el mejor recubrimiento, se realizó la aplicación de estos 3 recubrimientos sobre 18 probetas, con una dimensión de 50.8 por 152.4 milímetros, con un barreno al centro de 3.175 mm con el fin de sujetarlas en la línea industrial de pintado. El recubrimiento se llevó a cabo utilizando el proceso de rociado térmico por combustión con alambre como metal de aporte, hasta obtener los espesores mostrados en la tabla I. Después de una inspección visual de las probetas para verificar que no existieran discontinuidades, las probetas fueron sometidas a un proceso de pintado Tabla I. Espesores de recubrimiento aplicados en probetas de prueba. Recubrimiento Id. Espesor del recubrimiento (μm) Espesor de la pintura (μm) Al A1 75 50 A2 125 25 B1 75 50 B2 125 25 C1 75 50 C2 125 25 Zn 85Zn/15Al 60 por atomización a dos diferentes espesores, tal como muestra la tabla I. Las probetas fueron sometidas a la prueba de cámara salina siguiendo los lineamientos de la norma ASTM B-117-11 13 y utilizando un tiempo de permanencia de hasta 4,032 horas, lo cual es el doble del tiempo indicado en la especificación CFENRF-025, 6 con el objetivo de tener una prueba de mayor duración. Con el fin de evaluar el avance de la corrosión, se realizó una inspección ocular de las muestras a 2,016 horas de duración. El aspecto general de todas las probetas se puede observar en la figura 2. La probeta A1 falló por completo, mostrando un daño considerable por corrosión a 2,016 horas de prueba en la cámara salina, tomando la decisión de no continuar hasta las 4,032 horas planeadas para todas las pruebas. Esta baja resistencia a la corrosión fue asociada a la alta porosidad presentada por el recubrimiento de Al, lo que permitió una penetración del electrolito hasta el substrato de acero acelerando el proceso de corrosión. La probeta A2 presentó signos de corrosión por ampollamiento no aceptables a 4,032 horas de prueba. Aunque las probetas A1 y A2 fueron metalizadas con el mismo material (Al), la probeta A2 presenta mayor resistencia a la corrosión. Lo anterior debido a que el espesor del recubrimiento fue mayor, a pesar de tener un espesor de pintura más delgado. Esto indica que la principal barrera de protección a la corrosión para estas probetas es el recubrimiento por metalizado. Las probetas B1 y B2 (Zn) presentaron una superficie libre de productos de corrosión ferrosa. Se puede observar en ambas probetas la existencia de manchas blancas debido a los depósitos de sal formados sobre las mismas, producto de la reacción con el cinc superficial. La probeta B2 muestra más manchas blancas que la B1. Esto es debido a que la B2 tiene un espesor de pintura más delgado. En este caso, la pintura si juega un papel importante en la protección a la corrosión. Las probetas C1 y C2 (85/15) presentaron inicios de ampollamiento a las 2,016 horas de exposición, convirtiéndose en ampollamiento no aceptable al final de la prueba, mostrando corrosión del substrato de acero. La muestra C2 presentó menor área parcial afectada por la formación de las ampollas Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. Aluminio A1 (380 horas) A2 (4,032 horas) cinc B1 (4,032 horas) B2 (4,032 horas) 85 cinc / 15 Aluminio C1 (4,032 horas) C2 (4,032 horas) Fig. 2. Aspecto de la superficie de las probetas después de prueba de Cámara Salina. de corrosión. Esto debido al mayor espesor del recubrimiento por metalizado. Las probetas B1 y B2 mostraron buenos resultados. Se puede observar en ambas probetas que presentan manchas blancas que se pueden deber a depósitos de sal. Se puede observar que la probeta B2 presenta más manchas y esto es debido a que presenta un espesor mayor de zinc por lo que la Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 reacción de este es mucho mayor que la que ocurre en la probeta B1. La probeta C1 presenta un ampollamiento considerable debido al espesor de pintura aplicado, lo que representa un mal resultado ya que es un punto por donde puede comenzar a corroerse el substrato. La probeta C2 muestra muy buenos resultados a las 2,016 horas, pero al finalizar la prueba a las 4,032 61 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. horas se puede observar que comienza a mostrar ampollamiento. Evaluación de los recubrimientos en tanques prototipo Con los resultados obtenidos de las pruebas en probetas, donde se demostró que el metalizado con aluminio no era adecuado para la protección contra la corrosión esperada en los transformadores, se decidió continuar las pruebas en tanques prototipo utilizando solo los recubrimientos de Zn y Zn/Al, según los datos de la tabla II. Tabla II. Datos de prueba de cámara salina en tanques prototipo. Recubrimiento Zn 85Zn/15Al Espesor recubrimiento 75 y 125 μm Espesor pintura 25 y 50 μm Tiempo de exposición 4,000 horas de corrosión. En cuanto al tanque recubierto con la aleación 85Zn/15Al, se puede observar en la figura 4 la formación de ampollas y severa corrosión en las zonas alrededor de los accesorios de acero inoxidable tipo AISI 304. El tipo de corrosión presentada es de tipo galvánica y es producida por la formación de una celda galvánica al tener dos metales o aleaciones disimilares en contacto. Cuando estos dos metales o están alejados entre sí en la serie galvánica, en presencia de un electrolito, el metal más activo (ánodo) se corroe con mayor facilidad, en este caso el acero al carbono. Tanto en las pruebas en cámara salina de las probetas y de los tanques prototipo, el mejor resultado se obtuvo con el metalizado de Zn y pintura de poliéster. 2,300 horas El tanque recubierto con Zn se muestra en la figura 3, en la que se puede apreciar que solo se presentó corrosión en los bordes del mismo, debido al efecto de adelgazamiento del recubrimiento metálico y de la aplicación de la pintura en dichas áreas. Sin embargo, todo el cuerpo externo del tanque está libre Fig. 4. Aspecto del tanque recubierto con Zn85/Al15 después de la prueba en cámara salina. Se aprecia extenso daño por corrosión. Fig 3. Aspecto de tanque recubierto con Zn después de prueba de Cámara Salina 62 Costo de aplicación de recubrimientos Una vez establecido que los mejores recubrimientos son, en orden jerárquico el de Zn, 85Zn/15Al y finalmente el de Al, se procederá a realizar una estimación de costos y su comparación contra el uso de aceros inoxidables tipo AISI 304 y 409. Los costos promedio de la aplicación de los recubrimientos por metalizado de alambre, por metro cuadrado, para espesores de entre 75 a 125 μm, se indican en la tabla III.14 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. Tabla III. Costo de aplicación de recubrimientos por unidad de área (USD/m2) Zn Al Zn/Al 38.72 12.70 50 Según los costos de fabricación actuales utilizando acero al carbono A36 fosfatado y pintado, contra el costo adicional de los diferentes recubrimientos por metalizado y pintado sobre el mismo acero base A36; y comparado con el costo de fabricación al utilizar aceros inoxidables, se pueden estimar los costos tomando como base 100 el costo del tanque original de acero A36. Esta estimación se presenta en la tabla IV. Los resultados obtenidos de las pruebas muestran que los sistemas de protección por rociado térmico utilizando aluminio no cumplen satisfactoriamente los requisitos para operar en ambientes costeros. A pesar de que son los más económicos y presentan una ventaja competitiva no se recomiendan para la protección de transformadores de distribución tipo poste. Los recubrimientos a base de la aleación 85Zn/15Al, presentaron resultados no satisfactorios en los tanques prototipo, mostrando corrosión galvánica severa en las zonas donde se instalan los accesorios del transformador. Debido a lo anterior, no se recomiendan para la protección de los tanques. El recubrimiento a base de cinc presentó buenos resultados tanto en las pruebas de cámara salina en probetas como en los tanques prototipo. Las zonas donde se presentó corrosión en los tanques, se debió al efecto borde y son áreas que quedan protegidas por el ensamble del transformador y no quedan expuestas al medio ambiente en los transformadores Tabla IV. Costos relativos de los diferentes recubrimientos y materiales (unidades arbitrarias). Material Costo relativo Incremento porcentual Acero A36 100 - Acero A36 + Rec de Al 136 36 Acero A36 + Rec de Zn/Al 206 106 Acero A36 + Rec de Al 237 137 Acero Inox. 409 350 250 Acero inox. 304 660 560 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 terminados, por lo cual se recomienda este tipo de recubrimiento por metalización para la protección de los transformadores. En cuanto a costos de materia prima y de producción, el menor incremento (36%) se da con el recubrimiento de Al, pero queda descartado por su bajo desempeño contra la corrosión. El recubrimiento a base de Zn/Al presenta incrementos de hasta 137%, pero por sus bajos resultados no se recomienda su aplicación. El recubrimiento a base de cinc es el que mejor resultados proporciona y representa un incremento de 106% en el costo de fabricación del tanque. Sin embargo, este incremento es mucho menor comparándolo con los incrementos en costo al sustituir el acero al carbono A36 por acero inoxidables tipo AISI 409 y 304, donde se tienen incrementos de hasta 250 y 560% respectivamente. CONCLUSIONES Por los resultados obtenidos en las pruebas en cámara salina y en estudio de costos se concluye que la mejor opción para la protección contra la corrosión atmosférica en ambientes marinos de los transformadores eléctricos monofásicos de distribución tipo poste es la utilización de un recubrimiento a base de cinc por metalización por spray sobre un substrato de acero al carbono A36. Se recomienda la instalación de una línea piloto de fabricación de tanques para transformador con metalizado de Zn y pintura de poliéster. Así mismo se recomienda el desarrollo de proveedores de los equipos y materias primas para el metalizado. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo de la empresa Prolec-GE Internacional para la realización del presente proyecto. REFERENCIAS 1. M. G. Fontana. Corrosion Engineering. 3rd Edition. McGraw-Hill International. USA, 1987. 2. E. Otero Huerta. Corrosión y Degradación de Materiales. Editorial Síntesis. España, 1997. 63 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. 3. J. Morales Marina. Curso teórico y práctico de introducción a la corrosión metálica. Gráficas Sabater, España, 2001. 4. D. Alcaraz Lorente. Manual Básico de Corrosión para ingenieros. Publicaciones de la . Universidad de Murcia, España, 2004. 5 ASTM International. Norma ASTM A36/A36M12 Satandar Specification for Carbon Structural Steel. ASTM Intnl. USA, 2012. 6. Comisión Federal de Electricidad (CFE). Espec. CFE-NRF-025. CFE-México, 2009. 7. ASM International. ASM Handbook Vol. 1. 10th Edition. USA, 1999. 8. ASM International. ASM Handbook Vol. 5. 10th Edition. USA, 1994. 9. J. Davis. Handbook of Thermal Spray Technology. ASM International. USA, 2004. 64 10. J. L. Marulanda, et.al. Protección contra la corrosión por medio del rociado térmico. Scientia et Technica, Año XIII, No 34 pp. 236-242, 2007. 11. C. Marín Villar. Thermal Spray Protección de Alto Impacto. Revista electrónica Metal Actual. Consultada el 18 Nov 2013. 12. R. A. Sauceda. Evaluación de recubrimientos aplicados por rociado térmico para el incremento de la resistencia a la corrosión de los tanques de transformadores tipo poste y pedestal. Reporte Interno PROLEC GE Internacional. México, 2011. 13. ASTM Intern. Norma ASTM B-117-11. Standard Practice for Operating Salt Spray (Fog) Apparatus. ASTM Intnl. USA, 2011. 14. Sulzer Metco. Thermal Spray Wires. Documento electrónico consultado el 18 Nov 2013. http:// www.sulzer.com/en/Products-and-Services/. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Eventos y reconocimientos I. AUTODESK CERTIFICA A LA UANL El pasado 21 de febrero, el Centro de Infografía Avanzada (CIA) de la Facultad de Arquitectura de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL) logró la certificación internacional de Autodesk para ser considerado como un Centro de Entrenamiento Autorizado. Con este logro, la UANLes la primera institución de educación superior en México que ofrece a través del CIA, cursos impartidos por instructores certificados y exámenes de certificación sobre este software. Elizondo, Subdirector de Vinculación y Relaciones y la Ing. Teresa Galindo, Directora General de Monterrey Aerospace y Presidenta del Monterrey Aerocluster. También estuvieron presentes el M.C. José de Jesús Villalobos Luna, Coordinador Académico del CIIIA, la Dra. Patricia del Carmen Zambrano Robledo, Coordinadora de Proyectos de Investigación y Servicios Tecnológicos del CIIIA, el Ing. Ismael García R., Gerente de Innovación y Tecnología de SISAMEX, el Ing. Alejandro Lara, Gerente de Ingeniería de MERITOR MEXICANA, el Ing. Sergio Gutiérrez, Presidente de la Federación Mexicana de Pilotos y Propietarios de Aeronaves, personal de la Fuerza Aérea Mexicana, de Viva aerobús, de AIRBUS. Como invitadas especiales y Conferencistas se contó con la presencia de la Dra. Rei Kawashima, Secretaria General del Consorcio de Universidades en Ingeniería del Espacio (UNISEC) y de la M. C. Blanca Rebollar Trejo, Directora de Formación de Capital Humano Especializado en el Campo Espacial de la Agencia Espacial Mexicana. El ingeniero Carlos Ramos, Gerente de Programas de Educación para Latinoamérica Autodesk, entregando la acreditación al Rector Jesús Ancer Rodríguez. II. ANIVERSARIO DEL CIIIA El pasado 18 de marzo se llevó a cabo la ceremonia del segundo aniversario del Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA) de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME) de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Esta ceremonia estuvo presidida por el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME, acompañado por el Dr. Jaime Arturo Castillo Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 Autoridades presentes durante la ceremonia del segundo aniversario del CIIIA. 65 �Eventos y reconocimientos II. PROFESORA DE LA FIME EN EL UNISEC La Dra. Bárbara Bermúdez Reyes, profesora de la FIME en el Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA) como coordinadora de Diseño Aeronáutico. A partir de su participación en un programa sobre satélites pequeños, el Cansat Leader Trainig Program 4 (CLTP4), en la Universidad de Japón, ella fue nombrada punto de contacto de la sección México Norte del University Space Engineering Consorcium (UNISEC), la cual es una organización sin fines de lucro que promueve el desarrollo de recursos humanos y tecnología, a través del apoyo de actividades estudiantiles para diseñar, fabricar, lanzar y operar satélites y cohetes. Su visión considera que hacia finales del 2020 los estudiantes universitarios podrán participar en proyectos espaciales prácticos en más de 100 países. Dra. Bárbara Bermúdez Reyes III. ACREDITACIÓN INTERNACIONAL DE LA LICENCIATURA EN QUÍMICA INDUSTRIAL El pasado 20 de marzo, la Royal Society of Chemistry (RSC) otorgó la Acreditación Internacional, por su calidad y excelencia, a la Carrera de Licenciado en Química Industrial de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Nuevo León. El documento de acreditación fue entregado por el Dr. David Barr, Manager of Accreditation and Qualifications of Royal Society of Chemistry, al Director de la Facultad de Ciencias Químicas, Dr. Eduardo Soto Regalado, en un evento encabezado por el M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL: Con esta acreditación, la UANL se convierte en la primera institución de educación superior en América Latina en ser distinguida por esta sociedad británica de científicos en química. 66 De izquierda a derecha: Dr. Eduardo Soto Regalado, Director de la FCQ; M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL; Dr. David Barr, Director de Acreditación de la RSC; y la Dra. Perla Elizondo Martínez de Cota, Jefa del Área Química Industrial de la FCQ. IV. TALLER SOBRE BIOAEROSOLES Y CONTAMINANTES Del 24 al 28 de marzo se llevó a cabo el Taller “Hospital Bioaerosols and Contaminants”, organizado por la UANL, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y del Centro de Investigación y Desarrollo en Ciencias de la Salud, y de la Universidad de Leeds, patrocinada por el Consejo Británico (British Council) en colaboración del CONACyT. Además de investigadores de las universidades participantes, también hubo expertos en aerobiología, ingeniería y ciencias de la salud de la Universidad Nacional Autónoma de México y de la Universidad de Loughborough. Además de sus presentaciones y discusiones sobre transmisión y el control de patógenos en el aire vinculado a edificios e infraestructura civil obre el tema, promovieron la transferencia de conocimientos y técnicas entre ambos países. Participantes del Taller “Hospital Bioaerosols and Contaminants” con autoridades de la FIME y del CIDICS. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL * Enero - Diciembre 2013 Marco Aurelio González Albarrán, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio del efecto de la aplicación de pretratamatientos térmicos de envejecido en la soldabilidad de una superaleación Inconel 939”, 14 de enero de 2013. Jurado: Dra. Dora Irma Martínez Delgado (asesora), Dr. Alberto J. Pérez Unzueta, Dra. Ana María Guzmán Hernández, Dr. Alejandro Garza Gómez, Dr. Hugo Guajardo Martínez. Diana Berenice Hernández Uresti, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Síntesis y caracterización de nanopartículas de PbMoO4 para la degradación fotocatalítica de contaminantes orgánicos bajo irradiación UV”, 24 de enero de 2013. Jurado: Dr. Azael Martínez de la Cruz (asesor), Dr. Juan Antonio Aguilar Garib, Dra. Sofía Vázquez Rodríguez, Dra Leticia Torres Guerra, Dra. Aracely Hernández Ramírez. Melvyn Álvarez Vera, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Diseño y desarrollo de una prótesis de alto desempeño funcional y tribológico”, 1 de febrero de 2013. Jurado: Dr Marco Antonio L. Hernández Rodríguez (asesor), Dr. Alberto J. Pérez Unzueta, Dr. Arturo Juárez Hernández, Dr. Demófilo Maldonado Cortés, Dr. Eduardo Rodríguez de Anda. Omar Jorge Ibarra Rojas, Doctor en Ingeniería con Especialidad en Ingeniería de Sistemas, Tesis: “Models and algorithms for transit network planning”, 12 de febrero de 2013. Jurado: Dra. Yasmin Agueda Ríos Solís (asesora), Dra. Ada * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 Margarita Álvarez Socarras (asesora), Dr. Fernando López Irarragorri, Dra. Safia Kedad-Sidhoum, Dr. Pierre Fouilhoux. Víctor Hugo Brocado Guerrero, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Análisis de textura de aceros laminados”, 20 de febrero de 2013. Jurado: Dr. Rafael Colás Ortiz (asesor), Dra. Martha Patricia Guerrero Mata, Dr. Nelson Garza Montes de Oca, Dr. Luis Adolfo Leduc Lezama, Dr. Julio Cesar Morales Chavela. Javier Alonso Ortega Sáenz, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio biotribológico de implantes de cadera metal-metal modificados superficialmente”, 14 de marzo de 2013. Dr. Marco Antonio L. Hernández Rodríguez (asesor), Dr. Alberto J. Pérez Unzueta, Dr. Rafael D. Mercado Solís, Dr. Demófilo Maldonado Cortés, Dr. Zygmunt Haduch Suski. Sugeheidy Yaneth Carranza Bernal, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Síntesis y caracterización de nuevos copolímeros semiconductores”, 15 de marzo de 2013. Jurado: Dr. Moisés Hinojosa Rivera (asesor), Dr. Virgilio Ángel González González, Dr. Hugo Armando Mosqueda Altamirano, Dra. María Idalia Gómez de la Fuente, Dra. Tatiana Romero Castañón. Eleazar Morales Guerra, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Modelo Matemático de ciclones industriales para optimización de la producción de cemento (Diseño de un ciclón para manejar alto contenido de partículas)”, 17 de abril de 2013. Jurado: Dr. Tushar Kanti Das Roy (asesor), Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Dr. Simón Martínez Martínez, Dr. Sadasivan Shaji, Dr. Hugo Bolio Arceo. 67 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL Luis Arturo Reyes Osorio, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Modelado de la evolución microestructural durante forja en caliente”, 3 de mayo de 2013. Jurado: Dra. Maribel de la Garza Garza (asesora), Dra. Martha Patricia Guerrero Mata, Dra. Adriana Salas Zamarripa, Dr. Víctor Paramo López, Dr. Víctor Hiram Vázquez Lasso. Jesús Omar González González, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Desarrollo de un sistema tribológico con movimiento lineal reciprocante”, 10 de mayo de 2013. Jurado: Dr. Alberto Pérez Unzueta (asesor), Dr. Marco Antonio L. Hernández Rodríguez, Dra. Dora Irma Martínez Delgado, Dr. José Talamantes Silva. Diego Emilio Lozano de la Garza, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Fatiga de un acero 5160 con temple interrumpido”, 27 de mayo de 2013. Jurado: Dr. Rafael David Mercado Solís (asesor), Dr. Rafael Colás Ortiz, Dr. Javier Rodrigo González López, Dr. Alberto Cantú Pérez, Dr. Bernardo Hernández Morales. Roberto Salinas Navarro, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Algoritmo para determinar la seguridad de voltaje de un sistema eléctrico de potencia basado en sistemas de área amplia”, 31 de mayo de 2013. Jurado:, Dr. Ernesto Vázquez Martínez (asesor) , Dr. Arturo Conde Enríquez, Dr. Jaime de la Ree López, Dr. Francisco S. Sellschopp Sánchez. Cristian Gómez Rodríguez, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio de propiedades de magnesia sinterizada adicionando nanopartículas de óxido de hierro (Fe2O3), óxido de aluminio (Al2O3) y óxido de silicio (SiO2) para uso en ollas de metalurgia secundaria”, 5 de junio de 2013. Jurado: Dr. Tushar Kanti Das Roy (asesor), Dr. Sadasivan Shaji, Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Dra. Bindu Krishnan, Dr. Pedro L. Valdez Tamez. David Juvencio Ríos Soria, Doctor en Ingeniería con Acentuación en Computación y Mecatrónica, Tesis: “Natural Hand-Gesture Interaction (Interacción Natural con Gestos Manuales)”, 1 de julio de 2013. Jurado: Dra. Satu Elisa Schaeffer (asesora), Dra. Sara Elena Garza Villarreal, Dr. Fernando López Irarragorri, Dr. Gerardo Maximiliano Méndez, Dr. Héctor Hugo Avilés Arriaga. 68 Yahara García Alvarado, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Modelado y estimación de procesos de fermentación”, 3 de julio de 2013. Jurado: Dr. Marco Tulio Mata Jiménez (asesor), Dr. Efraín Alcorta García, Dr. José Antonio de la O Serna, Dra. María G. Aguilar Uscanga, Dr. Javier Gómez Rodríguez. Guadalupe Maribel Hernández Muñoz, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Diseño y simulación de una línea de formado en frío de lámina de acero”, 11 de julio de 2013. Jurado: Dra. Patricia del Carmen Zambrano Robledo (asesora), Dr. Moisés Hinojosa Rivera, Dr. Octavio Covarrubias Alvarado, Dr. Felipe Arturo Reyes Valdés, Dr. Rogelio Pérez Santiago. Laura Imelda García Ortiz, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio y obtención de un concreto refractario bajo cemento con alta resistencia térmica”, 18 de julio de 2013. Jurado: Dra. Ana María Guzmán Hernández (asesora), Dr. Edén Amaral Rodríguez Castellanos, Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Dra. Anabel Álvarez Méndez, Dr. Enrique Mejía Ramírez. Jonás Velazco Álvarez, Doctor en Ingeniería con Especialidad en Ingeniería de Sistemas, Tesis: “Estrategia evolutiva con caminatas de metrópolis para problemas de optimización global”, 31 de julio de 2013. Jurado: Dr. Arturo Barrones Santos (asesor), Dr. Oscar Leonel Chacón Mondragón, Dr. Javier Morales Castillo, Dr. Francisco Javier Almaguer Martínez, Dr. Héctor Flores Cantú. Alejandro Vladimir Lara Mendoza, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Caracterización en caliente y en frío de las aleaciones Inconel 718, Inconel 617 y Nimonic C263”, 8 de agosto de 2013. Jurado: Dra. Maribel de la Garza Garza (asesora), Dra. Martha Patricia Guerrero Mata, Dr. Rafael Colás Ortiz, Dr. José María Cabrera Merrero, Dr. Víctor Páramo López. Fernando Salinas Salinas, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Estrategias para controlar la tensión y la corriente del convertidor multicelular”, 22 de agosto de 2013. Jurado: Dr. Miguel Francisco Escalante Gutiérrez (asesor), Dr. Jesús de León Morales, Dr. Marco Tulio Mata Jiménez, Dr. Hugo Rodríguez Cortés, Dr. Juan Manuel Ramírez Arredondo. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL Andrés Castro Beltrán, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Modificación del óxido de grafeno reducido en medio acuoso con polielectrolitos y surfactantes para la obtención de dispersiones estables y nanocompositos poliméricos”, 23 de agosto de 2013. Jurado: Dra. Selene Sepúlveda Guzmán (asesora), Dr. Azael Martínez de la Cruz, Dra. Sofía Vázquez Rodríguez, Dra. Oxana Kharissova, Dr. Wencel de la Cruz Hernández. Esaú Núñez Mendoza, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Elaboración y caracterización de cintas base Ni-Ti con memoria de forma producidas por solidificación rápida (me-Hspinning) para su aplicación”, 27 de septiembre de 2013. Jurado: Dr. Enrique Manuel López Cuellar (asesor), Dr. Azael Martínez de la Cruz, Dra. Beatriz Cristina López Walle, Dr. Daniel Sánchez Martínez, Dr. Horacio Flores Zúñiga. José de Jesús Infante Rivera, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Bionanocompositos a base de carragenina-k y quitosano con nanopartículas”, 8 de octubre de 2013. Jurado: Dra. Selene Sepúlveda Guzmán (asesora), Dr. Carlos Guerrero Salazar, Dr. Domingo I. García Gutiérrez, Dra. Amelia Olivas Sarabia, Dr. Jorge Romero García. Isidro Guzmán Flores, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio de la cinética de corrosión sobre aceros API X70 soldados por el proceso MMA y SMAW”, 11 de octubre de 2013. Jurado: Dra. Dora Irma Martínez Delgado (asesora), Dr. Alberto J. Pérez Unzueta, Dr. Octavio Covarrubias Alvarado, Dr. Jorge Leobardo Acevedo Dávila, Dr. Felipe Arturo Reyes Valdés. Jorge Oswaldo González Garza, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Desarrollo de estructuras fotovoltaicas tipo Cds/AgSb(SxSe1-x)2 por medio de técnicas de baja toxicidad y costo”, 7 de noviembre de 2013. Jurado: Dra. Bindu Krishnan (asesora), Dr. David Avellaneda Avellaneda, Dr. Manuel García Méndez, Dr. Eduardo Martínez Guerra, Dr. Sadasivan Shaji. Ismael Aguirre Rojo, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Uso de nanopartículas de carbono en la fabricación de corazones de arena para la fundición de aluminio”, 11 de noviembre de 2013. Jurado: Dr. Rafael Colás Ortiz (asesor), Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 Dr. Alberto J. Pérez Unzueta, Dr. Abraham Velasco Téllez, Dr. José Talamantes Silva, Dra. Tania Ernestina Lara Cisneros. Roberto Carlos Cabriales Gómez, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Elaboración y caracterización optoelectrónica de películas delgadas de polímero semiconductor”, 21 de noviembre de 2013. Jurado: Dr. Virgilio Ángel González González (asesor), Dr. Moisés Hinojosa Rivera, Dra. Sugeheidy Carranza Bernal, Dra. Idalia Gómez de la Fuente, Dr. Juan Francisco Luna Martínez. Víctor Hugo López Cortéz , Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Efecto del calor de entrada en las propiedades mecánicas y metalúrgicas de soldaduras de aceros avanzados de alta resistencia de plasticidad inducida por transformación TRIP unida por el proceso GMAW para la industria automotriz”, 3 de diciembre de 2013. Jurado: Dra. Patricia del Carmen Zambrano Robledo (asesora), Dr. Felipe Arturo Reyes Valdés, Dra. Guadalupe Maribel Hernández Muñoz, Dr. Felipe de Jesús García Vázquez, Dr. Arturo Juárez Hernández. Reynaldo Esquivel González, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Obtención de oligómeros y polímeros electroluminiscentes vía reacciones de Claisen-Schmidt y Wittig”, 10 de diciembre de 2013. Jurado: Dr. Virgilio Ángel González González (asesor), Dr. Antonio Francisco García Loera, Dr. Marco Antonio Garza Navarro, Dra. Ivana Moggio, Dra. Perla Elizondo Martínez. Oscar Salvador Salas Peña, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Diseño de controladores no lineales para un helicóptero a escala”, 12 de diciembre de 2013. Jurado: Dr. Jesús de León Morales (asesor), Dr. Miguel Francisco Escalante Gutiérrez, Dra. Griselda Quiroz Compeán, Dr. Hugo Rodríguez Cortés, Dr. Alejandro Enrique Dzul López. Arturo Román Vázquez Velázquez, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Mezclas mecanocrómicas de fenilenviniliden bisquinolinas con polímeros y el estudio de sus propiedades ópticas”, 17 de diciembre de 2013. Jurado: Dra. Sofía Vázquez Rodríguez (asesora), Dr. Virgilio Ángel González González, Dra. Selene Sepúlveda Guzmán, Dra. Rosa Ángeles Vázquez García, Dr. Carlos Alberto Gallardo Vega. 69 �Josué Amilcar Aguilar Martínez, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Sintetización e incorporación de la fase Co2SnO4 en varistores cerámicos basados en SnO2”, 17 de diciembre, 70 Jurado: Dr. Sadasivan Shaji (asesor), Dr. David Avellaneda Avellaneda, Dr. Eduardo Martínez Guerra, Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Dra. Ana María Guzmán Hernández. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Enero - Marzo 2014 Mónica Rivas Romero, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global, (Por materias), 10 de enero de 2014. Mayra Yadira Rodríguez Pérez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Método para evaluar inhibidores de corrosión en acero galvanizado y galvalume”, 10 de enero de 2014. Alejandro Benavides Treviño, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Modificación de las propiedades magnéticas de un material orgánico derivado de un polímero conjugado (TBT) vía radicales libres”, 13 de enero de 2014. Marcos Torres López, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la transformación de fase en acero premomet”, 13 de enero de 2014. Jorge Espinoza Uirbe, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, “Impacto de la vinculación en la formación de estudiantes socialmente responsables”, 20 de enero de 2014. Adriana Lisseth Rivera Rivas, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 29 de enero de 2014. Jesús Eduardo Estrada Domínguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 31 de enero de 2014. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 Luis Carlos Villalobos Mares, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 14 de febrero de 2014. Miguel Ángel Contreras Zúñiga, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 18 de febrero de 2014. Cesar Adolfo Zamora Montemayor, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 19 de febrero de 2014. Héctor Manuel Zúñiga Silva, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 19 de febrero de 2014. Edith Martínez Fernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 20 de febrero de 2014. Jesús Alberto Moctezuma Sandoval, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 28 de febrero de 2014. Carlos Eduardo Cázares Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 3 de marzo de 2014. Ramón Elyud Ramírez Mendoza, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Efecto del zinc en las propiedades mecánicas de una aleación Al-Si tipo A319”, 3 de marzo de 2014. Armando Víctor Gutiérrez Canales, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con 71 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 5 de marzo de 2014. José Antonio Olivares Treviño, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Desarrollo de un proceso de manufactura rápida de piezas quirúrgicas”, 6 de marzo de 2014. Jessica Irasema de León Almaguer, Maestría en Ingeniería Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Corrosión inducida por flujo en un acero APIx65 en una solución acuosa NaCl 3% saturada de CO2”, 10 de marzo de 2014. Carlos Augusto Jiménez Zarate, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 10 de marzo de 2014. Enrique Mastretta López, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Factores de eficiencia críticos 72 para toma de decisión entre adquisición de flotilla propia y transporte subcontratado”, 10 de marzo de 2014. Edgar Orlando Díaz Méndez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 12 de marzo de 2014. Roberto Ezequiel Garibay Ramírez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 12 de marzo de 2014. Mayra Guadalupe Olivares Fernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 18 de marzo de 2014. Luis Alejandro Benavides Vázquez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, (Por materias), 19 de marzo de 2014. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Acuse de recibo IUCrJ CiENCiAUANL Esta revista bimestral de la International Union of Crystallography (IUCr) es parte de la conmemoración del Año Internacional de la Cristalografía (IYCr2014). Esta revista publica artículos sobre ciencia y tecnología en áreas en donde los resultados estructurales respaldan aspectos científicos. El número de enero de 2014 presenta el artículo “Do we see what we should see? Describing non-covalent interactions in protein structures including precision” en el que se menciona que el análisis mediante difracción de rayos X es una técnica que en realidad dice en dónde estuvieron los átomos, en lugar de en dónde están, como suele aceptarse y que puede dar origen a errores. El IUCrJ es una publicación (ISSN: 2052-2525) del tipo “open access” y la información sobre ella así como los artículos se pueden consultar en la dirección http://journals.iucr.org/m/ Ésta es la revista de divulgación científica y tecnológica de la Universidad Autónoma de Nuevo León (ISSN: 2007-1175) que después de más de 15 años de publicarse trimestralmente, a partir de este año se publica bimestralmente como respuesta al incremento en la producción de investigación, innovación y desarrollo tecnológico de la UANL. Además de diversos índices, la revista CiENCiAUANL se encuentra en el Índice de Revistas Mexicanas de Divulgación Científica y Tecnológica, dentro del Catálogo de Revistas de Divulgación Científica de Calidad del CONACYT. En su calidad de revista de divulgación, su sitio http://cienciauanl.mx la complementa de manera que se alienta el interés de los lectores, aun los que no son especialistas, en temas científicos, tecnológicos, sociales y culturales. Juan Antonio Aguilar Garib Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 73 �Colaboradores Aguilar Garib, Juan Antonio Ingeniero Mecánico y Maestro en Ciencias por el Instituto Tecnológico de Saltillo. Doctor en Ingeniería de Materiales de la UANL. Premio de Investigación UANL en 1991, 2001, 2003, y 2012. Premio TECNOS en el 2000. Actualmente es profesor del Programa Doctoral de Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL. SNI nivel I y miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. Cabriales Gómez, Karina Araceli Ingeniero Químico egresada de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (2010). Actualmente es doctorante del Programa en Ingeniería de Materiales de la misma facultad. Tiene especialización en Sistemas Distribuidos en la Universidad Técnica de Hamburgo en Alemania. Miembro del Cuerpo Académico “Sistemas Integrados de Manufactura”. De la O Serna, José Antonio Recibió el grado de Doctor por parte de Telecom, Paris, Francia, en 1982. En 1987 se unió al programa de doctorado de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), donde fue miembro del comité doctoral. Actualmente, es profesor-investigador de la UANL. Fue profesor del Instituto Tecnológico de Monterrey de 1982 a 1986. De 1988 a 1993, trabajó en el departamento de Eléctrica de la Escuela Politecnica de Yaoundé. Cameroon. Es miembro Sistema Nacional de Investigadores. Cisneros Damm, Bruno Ingeniero Mecánico Administrador de la Universidad Regiomontana, egresado en el 2007. Ha trabajado como ingeniero de diseño en Rough Invernaderos en 2007 y a partir del 2008 como Ingeniero diseñador senior en Prolec GE Internacional. En el año 2014 expande sus actividades para apoyar las áreas de comercialización internacional de Prolec. Actualmente se encuentra cursando una Maestría en Ingeniería con Orientación en Ingeniería Eléctrica en la FIME de la UANL. Fungo, Fernando Lic. en Ciencias Químicas (1996), Dr. en Ciencias Química (2001), Títulos obtenidos en la Universidad Nacional de Rio Cuarto (UNRC), Rio Cuarto, Córdoba, Argentina. Estudios Post-Doctorales: Department of Chemistry and Biochemistry, College of Natural Science, The University of Texas at Austin. Austin, Texas, Estados Unidos de América. (2001-2003). Actualmente es Profesor Adjunto Dedicación Exclusiva Efectivo de la UNRC e Investigador Independiente del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET). De la Garza Salinas, Fco. Javier Ingeniero en Control y Computación egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. En la misma institución realizó sus estudios de maestría en el área de Eléctrica con especialidad en Electrónica. García Gutiérrez, Diana Fabiola Ingeniero Mecánico Metalúrgico (2003), Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2012) de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, actualmente cursa el Doctorado en Ingeniería de Materiales 74 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Colaboradores en la misma institución. Trabajó como Ingeniero Asistente de Producción en la empresa FUNDEMEX y durante sus estudios de licenciatura realizó prácticas profesionales en Blackhawk de México y en Danfoss HC. García Gutiérrez, Domingo Ixcóatl Ingeniero Físico Industrial del ITESM campus Monterrey (2001). Maestría en Ciencias de la Ingeniería con especialidad en Ciencia e Ingeniería de los Materiales (2004) y Doctorado en Ciencia e Ingeniería de los Materiales (2006), ambos por la Universidad de Texas en Austin. Posteriormente trabajó en el laboratorio de caracterización de procesos del consorcio de investigación y desarrollo de la industria de los semiconductores, SEMATECH, en Austin, Texas (2006-2010). Actualmente es profesor-investigador titular A de la FIME-UANL, miembro del SIN en su nivel 1, cuenta con el reconocimiento de perfil deseable por parte de PROMEP. Garza Patrón, Pedro Nicolás Estudiante de Ingeniería Mecatrónica en la FIME/ UANL. Actualmente hace su tesis de licenciatura con el tema “Diseño e implementación de la interfase de comunicación del prototipo de un digitalizador 3D”. Garza Rivera, Rogelio Guillermo Ingeniero Mecánico Electricista por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL (1974) y Maestro en Enseñanza de las Ciencias con especialidad en Física, Facultad de Filosofía y Letras, UANL (1999). En su experiencia cuenta con ser profesor de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica desde 1974, Director de la misma facultad de 2002-2008, Director General del Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología, CIIDIT-UANL, de 2008 a 2009. Actualmente es el Secretario General de la UANL (desde 2009) y desde 2010 es Secretario de la Coordinación Regional (Zona 2) de la Academia de Ingeniería. González Ovalle, Denysse Estudiante de la carrera de Ingeniero en Materiales en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, actualmente colabora en un proyecto de Doctorado en el Centro de Innovación, Investigación Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología (CIIDIT) de la UANL. Hernández Casillas, Laura Patricia Licenciada en Química Industrial (2010) egresada de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL; obtuvo el grado de Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en materiales (2013) por parte de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Trabajó en la empresa EHS Labs. de México, consiguiendo la acreditación ante la EMA para análisis fisicoquímicos en agua. Actualmente se encuentra cursando el Doctorado en Ingeniería de Materiales en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL. López Guerrero, Francisco Eugenio Ingeniero Mecánico Electricista e Ingeniero en Control y Computación de la UANL Obtuvo el grado de Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Sistemas en la misma Universidad, durante estos estudios participó en la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania en donde desarrolló su tesis de maestría. Doctor en Ingeniería de Materiales en la Universidad Autónoma de Nuevo León trabajando en conjunto con el Departamento de Materiales y Automatización de la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Profesor de tiempo completo de la División de Ingeniería Mecatrónica de la FIME. Miembro del Cuerpo Académico “Sistemas Integrados de Manufactura”. Pérez Unzueta, Alberto Javier Ingeniero Metalurgista por la Universidad Autónoma Metropolitana, egresado en 1982. Doctor en Ingeniería Mecánica por la Universidad de Leicester, Reino Unido, en 1993. Ha laborado como Investigador en diversas empresas, entre ellas, Rassini Rheem, Kennametal y Krupp-Stahl. Colaboró como profesor asistente en la UAM y como investigador invitado en la U. de Leicester. Desde 1994 es Profesor Investigador de Tiempo Completo en la FIME UANL. Es fundador del Museo del Acero-Horno3 en Monterrey, N.L. Ramírez Cruz, Francisco Ingeniero Mecánico Electricista, Maestro en Ciencias de la Mecatrónica en la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Dirigió el Departamento de Somatoprótesis de la Facultad 75 �de Medicina de la UANL. Doctor en Ingeniería de Materiales en la Universidad Autónoma de Nuevo León trabajando en conjunto con el Departamento de Materiales y Automatización de la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Profesor de tiempo completo de la División de Ingeniería Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Miembro del Cuerpo Académico “Sistemas Integrados de Manufactura”. 76 Sánchez Gómez, Luis Fernando Recibió el grado de ingeniería, por parte de la Universidad Autónoma de Zacatecas (UAZ) y el grado de Maestro en Ciencias por la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), en los años 2010 y 2012, respectivamente. Actualmente realiza estudios de Doctorado en ingeniería eléctrica en el departamento de ingeniería eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL). Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 77 �78 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2014 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 17 Número Número de la revista 63 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2014, Año 17, No 63, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2014 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020826 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Corrosión digitalizador 3D Nanopartículas PbS Semiconductores Transformadores de distribución https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20784/Ingenierias_2013_Ano_16_No_61_Octubre-Diciembre.pdf 2c59cb4d8ad2b0fcf06b028478c5ff91 PDF Text Text 61 ISSN 1405-0676 Bacteria magnetotáctica Laboratorios en ingeniería Eliminación de contaminantes Resistencia química de hormigones OCTUBRE - DICIEMBRE 2013, Año XVI, No. 61 REVISTA DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA DE LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN �Contenido Octubre-Diciembre de 2013, Año XVI, No. 61 61 2 Directorio 3 Editorial: La importancia de los laboratorios en la enseñanza de la ingeniería María Idalia Gómez de la Fuente 6 Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria magnetotáctica Carlos Luna Criado, Raquel Mendoza Reséndez 17 Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación de contaminantes orgánicos de agua Diana Berenice Hernández Urésti, Azael Martínez de la Cruz 27 Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique Sandra Pinzón Galvis 38 Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias de coque de petróleo Rodrigo Puente Ornelas, Carlos Javier Lizcano Zulaica, Tushar Kanty Das Roy, Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Bertha Alicia Vázquez Méndez 48 Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas en concreto polimérico Rodolfo Morales Ibarra, Elsa Abigail Duncan Flores, Saida Mayela García Montes, Alma Gisela Martínez Arellano, Juan Francisco Barrón Garanados, Denisse Arantxa Cepeda Mújica 54 Eventos y reconocimientos 57 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 61 Acuse de recibo 62 Colaboradores 65 Información para colaboradores Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 1 �Ingenierías, Año XVI, N° 61, octubrediciembre 2013. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Telefono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de octubre de 2013. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2013 revistaingenierias@uanl.mx DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA M.C. 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Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH 2 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 �Editorial: La importancia de los laboratorios en la enseñanza de la ingeniería Dra. María Idalia Gómez de la Fuente Editora de la revista Química Hoy Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas Idalia.Gomezd@uanl.edu.mx En la actualidad comienza a darse una corriente que afirma que el proceso enseñanza-aprendizaje se puede generar de manera virtual a través de programas en que se desarrollan actividades no presenciales. Es indudable que las nuevas tecnologías de la información y comunicación (TIC) ofrecen una oportunidad importante para que cada vez sea más común que haya seminarios, diplomados o cátedras en línea. La popularidad de las TIC influye en que se esté modificando la estructura básica de los cursos científicos y sus prácticas de laboratorio, y en la actualidad es común tener “prácticas demostrativas”, incluso mediante el uso de sitios web, por ejemplo youtube. Si nos enfocamos en el área de las ciencias de la ingeniería, podemos encontrar videos demostrativos de ensayos mecánicos de tensión, compresión y dureza, entre otros. Pero, ¿cómo se puede asegurar que el alumno adquirió la competencia o el conocimiento esperado? o bien, ahora con el enfoque curricular de la enseñanza por competencias, ¿realmente adquiere el alumno las competencias de una unidad de aprendizaje, sin hacer uso de la experiencia presencial que involucra el desarrollar una práctica de laboratorio? No hay manera de sustituir completamente las experiencias que se desarrollan en el laboratorio con actividades no presenciales, ya que cuando un alumno realiza una práctica, en primer lugar aprende a integrarse a un equipo de trabajo, aplicando sus competencias de socialización, el respeto a sus compañeros y la responsabilidad de entregar resultados individuales que serán parte del resultado del equipo. Estas competencias serán indispensables para el éxito del futuro profesional de las ciencias de la ingeniería, pues al tratar de resolver un problema en planta deberá colaborar en equipo con el técnico, el obrero o el encargado del laboratorio para lograr la resolución del problema. En segundo lugar, se da de manera natural la enseñanza por pares, pues son los mismos alumnos los que se explican entre ellos el fenómeno observado y lo discuten. Este modelo de aprendizaje, es la base del modelo constructivista, el cual define al proceso enseñanza-aprendizaje como la organización de métodos de apoyo que permitan a los alumnos construir su propio saber. Entonces, la discusión por pares, permite el realizar preguntas (exponer dudas) que frente al profesor no se harían, debido a que quizás el alumno considere que su pregunta no sea interesante, pero a su compañero sí se la formula, porque es su igual existe Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 3 �La importancia de los laboratorios en la enseñanza de la ingeniería / María Idalia Gómez de la Fuente. un clima de confianza, de apertura. Estas mismas experiencias le permitirán al futuro ingeniero, llamar a algún colega para consultarlo sobre la mejor forma de resolver un problema. En tercer lugar el conocimiento adquirido se integra de manera natural al cúmulo de conocimientos previos, dando pie al método de enseñanza de la escuela filosófica de René Descartes, de la cual podemos mencionar una de sus características, el método deductivo: A partir de las ideas y principios innatos que son elaborados por el entendimiento, se desarrolla deductivamente todo el conocimiento. Por otro lado, las actividades no presenciales sugieren que el proceso de aprendizaje se efectúe mediante la autoguía o la ayuda de un “facilitador” cuya presencia virtual le impide interactuar directamente con los alumnos, perdiendo la oportunidad de detectar las deficiencias de éstos, ya que los alumnos se dirigen a él sólo cuando tienen dudas que se atrevan a expresar, además de que se dificulta la transmisión de consejos y la compartición de experiencias porque no hay comunicación en vivo, ni con el facilitador ni con otros compañeros. La presencia de un profesor en el laboratorio es sumamente importante, pues es el guía, el que domina la ciencia a enseñar, y el que responde de manera asertiva a las dudas, independientemente de que los alumnos las expresen o no. El profesor es quien se asegura de que los alumnos dedican tiempo suficiente y de calidad a las prácticas, y promueve la integración del nuevo conocimiento en el quehacer del futuro profesional de la ingeniería. Para esto resulta más que obvio que las competencias académicas del profesor en el laboratorio deberán ser amplias, además de identificarse por tener una actitud positiva de la práctica experimental, que genere en sus estudiantes expectativas de éxito en el aprendizaje y en el crecimiento personal y con una amplia disposición de atención a los requerimientos del grupo. Las actividades mencionadas sólo pueden ser llevadas a cabo de manera presencial y es por eso que numerosos programas de estudio en el mundo que ofrecen cursos virtuales, aun exigen que los alumnos desarrollen actividades presenciales en aulas y laboratorios. Las habilidades y capacidades que obtienen de este modo son fundamentales en el desenvolvimiento profesional de los ingenieros, especialmente en el trabajo para los desarrollos tecnológicos, aunque no se limita a ellos, pues labores de supervisión efectiva y solución de problemas de campo aprovechan intensivamente lo aprendido con este tipo de formación. A continuación cito algunos ejemplos de éxito que no habrían sido posibles si los protagonistas no hubieran tenido una formación teórica y práctica. Intencionalmente están narrados de la manera típica en que se suelen presentar los inventos y descubrimientos, en la que incluso se llega a atribuir mayor peso a la buena suerte que al trabajo arduo, pero esperando que el lector aprecie que es la formación de los ingenieros la que llevó a los desarrollos tecnológicos correspondientes en estos ejemplos. • El ingeniero Percy Lebaron Spencer descubrió el efecto de las microondas en los alimentos de una forma inesperada. Spencer estaba probando un tubo de vacío, denominado magnetrón, el cual se utilizaba en ese entonces en la fabricación de radares. Al estar trabajando, descubrió que un chocolate que traía en la bolsa se había derretido. Intrigado, probó colocando unas semillas de maíz 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 �La importancia de los laboratorios en la enseñanza de la ingeniería / María Idalia Gómez de la Fuente. cerca del tubo, y las observó agitarse y estallar en forma de palomitas. Spencer repitió el experimento con un huevo, el cual estalló ante sus ojos. El ingeniero dedujo que el calentamiento de los alimentos se debía a la exposición de la energía electromagnética en la frecuencia de las microondas, y así, creó el primer horno que revolucionó la industria de los alimentos desde 1947. • El químico Roy J. Plunkett estaba trabajando en 1938 para la empresa DuPont en una forma para producir un nuevo refrigerante. En uno de sus experimentos encontró un residuo de polvo blanco en una válvula. Al probar esta sustancia en reacción con otras, descubrió que era inerte a todas las bases y ácidos conocidos. La empresa se interesó en el hallazgo de Plunkett y lo registró como parte de sus polímeros como politetrafluoroetileno (PFTE), aunque es conocido popularmente por su nombre comercial, Teflón. Esta sustancia es muy reconocida por sus aplicaciones en los utensilios de cocina, pero también se le han dado múltiples aplicaciones industriales y comerciales, como en la manufactura de farmacéuticos y de semiconductores entre otros. • El marcapasos fue creado por el ingeniero Wilson Greatbach, quien estaba trabajando en un sistema para registrar los latidos del corazón. Pero un error al elegir un componente produjo un fenómeno nuevo: una emisión rítmica de impulsos eléctricos. El genio de Greatbatch pudo darse cuenta de que ese patrón podía identificarse con el de un corazón, tras recordar las charlas con algunos médicos en las que estos le explicaban que en el fondo el corazón es un motor que se alimentaba con electricidad, puso manos a la obra hasta que consiguió el primer marcapasos implantable. Éste se probó con éxito en perros en 1958 y lo patentó en 1962. En los ejemplos anteriores podemos identificar tres características: la práctica experimental real, la duda sobre los resultados obtenidos y la deducción; habilidades y capacidades desarrolladas indudablemente en los laboratorios de ciencias e ingeniería. Otra forma de enfatizar la importancia que tienen las prácticas de laboratorio en el medio laboral se puede dar en la famosa experiencia que los empleadores suelen exigir a los candidatos a contratación. La primera experiencia, que es en sí la combinación de conocimientos y competencias, de campo, puede provenir de la escuela, no es raro que sus laboratorios cuenten con equipos similares, y muchas veces superiores, a los que se encuentran en las empresas. Estos equipos están dedicados a la enseñanza por lo que los estudiantes tienen la oportunidad de conocerlos y trabajar con ellos durante sus estudios. El campo del trabajo es una forma de laboratorio que es altamente valorado, los estudiantes buscan hacer prácticas y los empleadores prefieren a personas con experiencia, es decir que hayan trabajado presencialmente. En sentido estricto, las prácticas de laboratorio contribuyen a que los egresados cuenten con alguna experiencia aunque aún no hayan tenido su primer empleo, y ya que se entiende que tanto los académicos y alumnos, como los empleadores valoran la experiencia, entonces no hay duda de que sin dejar de considerar las bondades de las TIC, cualquier propuesta de actualización de los programas educativos en las ingenierías deberá continuar reforzando la necesidad del trabajo presencial en los laboratorios. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 5 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria magnetotáctica Carlos Luna Criado*, Raquel Mendoza-Reséndez** *Facultad de Ciencias Físico Matemáticas-UANL **FIME-UANL carlos.lunacd@uanl.edu.mx, raquel.mendozars@uanl.edu.mx RESUMEN En esta investigación se proponen y analizan algunas estrategias de síntesis para la preparación de nanoelipsoides magnéticos uniformes con microestructuras diseñadas, que presentan claras similitudes con el arreglo de los magnetosomas (pequeños nanocristales magnéticos) biomineralizados por la bacteria magnetotáctica. Dadas sus propiedades magnéticas duras a temperatura ambiente, el material resultante puede emplearse como imanes permanentes nanoscópicos en campos tan diversos como el registro de información de alta densidad, biosensores y bioseparadores magnéticos, y en terapias basadas en el suministro de fármacos y/o tratamientos de hipertermia localizados. PALABRAS CLAVE Nanoelipsoides, nanoestructuras magnéticas, cadenas de monodominios magnéticos, bacteria magnetotáctica. ABSTRACT In the present contribution, we propose and analyze some synthetic strategies for the preparation of uniform magnetic nanoellipsoids with tailored microstructures that exhibit similarities to the arrangement of the magnetosomes (small magnetic nanocrystals) biomineralized by magnetotactic bacteria. Given their hard magnetic properties at room temperature, the resulting nanoellipsoids can be used as permanent nanomagnets in a large variety of technological fields, including information recording media, magnetic bioseparators and biosensors, localized hyperthermia therapies and drug delivery. KEYWORDS Nanoellipsoids, magnetic nanostructures, chains of magnetic monodomains, magnetotactic bacteria. INTRODUCCIÓN Las nanoestructuras magnéticas con morfologías anisótropas son de gran interés científico y tecnológico. Su estudio nos ofrece oportunidades excepcionales para identificar y entender principios fundamentales de la física del magnetismo, asociados a fenómenos tales como los de la anisotropía magnética y el transporte eficiente de electrones polarizados. Por otra parte, el alcance tecnológico de estos 6 Artículo basado en el trabajo “Nanoelipsoides de Fe y FeCo con Microestructuras Diseñadas Bioinspiradas en la Bacteria Magnetotáctica: Síntesis y Estudios Magnéticos”, el cual obtuvo el Premio de Investigación UANL 2013, en la categoría de Ciencias Exactas, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, celebrada el 29 de agosto de 2013. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. fenómenos es todavía difícil de imaginar, dando lugar a áreas aplicadas, todavía en construcción, tan promisorias como el registro magnético de información, tratamientos terapéuticos asistidos mediante campos magnéticos, el diseño de nuevos transductores y la emergente espintrónica, que está revolucionando el modo de almacenar y procesar la información. Cabe destacar que, hasta hace poco, las investigaciones de las nanoestructuras magnéticas con morfologías anisótropas han avanzado relativamente poco en comparación con las de otros materiales de baja dimensionalidad, debido principalmente a que los materiales magnéticos suelen presentar hábitos de crecimiento isótropos. Es por ello que hay pocas técnicas y protocolos disponibles que han permitido obtener nanoestructuras magnéticas con morfologías alargadas de forma controlada. Algunas de ellas están basadas en técnicas de litografía,1 de electro-hilado2 o bien implican el uso de plantillas nanotexturadas o nanoporosas.3 Estas limitaciones conllevan que varios problemas fundamentales y aplicados concernientes a los sistemas de baja dimensionalidad magnéticos estén dentro de los retos de la ciencia moderna. Entre las nanoestructuras magnéticas unidimensionales, tales como nanoalambres y nanotubos, las cadenas de nanopartículas magnéticas monodominio merecen una atención especial, ya que son fundamentales para el estudio de interacciones magnéticas entre partículas monodominio y la comprensión de los procesos de la inversión de la magnetización en nanopartículas con morfologías alargadas.4,5 Es por ello que es necesario disponer de modelos experimentales apropiados para el estudio de nanocadenas magnéticas, contrastando y complementando diversos modelos micromagnéticos. Es interesante señalar al respecto que los nanocristales magnéticos biomineralizados intracelularmente por un tipo de bacterias microaerófilas, denominadas bacterias magnetotácticas, presentan excelentes cualidades para el estudio fundamental y la aplicación tecnológica de nanopartículas magnéticas. Estos nanocristales biomineralizados se conocen con el término magnetosomas, y por lo general se ensamblan en el interior de la bacteria en una o más cadenas lineales con sus ejes de fácil imanación orientados a lo largo del eje de la cadena.6,7 Estas nanopartículas son nanocristales ferrimagnéticos de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 magnetita (Fe3O4) o greigita (Fe3S4).6,7 Sus tamaños son típicamente de 35 a 100 nm, los cuales se encuentran dentro del rango del tamaño de partículas monodominio para estos materiales, y por encima del tamaño crítico superparamagnético a temperatura ambiente. Todas estas características están diseñadas biológicamente para proporcionar un momento magnético permanente a cada bacteria, que le permite orientarse y moverse paralelamente con las líneas del campo geomagnético.6,7 Desafortunadamente, las dificultades para lograr un cultivo masivo de las bacterias magnetotácticas obstaculizan su explotación científica y comercial.7 Por estas razones, el desarrollo de rutas sintéticas para preparar cadenas de nanocristales magnéticos análogos a los magnetosomas es un objetivo de gran relevancia. Este reto nos motivó recientemente8-11 a revisar algunos métodos de preparación sintéticos de nanoestructuras aplicando nuevos enfoques y estrategias, para obtener nanopartículas elipsoidales de Fe y de FeCo que presentan microestructuras diseñadas muy peculiares, similares a las cadenas de magnetosomas de las bacterias magnetotácticas. El método empleado se basa en los resultados previos encontrados en la reducción con hidrógeno de nanopartículas de hematites.12-14 En la contribución presente se describen y analizan los fundamentos de dichas metodologías, y se muestra como aplicando las estrategias propuestas se logró controlar de manera flexible la composición y la elongación de los nanoelipsoides de Fe y de FeCo, la orientación de los cristalitos monodominio magnéticos (con las direcciones <110> ó <001> aproximadamente orientadas a lo largo del eje longitudinal del nanoelipsoide), su tamaño (de 32 a 16 nm) y el tipo de sus arreglos en cadenas simples o cadenas dobles. TÉCNICAS EXPERIMENTALES Reactivos químicos empleados En la síntesis de las muestras se utilizaron los siguientes reactivos tal como se recibieron: perclorato de hierro (III) (Fe(ClO4)3, >98%, Fluka), urea (>99%, Merck), fosfato dihidrogenado de sodio (NaH2PO4,> 97%, Fluka), hidróxido de amonio (NH4OH, 99.99+%, Sigma-Aldrich), nitrato de itrio (Y(NO3)3 6H2O, 99.9%, Aldrich) y nitrato de cobalto 7 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. (Co(NO3)2 6H2O, >99%, Merck). El agua añadida en todos los experimentos se destiló tres veces. Síntesis de las partículas de hematites precursoras Para preparar las muestras de hematites (α-Fe2O3) con relación axial (i.e. la relación entre la longitud de las partículas y su anchura) controlable, se calentaron en un horno a 98°C soluciones acuosas con perclorato de hierro (III) 0.1 M, urea 0.1 M y una concentración variable (0, 3.5, 4.5 o 5.5 mmol dm-3) de fosfato dihidrogenado de sodio. En este proceso, las soluciones se mantuvieron inalteradas en tubos de ensayo cerrados durante 48 horas. Después de enfriar la mezcla resultante a temperatura ambiente, se separó el sólido precipitado de la solución madre mediante centrifugación, y se purificó varias veces con agua. Finalmente, se secó el polvo obtenido a 50°C en una estufa de secado. Las muestras resultantes se identificaron de acuerdo a la concentración de fosfato empleada: H-0mM, H3.5mM, H-4.5mM y H-5.5mM, respectivamente. Reducción térmica de las partículas de hematites a hierro metálico (α-Fe) Para obtener partículas de hierro constituidas por nanocristales monodominio alineados en cadenas, las muestras de hematites precursoras (H-3.5mM, H-4.5mM y H-5.5mM) se redujeron a α-Fe mediante tratamientos térmicos bajo un flujo continuo de gas hidrógeno (99,99%) de 40 l/h a 400°C. El tiempo de reducción en la mayoría de los experimentos fue de 4 horas. No obstante, se hicieron algunos experimentos con tiempos de reducción menores (1 ó 2 horas) con la finalidad de obtener mayor información acerca del proceso de reducción. Después de estos tratamientos térmicos, la fuente de calentamiento se retiró y las muestras se dejaron enfriar a temperatura ambiente. Posteriormente, con el fin de pasivar la superficie de las partículas de α-Fe y evitar una oxidación posterior de la muestra al ponerla en contacto con el aire, se hizo incidir sobre las muestras gas N2 previamente burbujeado en un matraz que contenía etanol. Las muestras resultantes obtenidas con tiempos de reducción de 4h se identificaron con los nombres: Fe3.5mM, Fe-4.5mM y Fe-5.5mM, respectivamente. 8 Obtención de nanoelipsoides de FeCo Con el fin de obtener partículas de FeCo con morfología elipsoidal, los nanoelipsoides de hematites fueron recubiertos con una capa de cobalto antes de proceder al tratamiento térmico de reducción.10 Para ello, se dispersaron 5 mmol de partículas de hematites (muestra H-4.5mM) en 150 ml de agua destilada empleando un baño de ultrasonido. A continuación, se añadieron 50 ml de una solución acuosa de nitrato de cobalto con una relación molar [Co]/[Co+Fe] del 10%. Después, el pH de la solución se ajustó a 10 con una solución de NH4OH y la muestra se mantuvo bajo agitación durante 1 h. A continuación, se separaron las partículas por centrifugación, se purificaron con agua destilada y se secaron a 50°C durante 12 horas. La reducción de esta muestra se llevó a cabo en dos etapas. En la primera etapa, la muestra de hematites recubierta con cobalto se calentó a 200°C en vacío durante 3 horas, y después se redujo a una ferrita en una atmósfera de hidrógeno a 360°C. Posteriormente, esta muestra se recubrió con una cantidad adicional del 20% molar de cobalto para obtener nanoelipsoides finales de Fe70Co30. A continuación, los nanoelipsoides recubiertos se redujeron a la fase metálica por medio de calentamiento a 400°C durante 4 horas en presencia de un flujo de hidrógeno de 40 l/h. Luego, la muestra se enfrió a temperatura ambiente bajo atmósfera de H2. Finalmente, se hizo pasar a través de la muestra gas N2 humedecido con etanol con el fin de oxidar moderadamente la superficie de los nanoelipsoides para estabilizarlos. La muestra final fue identificada como FeCo-4.5mM. Nanoelipsoides de hierro recubiertos con itrio Para recubrir los nanoelipsoides de hematites con un compuesto de itrio nos inspiramos en el método descrito por Aiken y Matijevic.15,16 Brevemente, se dispersaron 50 mg de nanoelipsoides de hematites (muestra H-4.5mM) en 30 ml de agua destilada empleando un baño de ultrasonido durante 5 minutos. A continuación, se añadieron a la dispersión de partículas 50 ml de una solución acuosa de nitrato de itrio con 1.8 M de urea en agitación mecánica durante 15 minutos. En estos experimentos, el porcentaje molar de itrio Y/(Y+Fe) se ajustó a 2, 4 y 6. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. Posteriormente, la solución resultante se mantuvo en tubos de ensayo cerrados y se envejeció en un horno durante 2 horas a 90°C. Por último, las partículas fueron recuperadas por centrifugación y lavadas varias veces con agua destilada. La recolección del precipitado se realizó por filtración y se secó a 50°C en una estufa de secado. Posteriormente, estos nanoelipsoides fueron reducidos a su estado metálico mediante tratamientos térmicos bajo un flujo continuo de gas hidrógeno (99,99%) a 500°C. Las muestras obtenidas se identificaron con los nombres: Fe-4.5mM@Y2%, Fe-4.5mM@Y4% y Fe-4.5mM@Y6%, respectivamente. Técnicas de caracterización Se realizaron mediciones de difracción de rayos X (DRX) para identificar las fases presentes en las muestras utilizando un difractómetro Siemens D5000 con radiación Kα de Cu. Las longitudes de coherencia promedio (LCP) perpendiculares a los planos cristalográficos de las muestras (determinados mediante los índices de Miller h, k y l) se denotaron con Dhkl y se calcularon a partir de la anchura a media altura (FWHM) del pico de la reflexión correspondiente utilizando la ecuación de Scherrer:17 Dhkl = 0.9λ β Cosθd (1) donde λ es la longitud de onda de los rayos X, β es el ancho del pico de difracción y θd es el ángulo de difracción. El tamaño y forma de las partículas fueron examinados por microscopía electrónica de transmisión (MET) utilizando un microscopio FEI-TITAN 80-300 kV operando a 300 kV. Las muestras fueron depositadas sobre rejillas de cobre tipo “lacey-carbon”. Durante los estudios de MET no hubo evidencia de transformaciones estructurales o químicas de las muestras. Los valores promedio y desviación estándar de la longitud y anchura de las partículas se determinaron mediante un análisis estadístico de las dimensiones observadas en las micrografías MET de más de 100 partículas. La media y desviación estándar de la relación axial se determinó a partir de los valores obtenidos para cada partícula. Para obtener más información acerca de la microestructura de las partículas se utilizó difracción de electrones de área seleccionada (DEAS) y Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 microscopía electrónica de transmisión de alta resolución. Las imágenes de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución fueron analizadas haciendo transformadas rápidas de Fourier (FFT) con el programa informático Digital Micrograph 3.11.1 (Gatan software, Inc). Los elementos presentes en las muestras se determinaron mediante espectrometría de emisión atómica con inducción de plasma acoplado (ICP-AES, Perkin-Elmer 5500), y en partículas individuales se llevaron a cabo análisis de espectrometría de energía dispersiva (EED). Las propiedades magnéticas de las partículas se estudiaron con un magnetómetro de muestra vibrante SQUID-VSM (Quantum Design). Las curvas de histéresis magnética se midieron con un campo máximo aplicado de 3T a temperatura ambiente. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Caracterización de las nanoestructuras de hematites precursoras Para obtener nanoelipsoides magnéticos se sintetizaron, primeramente, nanoestructuras de hematites (α-Fe2O3) alargadas mediante la hidrólisis de soluciones de hierro (III) inducida térmicamente en presencia de urea e iones fosfato. Estas nanoestructuras, a diferencia de las nanoestructuras de hierro metálico y las aleaciones de FexCo100-x, pueden crecer con una gran variedad de morfologías anisótropas que dependen fuertemente de las condiciones de síntesis, tales como la presencia de agentes surfactantes. La figura 1a muestra los patrones de difracción de las nanoestructuras precursoras sintetizadas en presencia de diferentes concentraciones de fosfato dihidrogenado. Dichos patrones corresponden a una única fase cristalina consistente con la estructura tipo corundum de la hematites (Joint Committee on Powder Diffraction Standards fichero No. 33-0664). Las imágenes de MET (ver figura 2) mostraron que la presencia de pequeñas concentraciones de fosfato de sodio en el medio de reacción modificaron substancialmente la morfología y uniformidad de las nanoestructuras de hematite. De esta forma, se encontró que la uniformidad y la relación axial de las partículas de hematites aumentó con el incremento de la relación de concentraciones entre iones fosfato y Fe+3 (ver figuras 1b y 2a-d). Este cambio de 9 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. Fig. 1. a) Patrones de DRX de las muestras H-0mM, H4.5mM y H-5.5mM. b) Dependencias de la relación axial y los valores de D104 de las muestras de hematites en función de la relación de concentraciones [PO4-3]/[Fe+3] empleada en su síntesis. Fig. 2. Micrografías de MET de las muestras de hematites sintetizadas a) en ausencia de iones fosfato y con concentraciones de NaH2PO4 de b) 3.5, c) 4.5 y d) 5.5 mmol dm-3. 10 morfología, de partículas equiaxiales a nanoelipsoides, también se evidenció con el cambio de la relación de intensidades de los picos de DRX correspondientes a los planos (104) y (110), ver figura 1a. Las imágenes MET de campo brillante y campo oscuro de los nanoelipsoides de hematites (figuras 3a y b) mostraron que los nanoelipsoides de αFe2O3 tienen una estructura interior constituida por cientos de nanopartículas primarias ensambladas con diámetros en torno a un orden de magnitud menor que la anchura de los nanoelipsoides. Por otra parte, las imágenes de MET de alta resolución revelaron que estas nanopartículas primarias son monocristales que están altamente orientados con la dirección <001> dirigida a lo largo del eje del nanoelipsoide. Como ejemplo ilustrativo, la figura 3c muestra una imagen de MET de alta resolución cuya transformada rápida de Fourier es presentada en la figura 3d. El patrón observado en esta última imagen está constituido por puntos ligeramente alargados (formando pequeños arcos) que pueden indexarse en el eje de zona [1-10] de la hematites. Esto confirma que los nanocristales de α-Fe2O3 comparten la misma orientación dentro del nanoelipsoide. Por otra parte, se observa que la dirección cristalográfica [006] cae a lo largo del eje largo del nanoelipsoide. Otra evidencia de la alta orientación de los nanocristales es que las longitudes de coherencia promedio, D104 (figura 1b), presentan valores más próximos al ancho de los nanoelipsoides que al tamaño de los nanocristales. Estos resultados sugieren que el mecanismo de formación de los nanoelipsoides de α-Fe2O3 se basa en la agregación espontánea de nanopartículas monocristalinas primarias de hematites para formar estructuras ordenadas con morfología elipsoidal. Para verificar esta hipótesis, se tomaron alícuotas del medio de reacción a diferentes tiempos y se examinaron por MET. En la figura 4a se muestra una imagen de MET obtenida para una alícuota extraída transcurridas 30 horas de reacción en el experimento H-4.5 mM. En esta imagen se observan claramente nanopartículas primarias que tienden a agregarse en estructuras nanoelipsoidales. La relación entre la relación axial de los nanoelipsoides y la concentración relativa de aniones PO4-3 (ver figuras 1b y 2a-d), así como la alta orientación de los nanocristales de α-Fe2O3 dentro de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. Fig. 3. Imágenes MET de a) campo brillante y b) de campo oscuro de una partícula de la muestra H-4.5mM. c) Micrografía MET de alta resolución de la partícula estudiada en la imagen anterior. La dirección del eje largo de la partícula está resaltada con una flecha doble. d) Transformada rápida de Fourier de la imagen c. Los puntos de este patrón han sido indexados al eje de zona [1-10] de la hematites. las nanoarquitecturas elipsoidales, son consecuencias de la adsorción preferencial de los aniones PO4-3 por las caras superficiales paralelas al eje c de la hematites. Esta adsorción selectiva puede explicarse teniendo en cuenta las relaciones estereoquímicas entre los aniones PO4-3 y los huecos que presenta la estructura de la hematites en las mencionadas caras (ver fig. 4b).18 De este modo, esta adsorción selectiva provee una cierta distribución de cargas eléctricas en la superficie de los nanocristales, la cual introduce nuevas interacciones anisótropas en el sistema que determinan la dirección [001] como la dirección preferencial para la agregación de los nanocristales, favoreciendo la formación de nanoarquitecturas con una morfología alargada (ver esquema representativo en figura 4c). Caracterización de los nanoelipsoides de α-Fe Los patrones de DRX de las muestras obtenidas después del tratamiento térmico (ver por ejemplo patrón de la muestra Fe-4.5mM en la figura 5) pueden indexarse considerando una única fase cristalina de hierro metálico (Joint Committee on Powder Diffraction Standards fichero No. 06-696). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 Fig. 4. a) Micrografía de MET de una alícuota extraída transcurridas 30 horas de reacción en el experimento H4.5mM. b) Representación esquemática de la adsorción selectiva de aniones PO4-3 por las caras paralelas al eje c de la hematites. c) Representación idealizada del proceso de auto-ensamblaje de nanocristales de hematites en una nanoarquitectura con forma elipsoidal. Es importante destacar que los valores de D110 fueron los mismos, dentro del error experimental, para las muestras Fe-3.5mM, Fe-4.5mM y Fe-5.5mM, siendo próximos a 30 nm. Los estudios por MET mostraron que la uniformidad y morfología de las partículas no experimentaron cambios significativos después de aplicar los tratamientos térmicos reductores (ver figuras 6a y b), sin embargo, se observó que las dimensiones de los nanoelipsoides se redujeron ligeramente. Las imágenes de altos aumentos de MET (figura 6b y c) indicaron que, con el tratamiento térmico en presencia de flujos de hidrógeno, los nanoelipsoides de hematites no solo experimentaron una transformación cristaloquímica, sino que también aumentó el tamaño de los cristalitos. De este modo, en estas imágenes se observa que los nanoelipsoides están constituidos por sub-unidades con un núcleo oscuro de unos 30 nm de diámetro recubierto por una capa de pocos nm, asociada a la superficie de óxido formada durante el proceso controlado de pasivación, la cual aparece con un tono más claro. 11 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. Fig. 5. Patrones de DRX de las muestras H-4.5mM, Fe4.5mM, FeCo-4.5mM y Fe-4.5mM@Y6%. Este óxido no fue detectado por difracción de rayos X (figura 5), probablemente debido a su pequeño tamaño de cristal. La distribución de las subunidades en el interior de los nanoelipsoides dependió de las dimensiones de los nanoelipsoides de hematites iniciales y el tiempo de reducción, tal como se estudió con detalle en las referencias 8 y 10. En particular, se encontró que los nanoelipsoides después de un tratamiento térmico de 1 ó 2 horas, solo presentaron una cadena de sub-unidades alineadas. Esta estructura de una sola cadena de cristales se observó también en los nanoelipsoides de la muestra Fe-5.5mM. En cambio, los nanoelipsoides de las muestras Fe-3.5mM y Fe-4.5mM exhibieron una peculiar estructura formada por una sub-unidad en cada punta de la partícula y dos cadenas lineales de sub-unidades en el centro de la partícula (ver figuras 6b y c). A este tipo de arreglo lo llamamos cadenas dobles frustradas. En la figura 7a se muestra una representación esquemática de estos cambios. Caracterización de los nanoelipsoides de FexCo100-x Tal como se demostró en otros trabajos,10,12 es factible modificar la composición de los 12 Fig. 6. a), b) y c) Imágenes de MET de la muestra Fe4.5mM. En la imagen c, algunos núcleos metálicos están resaltados con líneas discontinuas. d) Imagen de MET de la muestra FeCo-4.5mM. e) Micrografía de MET de alta resolución de un nanoelipsoide de FeCo-4.5mM. f) Transformada rápida de Fourier de la imagen e. nanoelipsoides y obtener nanoelipsoides de FexCo100-x (0 ≤ x ≤ 30) recubriendo las nanopartículas de hematites iniciales con una capa de óxido de cobalto. Al reducir estos nanoelipsoides con el tratamiento térmico en atmósferas de hidrógeno, el cobalto se difunde dentro de la partícula obteniendo nanoaleaciones de FexCo100-x. Esto es posible dado que el radio de los átomos de Co es muy próximo al de los átomos de Fe. La figura 7b muestra una representación esquemática de este proceso. Los nanoelipsoides de FexCo100-x presentaron las mismas características estructurales que los nanoelipsodes de α-Fe. De este modo, presentaron núcleos metálicos monocristalinos, con una estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc, por sus siglas en inglés), recubiertos por una capa de óxido. En la figura 6d se presenta una imagen de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. MET de bajos aumentos de la muestra FeCo-4.5mM, donde se puede observar la uniformidad de estos nanoelipsoides. En la figura 6e se muestra una imagen MET de alta resolución de un nanoelipsoide de Fe70Co30. La transformada rápida de Fourier de esta imagen (figura 6f) muestra un patrón de puntos que pueden indexarse con el eje de zona [100] de una aleación FexCo100-x con estructura bcc. De las imágenes 6e y f podemos concluir que la dirección [011] (que es la dirección del eje magnético medio para un cristal αFe con anisotropía magnetocristalina predominante) cae a lo largo del eje del nanoelipsoide. Además, se detectaron puntos de difracción que se pueden asociar al eje de zona [110] de una ferrita, asociada a la capa superficial de óxido protectora, siendo la dirección <100> coincidente con la dirección <001> del Fe70Co30. Fig. 7. Representaciones esquemáticas de las transformaciones estructurales y de composición observadas: a) durante el proceso de reducción de nanoelipsoides de hematites, b) durante el proceso de reducción de nanoelipsoides de hematites recubiertas con cobalto, y c) durante el proceso de reducción de nanoelipsoides de hematites recubiertos con itrio. Nuevas estrategias para el diseño de la microestructura de nanoelipsoides de α-Fe y FexCo100-x Los estudios presentados en la sección anterior han demostrado que los nanoelipsoides obtenidos presentan el gran atractivo de combinar una morfología elipsoidal con una microestructura constituida por cadenas de nanocristales magnéticos alineados, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 mostrando claras semejanzas con los magnetosomas de la bacteria magnetotáctica. Esto los convierte en excelentes modelos experimentales útiles para la contrastación y complementación de diversos modelos teóricos micromagnéticos.8,10 No obstante, con los protocolos descritos no se logró controlar ni el tamaño de los cristalitos metálicos ni su orientación dentro del nanoelipsoide, siendo ambos parámetros determinantes en las propiedades físicas de los nanoelipsoides. Es por ello que buscamos nuevas estrategias que mejoraran nuestra capacidad de controlar la microestructura de los nanoelipsoides. Con este fin, se trató de modular el crecimiento de los nanocristales durante el proceso de reducción mediante la introducción de tensiones internas adicionales dentro de los nanoelipsoides. Para ello, se recubrieron los nanoelipsoides de hematites iniciales con compuestos cuyos coeficientes de dilatación térmica lineal son diferentes a las fases en las que se transforma el nanoelipsoide durante el tratamiento térmico (magnetita y α-Fe). De este modo, estos recubrimientos generan tensiones internas transversales producidas por las diferencias en la expansión térmica entre el nanoelipsoide y su recubrimiento durante el proceso de reducción con tratamientos térmicos en atmósferas de hidrógeno.10 En este protocolo, el espesor y la naturaleza del recubrimiento son factores de control de las propiedades microestructurales de los nanoelipsoides finales.9 En el trabajo presente mostraremos los resultados obtenidos empleando recubrimientos de óxido de itrio. El itrio no se difunde al interior de las partículas, permaneciendo principalmente en la superficie del nanoelipsoide después del proceso de reducción térmica, tal como demostramos mediante caracterizaciones de XPS y otras técnicas analíticas en la referencia 10. No obstante, la presencia de estos recubrimientos no se detectó por difracción de rayos X debido a su naturaleza amorfa. Estos recubrimientos tuvieron una fuerte influencia en el tamaño de los monocristales metálicos de los nanoelipsoides finales. En la figura 8f se muestra el valor de la longitud de coherencia promedio D110 de los nanoelipsoides tratados térmicamente en función de la relación molar [Y]/[Y+Fe]. De esta dependencia se puede deducir que el tamaño de los núcleos de los nanoelipsoides disminuye significativamente según aumenta el espesor del recubrimiento. 13 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. Por otra parte, los análisis realizados mediante difracción de electrones y MET de alta resolución indicaron que los recubrimientos también tuvieron una influencia en la orientación de los cristales metálicos y el tipo de arreglo que forman. Como ejemplo ilustrativo, mostraremos el caso de una muestra de nanoelipsoides de hierro recubiertos con itrio con una relación molar [Y]/[Y+Fe] del 6% (figura 8a). En la mayoría de estos nanoelipsoides, no se evidenció una estructura tipo cadenas dobles frustradas, sino que los nanocristales de Fe aparecieron alineados en solo una cadena recubiertos por un material amorfo, tal como se puede observar en las figuras 8b y c. La figura 8d muestra una imagen de MET de alta resolución de uno de los núcleos de hierro metálico de un nanoelipsoide de la muestra Fe-4.5mM@Y6%. En ella se observan franjas reticulares que pueden asociarse a la estructura bcc del hierro proyectada a lo largo de la dirección <100> (véase también la imagen de FFT correspondiente en la figura 8e). Fig 8. a), b) y c) Micrografías de MET de la muestra Fe-4.5mM@Y6%. d) Imagen de MET de alta resolución correspondiente a la región resaltada en la imagen c) con un cuadro discontinuo. e) Transformada rápida de Fourier de la imagen d. f) Dependencia de las longitudes de coherencia D110 de los nanoelipsoides de α-Fe en función de la cantidad de itrio en sus recubrimientos. 14 Además, se encontró que la dirección <001> (es decir, la dirección del eje de fácil magnetización para un cristal α-Fe con anisotropía magnetocristalina predominante) es aproximadamente paralela al eje largo del nanoelipsoide. Estas mismas características la presentaron el resto de los núcleos de este nanoelipsoide. Propiedades magnéticas de los nanoelipsoides de α-Fe y de Fe x Co 100-x , y su potencial tecnológico La peculiar microestructura de los nanoelipsoides obtenidos, constituida por nanocristales magnéticos alineados en cadenas, y el alto nivel de control que nos aportan los métodos de preparación propuestos sobre el tamaño, tipo de arreglo y orientación de los nanocristales dentro de los nanoelipsoides, convierten a este sistema de partículas en un excelente modelo experimental útil para la contrastación y complementación de diversos modelos teóricos micromagnéticos 8,10, el estudio de los efectos de las interacciones dipolares en un sistema de nanopartículas8 y el estudio de la competencia de diversas fuentes de anisotropía en partículas alargadas.11 Es importante resaltar que el tamaño de los núcleos metálicos de los nanoelipsoides es menor que el tamaño crítico monodominio esperado para nanopartículas de α-Fe y de FeCo,19 por lo que es esperable que éstos núcleos sean monodominios magnéticos. Esta hipótesis fue corroborada en las referencias 8 y 10 realizando diversos estudios magnéticos. La figura 9 muestra los ciclos de histéresis medidos a temperatura ambiente de algunas de las muestras estudiadas en la contribución presente. En estas curvas se observa que estas muestras presentan valores altos de campo coercitivo, magnetización remanente e imanación de saturación debido a su anisotropía de forma. Estos valores varían dependiendo del tamaño de los núcleos, el tipo de alineamiento de los núcleos (cadenas simples o dobles frustradas) arreglo y su composición.10 En relación con estas propiedades, es importante destacar que los valores del campo coercitivo encontrados son considerablemente más grandes que el campo coercitivo máximo esperado para una partícula monodominio de α-Fe con una anisotropía magnetocristalina predominante (2K1/MS ≈ 560 Oe, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. tratamientos térmicos localizados se basarían en que los nanoelipsoides disipan energía en forma de calor cuando se encuentran en el seno de un campo magnético alterno por medio de la rotación de su momento magnético (relajación de Néel) y la rotación de los nanelipsoides producida por el torque ejercido por el campo aplicado (relajación browniana). Fig. 9. Ciclos de histéresis obtenidos para las muestras Fe-4.5mM, FeCo-4.5mM y Fe-4.5mM@Y6% a temperatura ambiente. donde K 1 es la constante de anisotropía 20), y notablemente mayor que los valores observados experimentalmente en nanopartículas de hierro con un diámetro alrededor de 30 nm a temperatura ambiente. 21 Esto sugiere que la anisotropía de forma es la fuente de anisotropía predominante en el sistema a temperatura ambiente. Por otra parte, estos valores se incrementan considerablemente si la temperatura de medición se reduce a pocos grados Kelvin,8,11 lo cual es esperable para un arreglo de cristales ferromagnéticos con tamaños de pocas decenas de nanómetros. Las propiedades magnéticas duras de nuestro sistema de nanopartículas implican elevadas pérdidas de energía durante su histéresis, factor que junto a las reducidas dimensiones de los nanoelipsoides los hacen muy atractivos para su uso como material base para el diseño de medios flexibles de almacenamiento de información o de energía. Por otro lado, podrían presentar un futuro prometedor en diversas aplicaciones dentro del área biomédica. Por ejemplo, se podrían emplear en el diseño de biosensores y bioseparadores basados en el reconocimiento, anclaje y recolección magnética de biomoléculas y agentes patógenos. Asimismo, los nanoelipsoides magnéticos podrían emplearse en terapias de tumores cancerígenos transportando fármacos antineoplásicos y a su vez emplearse como diminutos centros de irradiación de calor (42-55°C) para destruir selectivamente células cancerígenas sin dañar a los tejidos sanos adyacentes. Estos Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 CONCLUSIONES En la contribución presente se han establecido procedimientos de preparación de nanoelipsoides de Fe y FeCo con una microestructura constituida por nanocristales monodominio alineados con la misma orientación formando una o dos cadenas dentro de los nanoelipsoides, de forma similar a como aparecen alineados los magnetosomas de la bacteria magnetotáctica. Las técnicas desarrolladas permiten modificar de forma controlada y reproducible la composición y la elongación de los nanoelipsoides magnéticos, la orientación de los nanocristales, su tamaño y el tipo de sus arreglos. Esto conduce a su vez a la modulación de sus propiedades magnéticas, las cuales se caracterizan por sus altos valores de coercitividad, magnetización remanente y de magnetización de saturación debido a que presentan una alta anisotropía magnética gobernada principalmente por su morfología alargada. Estas propiedades magnéticas duras, adaptables a las necesidades específicas de una aplicación determinada, proveen a estos nanoelipsoides de un gran potencial tecnológico. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al M. C. Enrique Díaz Barriga su excelente ayuda técnica en el MET. Asimismo, agradecen al Dr. Carlos J. Serna y a la Dra. M. Puerto Morales sus valiosos comentarios. Esta investigación fue financiada por CONACYT con los proyectos CB84478 y CB83468, y la UANL con el proyecto Paicyt2009-IT 147-09. REFERENCIAS 1. T.-K. Chung, S. Keller, G. P. Carman. Electricfield-induced reversible magnetic single-domain evolution in a magnetoelectric thin film. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 132501. 15 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. 2. H. Wu, R. Zhang, X. Liu, D. Lin, W. Pan. Electrospinning of Fe, Co, and Ni Nanofibers: Synthesis, Assembly, and Magnetic Properties. Chem. Mater. 2007, 19, 3506-3511. 3. V. M. Prida, K. R. Pirota, D. Navas, A. Asenjo, M. Hernández-Vélez, M. Vázquez. Self-Organized Magnetic Nanowire Arrays Based on Alumina and Titania Templates. J. Nanosci. Nanotechnol. 2007, 7, 272-285. 4. I. S. Jacobs, C. P. Bean. An Approach to Elongated Fine-Particle Magnets. Phys. Rev. 1955, 100, 1060-1067. 5. L. Zhang y A. Manthiram. Experimental study of ferromagnetic chains composed of nanosize Fe spheres. Phys. Rev. B 1996, 54, 3462-3467. 6. R. E. Dunin-Borkowski, M. R. McCartney, R. B. Frankel, D. A. Bazylinski, M. Pósfai, P. R. Buseck. Magnetic microstructure of magnetotactic bacteria by electron holography. Science 1998, 282, 1868-1870. 7. D. Schüler. Formation of magnetosomes in magnetotactic bacteria. J. Molec. Microbiol. Biotechnol. 1999, 1, 79-86. 8. Carlos Luna Criado, Raquel Mendoza Reséndez. Estudio del mecanismo de inversión de la magnetización en nanoelipsoides de Fe con microestructuras diseñadas, bioinspiradas en la bacteria magnetotáctica. CiENCiAUANL 2013 (aceptado). 9. Raquel Mendoza Reséndez, Carlos Luna Criado. Método de control de las propiedades microestructurales y magnéticas de partículas elipsoidales mediante la modulación de sus tensiones internas a través de recubrimientos con una relación de sus coeficientes de expansión térmica. Patente MX/a/2013/005103. 10. R. Mendoza-Reséndez, C. Luna, E. D. BarrigaCastro, P. Bonville y C. J. Serna. Control of Crystallite Orientation and Size in Fe and FeCo Nanoneedles. Nanotechnology 2012, 23, 225601. 11. R. Mendoza-Reséndez, C. Luna. Shape 16 Anisotropy and Exchange Bias in Magnetic Flattened Nanospindles with Metallic/oxide Core/Shell Structures. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 2012, 12, 7577-7581. 12. Raquel Mendoza-Reséndez, Raul Pozas, M. Puerto Morales, Pierre Bonville, Manuel Ocaña, Carlos J. Serna. FeCo magnetic nanoneedles obtained by Co-coating haematite. Nanotechnology 2005, 16, 647–654 13. R. Mendoza-Reséndez, O. Bomati-Miguel, M. P. Morales, P. Bonville, C. J. Serna. Microstructural characterization of ellipsoidal iron metal nanoparticles. Nanotechnology 2004, 15, S254S258. 14. R. Mendoza-Reséndez, M. P. Morales, C. J. Serna. Reduction mechanism of uniform iron oxide nanoparticles to metal used as recording media. Mater. Sci. Eng. C 2003, 23, 1139-1142. 15. B. Aiken, E. Matijevic. Preparation and properties of uniform coated inorganic colloidal particles. IV. Yttrium basic carbonate and yttrium oxide on hematite. J. Colloid and Interface Sci. 1988, 126, 645-649. 16. E. Matijevic. Preparation and properties of uniform size colloids. Chem. Mater. 1993, 5, 412-426. 17. B. D. Cullity, S. R. Stock. Elements of X-ray diffraction. Prentice may: New Jersey. 2001. 18. V. Barron, M. Herruzo, J. Torrent. Phosphate Adsorption by Aluminous Hematites of Different Shapes. Soil. Sci. Soc. Am. Proc. 1988, 52, 647651. 19. A. Aharoni. Angular dependence of nucleation by curling in a prolate spheroid. J. Appl. Phys. 1997, 82, 1281-1287. 20. C. 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La actividad fotocatalítica de PbMoO4 fue evaluada bajo irradiación UV en la reacción de degradación de rodamina B (RhB), índigo carmín (IC), naranja G (OG) y naranja de metilo (MO). En general, la actividad de las muestras preparadas siguió la secuencia MW > Sono > H60 > Copp > SS mostrando una importante correlación con la ruta de síntesis del material. Esta situación fue asociada con las propiedades texturales y morfológicas del óxido. Bajo condiciones ácidas, para el caso de RhB, IC y OG, las soluciones fueron rápidamente decoloradas. El análisis de carbón orgánico total (TOC) de las soluciones irradiadas de los colorantes reveló que un alto grado de mineralización de los compuestos orgánicos es posible por acción de PbMoO4 luego de 96 h de radiación UV. PALABRAS CLAVE Fotocatálisis heterogénea, PbMoO4, molibdato, colorantes orgánicos Artículo basado en el trabajo “Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación de contaminantes orgánicos de agua”, el cual obtuvo el Premio de Investigación UANL 2013, en la categoría de Ingeniería y Tecnología, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, celebrada el 29 de agosto de 2013. ABSTRACT Lead molybdate powder (PbMoO4) was successfully synthesized by using five routes of synthesis (solid state reaction-SS, coprecipitation-Cop, hydrothermalH60, sonochemistry-Sono and microwave irradiation-MW). The resulting samples were characterized by conventional experimental techniques. The photocatalytic activity of PbMoO4 samples was evaluated under UV irradiation for the degradation reaction of rhodamine B (RhB), indigo carmine (IC), orange G (OG), and methyl orange (MO). In general, the activity of samples synthesised follows the sequence MW > Sono > H60 > Copp > SS showing a strong correlation with the route of synthesis. This fact was associated with the textural and morphological properties of oxide. The bleaching of the organic dye solutions over PbMoO4 photocatalyst was quickly reached for RhB, IC, and OG under acidic conditions. Total organic carbon (TOC) analysis of samples irradiated revealed that mineralization of organic dyes by the action of PbMoO4 is feasible after 96 h of UV irradiation. KEYWORDS Heterogeneous photocatalysis, PbMoO4, molybdate, organic dyes Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 17 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. INTRODUCCIÓN La búsqueda de nuevas tecnologías de oxidación para la purificación de agua que resulten eficientes y económicamente factibles a escalas industriales se ha centrado en el uso de la energía solar como fuente energética. Una de las aplicaciones fotoquímicas que ha despertado más interés en las últimas décadas entre la comunidad científica internacional es la fotocatálisis heterogénea. Debido a que la velocidad de recombinación hueco-electrón en el seno del semiconductor es muy superior a la velocidad de oxidación-reducción de especies contaminantes en su superficie, es indispensable establecer condiciones experimentales para promover esta separación y hacer ineficiente el proceso de recombinación de cargas. Lo anterior puede realizarse, bien mediante la modificación estructural/electrónica del semiconductor, o bien mediante la variación del medio de reacción. El material semiconductor por excelencia utilizado como fotocatalizador es el TiO 2 en su forma cristalina de anatasa debido a su alta actividad catalítica bajo radiación ultravioleta, alta inercia ante procesos de fotocorrosión y bajo costo. Diversos trabajos han sido realizados con el fin de desarrollar fotocatalizadores con alta eficiencia en la región visible del espectro solar, como ejemplo basta mencionar a los óxidos In1-xNixTaO4, CaIn2O4, InVO4 y Bi2MoO6.1-5 Desde el punto de vista tecnológico, la fotocatálisis heterogénea se encuentra actualmente en una fase temprana de investigación y desarrollo tecnológico. No obstante, existen dispositivos comerciales que operando bajo este principio son utilizados para la purificación de aire, principalmente en la eliminación de óxidos de nitrógeno (NOx) y de compuestos orgánicos volátiles (VOC´s) presentes en interiores de oficinas, casas y automóviles. Asimismo, el desarrollo comercial de superficies autolimpiantes como ventanas y piezas cerámicas, así como cubiertas de focos de alumbrado que operan por la presencia de un fotocatalizador es una realidad.6 Aunque notables avances se han reportado en el empleo de la fotocatálisis heterogénea para la remoción de contaminantes en medio acuoso, el camino a recorrer para su aplicación en grado masivo de volumen y empleo de radiación solar aún es largo. 18 Entre los principales problemas a los que se enfrenta la aplicación de la fotocatálisis heterogénea en medio acuoso se encuentran la dificultad en el manejo de grandes volúmenes de agua, un proceso efectivo de separación del fotocatalizador del medio una vez concluido el proceso, así como la necesidad de aumentar la eficiencia fotocatalítica del semiconductor preparado. En contraparte, el uso de esta herramienta tecnológica presenta la ventaja de requerir una fuente de energía gratuita e inagotable como lo es la energía solar, el tratarse de un proceso no selectivo para la oxidación y mineralización de prácticamente cualquier compuesto orgánico, así como su aplicación en niveles de concentración de contaminantes donde otras técnicas son inoperantes. En las reacciones fotocatalíticas existen factores que pueden influir de manera positiva o negativa para que éstas se puedan llevar a cabo de manera eficiente. Es precisamente objeto de estudio de la presente investigación el atender a estos factores para la consecución y desarrollo de un fotocatalizador con alta eficiencia en procesos de remoción de contaminantes en medio acuoso. La presente propuesta incluye la selección de un semiconductor (PbMoO4) y la modificación de sus propiedades fisicoquímicas para potenciar su actividad fotocatalítica en reacciones de degradación de colorantes orgánicos. Lo anterior mediante el empleo de diversas rutas de síntesis química que emplean diferentes condiciones de tratamiento térmico/enfriamiento para la preparación de óxidos semiconductores con propiedades morfológicas y texturales diferentes que incidan en la actividad fotocatalítica del material. EXPERIMENTACIÓN El material PbMoO4 fue preparado en forma policristalina mediante diferentes métodos: reacción en estado sólido (SS), coprecipitación (Cop), hidrotermal (H60), sonoquímica (Sono) y radiación con microondas (MW). Para la preparación del molibdato por el método de reacción en estado sólido se pesaron cantidades en relación estequiométrica apropiada del óxido MoO3 y la sal Pb(NO3)2, se homogeneizaron y la mezcla reactiva se compactó en forma de pastilla por medio de una prensa mecánica. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. Las pastillas fueron calcinadas a 950˚C en un horno eléctrico durante 72 horas. Posteriormente la muestra fue enfriada a temperatura ambiente. Para la síntesis por coprecipitación se utilizaron como precursores Pb(NO3)2 y (NH4)6Mo7O24•4H2O. A partir de dichas sales, se prepararon dos soluciones acuosas. La solución de Pb(NO3)2 fue vertida lentamente gota a gota en la solución de (NH4)6Mo7O24•4H2O manteniendo una agitación vigorosa y originando una suspensión de color blanco. Se ajustó a pH= 11 utilizando NH4OH, manteniendo la suspensión en agitación durante 30 minutos adicionales. Una vez formado el precipitado, éste fue separado por filtración. En la preparación de PbMoO4 mediante el método hidrotermal se utilizaron como reactivos H2MoO4 y Pb(NO3)2, los cuales fueron disueltos en 75 mL de agua desionizada. Posteriormente, la disolución se mantuvo en agitación vigorosa dentro de un baño de ultrasonido y se ajustó a pH= 11 por adición de NH4OH. La suspensión se transfirió a una autoclave de acero inoxidable. El proceso hidrotermal se realizó a 60˚C con una velocidad de calentamiento de 2˚C. min-1 durante 10 minutos. Transcurrido este tiempo, se realizaron varios lavados con agua desionizada al precipitado resultante con el fin de neutralizar el pH (~7) y después se procedió a la evaporación del solvente a 70˚C. En la síntesis del método por sonoquímica se partió de los reactivos H2MoO4 y Pb(NO3)2 y se siguió el procedimiento experimental descrito a detalle previamente.7 Para la preparación de la muestra por radiación con microondas se vertieron 15 mL de etilenglicol anhídrido en un vaso de precipitado y fueron añadidos 5 mmoles de H2MoO4 y de Pb(NO3)2 con agitación constante y se ajustó a pH= 11 utilizando NH4OH. La dispersión de color blanca fue transferida a un equipo de microondas para someterla a un calentamiento mediante la aplicación del 50% de la potencia del horno de 120W durante 20 minutos. Posteriormente, el sólido obtenido fue separado por filtración. La caracterización estructural del óxido PbMoO4 fue realizada por difracción de rayos-X en polvo (DRX) usando un difractómetro Bruker Advanced X-Ray Solution D8 con radiación Kα del Cu (λ= 1.5418 Å). Las mediciones se realizaron en Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 un intervalo 2θ de 10° a 60° con un tamaño de paso de 0.05° y un tiempo de 0.05 segundos por cada paso. La banda de energía prohibida (Eg) se determinó mediante espectroscopia de reflectancia difusa (DRS) utilizando un espectrofotómetro Perkin Elmer Precisely Lambda 35 UV/Vis con esfera de integración. El área superficial de los fotocatalizadores fue determinada mediante fisisorción de nitrógeno (método BET) utilizando un analizador Bel-Japan Minisorp II. La morfología de las muestras fue analizada mediante la técnica de microscopía electrónica de barrido (SEM) utilizando un microscopio FEI Nova Nano SEM de bajo vacío con un voltaje máximo de aceleración de 3 kV. Las reacciones de degradación fotocatalítica se llevaron a cabo en un reactor de inmersión de borosilicato con chaqueta de enfriamiento para mantener la temperatura de reacción en 25°C± 1°C. Como fuente de radiación UV fue utilizada una lámpara heterocromática de Xe de 10,000 K. La intensidad de la radiación UV fue de 1,380 μW.cm-2. La actividad fotocatalítica de PbMoO4 se evaluó en la reacción de degradación de los colorantes orgánicos rodamina B (RhB), índigo carmín (IC), naranja G (OG) y naranja de metilo (MO) en solución acuosa, véase figura 1. En un vaso de precipitado se agregaron 200 mL de una solución del colorante orgánico que contenía 200 mg de PbMoO4 y posteriormente se transfirió a un baño de ultrasonido para la eliminación de agregados. Considerando el coeficiente de absorción molar de cada colorante, las concentraciones iniciales fueron 5, 30, 20, y 20 mg. L-1 para RhB, IC, OG y MO, respectivamente. A fin de asegurar que Fig. 1. Estructura molecular de colorantes de distintas familias de compuestos orgánicos. 19 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. el equilibrio de adsorción-desorción del colorante en la superficie de catalizador se hubiera alcanzado la solución se mantuvo en reposo en la oscuridad por 1 h. Después de este tiempo, la lámpara se encendió. Durante la reacción, las muestras se tomaron del reactor a diferentes intervalos de tiempo y luego se analizaron mediante un análisis colorimétrico tomando como referencia el máximo de absorción de cada colorante para determinar su concentración. Se llevaron a cabo experimentos en condiciones ácidas y básicas a pH= 4 y 10 añadiendo HNO3 ó NH4OH, respectivamente. El grado de mineralización fue seguido mediante el análisis del contenido de carbón orgánico total (TOC) de las soluciones con diferentes tiempos de irradiación. Se utilizaron 250 mL de la solución del colorante (50 mg.L-1 para RhB, OG y MO; y 100 mg.L-1 para IC) conteniendo 250 mg de fotocatalizador. Las muestras irradiadas se analizaron en un analizador de TOC Shimadzu VSCN8. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las muestras obtenidas por los diferentes métodos de síntesis fueron caracterizadas estructuralmente mediante difracción de rayos-X en polvo. Los difractogramas obtenidos mostraron la presencia de la fase tetragonal de PbMoO4 sin la presencia de impurezas de acuerdo a la tarjeta JCPDS No. 01-0714910, como se muestra en la figura 2. En particular, la muestra PbMoO4 (MW) presentó la mayor cristalinidad como lo demuestra su Fig. 2. Difractogramas de PbMoO4 obtenidos mediante el método de reacción en estado sólido (SS), coprecipitación (Copp), hidrotermal (H60), sonoquímica (Sono) y radiación con microondas (MW). 20 difractograma con líneas de difracción bien definidas y altas intensidades. La energía de banda prohibida se obtuvo mediante los espectros de reflectancia difusa (DRS), y los valores son mostrados en la tabla I. Todas las muestras obtenidas presentaron un valor de Eg mayor a 3 eV lo cual define que son fotocatalizadores que pueden ser activados mediante radiación UV. Para determinar el área superficial de los materiales sintetizados se realizaron análisis de fisisorción de nitrógeno utilizando el método BET, véase tabla I. La muestra PbMoO4 (SS) fue la que exhibió el menor valor de área debido a que la alta temperatura de síntesis promovió un proceso de crecimiento de partícula mediante un mecanismo de sinterización. Cuando el PbMoO4 fue sintetizado por el resto de los métodos de síntesis, el área superficial del material se incrementó en aproximadamente un orden de magnitud, alcanzando un valor máximo de 5.98 m2.g-1 para PbMoO4 (Sono). Tabla I. Propiedades físicas de PbMoO4 preparado por diferentes métodos de síntesis. Método de Síntesis Temperatura Energía Área de calcinación de banda superficial (°C) prohibida (eV) (m2.g-1) Estado sólido (SS) 950 3.10 0.20 Coprecipitación (Copp) 350 3.16 1.18 Hidrotermal (H60) 70 3.09 2.71 Sonoquímica (Sono) 70 3.19 5.98 Microondas (MW) 70 3.17 2.52 La figura 3 muestra algunas imágenes de SEM representativas de la morfología de las muestras preparadas. De acuerdo al análisis por SEM la muestra (SS) no presentó una morfología definida en particular, con ausencia de aglomerados y de tamaños superiores a 2 μm (3a). La fase obtenida mediante el método de coprecipitación presentó una morfología irregular tipo oval en sus partículas con un tamaño menor al observado para PbMoO4 (SS), del orden de 350 nm (3b). La muestra obtenida mediante el método hidrotermal presentó una morfología de sus partículas en forma octaédrica Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. Fig. 3. Micrografías SEM de las muestras de PbMoO4 (SS) (a), PbMoO4 (Copp) (b), PbMoO4 (H60) (c), PbMoO4 (Sono) (d) y PbMoO4 (MW) (e). o de bipirámide con tamaño de 150-300 nm (3c). Esta morfología es ocasionada por la temperatura y la presión utilizada en el reactor hidrotermal, ya que es capaz de promover el mecanismo de nucleación, agregación y recristalización. En el proceso de coalescencia se incrementó la concentración de partículas, que durante su crecimiento probablemente causó la formación de defectos superficiales en sus caras.8 Las partículas presentaron una orientación preferencial al plano cristalográfico [001], ya que los cristales tendieron a formarse con una mayor velocidad de crecimiento en esa dirección.9 Las partículas obtenidas mediante el método de sonoquímica mostraron una morfología semiesférica utilizando como medio dispersante etilenglicol (EG) (3d). Los efectos físicos del ultrasonido como la cavitación originaron núcleos limitados durante la etapa de crecimiento de las partículas, debido al tiempo de duración de los colapsos de implosión de las burbujas en el líquido (> 1ns). Dicha implosión ocasionó una distribución homogénea en el tamaño de cristal y tamaño de partícula, disminuyendo la formación de aglomerados y obteniendo una morfología definida. La muestra de PbMoO4 (MW) está formada por partículas con una morfología en forma ovalada Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 (3e). La radiación con microondas produjo un calentamiento muy rápido de toda la suspensión que favoreció la nucleación de los cristales alcanzando una distribución de tamaño de partícula homogénea. El EG absorbe las ondas de alta frecuencia, al formarse la fase PbMoO4 también absorbió las microondas produciendo partículas de tamaño homogéneo mediante el mecanismo de Ostwald Ripening.10 En este mecanismo, los centros de nucleación se aglomeran y disuelven generando pequeñas partículas, donde los aglomerados grandes crecen a partir de los aglomerados de partículas más pequeñas, que se disuelven y desaparecen. En la figura 4 se resumen los resultados obtenidos para la degradación de los cuatro colorantes orgánicos utilizando como fotocatalizador PbMoO4 sintetizado por reacción en estado sólido, co-precipitación, hidrotermal, sonoquímica y microondas bajo condiciones ácidas de pH= 4. Dado que los tiempos de vida media obtenidos para naranja de metilo fueron considerablemente grandes con respecto a los del resto de los colorantes, los datos de t1/2 para este colorante fueron divididos entre 2 para ser representados y ser mejor visualizados en la figura 4. Independientemente del método de síntesis, la actividad fotocatalítica de PbMoO 4 para la 21 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. Fig. 4. Tiempo de vida media de los colorantes rodamina B (RhB), índigo carmín (IC), naranja G (OG) y naranja de metilo (MO) utilizando PbMoO4 sintetizado por 5 rutas de síntesis. (*MO = tiempo de vida media dividido entre 2 para una mejor visualización de la figura). degradación de los colorantes fue en la dirección IC > RhB > OG > MO. Este hecho es aún más notable dado que el IC fue el colorante utilizado a una mayor concentración inicial en los experimentos (30 ppm) con respecto a OG y MO (20 ppm) y aún más que con respecto a RhB (5 ppm). La dificultad para degradar OG y MO se puede asociar con la presencia de grupos funcionales azo (-N=N-) en sus respectivas estructuras moleculares, como se muestra en la figura 1. De acuerdo con reportes previos,11 la fotodegradación de un colorante azo está asociada con el rompimiento del enlace -N=Nen una etapa inicial de la reacción. No obstante, este proceso es complicado debido a que la energía promedio del enlace azo es cercano a 420 kJ mol-1, considerablemente mayor al valor de energía de 286 kJ mol-1 requerido para la ruptura del enlace -N-C- en las sucesivas de-etilaciones en el caso de la RhB. Aún bajo esta circunstancia, es a destacar la diferencia en la dificultad de degradar las moléculas de los dos colorantes azo. En este sentido, la presencia de un grupo hidroxi- ligado a un anillo aromático en la molécula de OG puede constituir un punto de ataque para un ataque más efectivo al anillo aromático y su posterior apertura. Por su parte, la mayor velocidad en la degradación de la molécula de IC con respecto a RhB puede correlacionarse con la apertura del anillo aromático en la etapa temprana de la degradación, a diferencia de RhB donde la etapa inicial está dominada por la de-etilación de su molécula. El análisis de los espectros de absorción de ambos colorantes parece soportar esta hipótesis (figura 5), aunque es necesario a futuro un análisis de cromatografía de líquidos acoplado a masas para 22 Fig. 5. Espectros de absorción característico de los colorantes rodamina B (a) e índigo carmín (b) bajo condiciones ácidas en el curso de su degradación en presencia de PbMoO4 (MW). la identificación de intermediarios de reacción y corroborar lo anterior. Analizando la figura 4 desde el punto de vista del método de síntesis, en términos generales para los cuatro colorantes analizados, la actividad de PbMoO4 fue en la dirección de MW > Sono > H60 > Copp > SS. La única excepción a esta secuencia fue la degradación de RhB por PbMoO4 (Sono), donde se observó un descenso notable en la actividad fotocatalítica que no pudo ser justificada con la información experimental disponible. Las condiciones experimentales de la síntesis de PbMoO4 por reacción en estado sólido (SS) impiden que la reacción entre reactivos se dé de manera completa, esto debido a que el crecimiento de la capa del producto entre los dos reactivos elimina la Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. interfase reactivo-reactivo obligando a la migración de las especies móviles a recorrer más distancias a través de la estructura cristalina del producto a medida que transcurre el tiempo de reacción. Lo anterior da como resultado un material de naturaleza heterogénea, aunque es importante señalar que por difracción de rayos-X no fue observada la presencia de impurezas (al nivel de resolución de la técnica). Adicionalmente, la alta temperatura empleada durante la síntesis de PbMoO4 produce partículas de tamaño del orden de los 10-50 μm (análisis SEM) lo que conlleva a obtener un material con área superficial muy baja. Por último, el tamaño grande de partícula obtenido para PbMoO4 (SS) dificulta conseguir una buena dispersión en la solución del colorante lo que sin duda afecta el área del fotocatalizador expuesta a la radiación. Por su parte, el método de co-precipitación es susceptible a la obtención de materiales heterogéneos dada la dificultad de la precipitación estequiométrica de las especies participantes al 100%. Esta condición puede afectar ligeramente la estequiometría del óxido y ser la causa de una menor actividad fotocatalítica. Las muestras de PbMoO4 con mayor actividad fotocatalítica (MW>Sono>H60) tienen la característica en común de haber sido preparadas en un medio líquido de reacción, situación que favorece reacciones completas y la obtención de materiales más homogéneos. De las tres muestras mencionadas, H60 fue obtenida sin un tratamiento térmico posterior a la reacción hidrotermal llevada a cabo a 60ºC. Lo anterior conduce a la obtención de un material con baja cristalinidad debido a la temperatura empleada durante su síntesis. La baja cristalinidad puede ser un factor negativo en el proceso fotocatalítco debido a que los defectos en el material pueden actuar como centros de recombinación de cargas. La formación de PbMoO4 (MW) y PbMoO4 (Sono) fue llevada a cabo a temperaturas de reacción locales difíciles de determinar por técnicas convencionales. No obstante, en ambos casos, por la naturaleza de ambos métodos se estiman temperaturas locales altas por lapsos de tiempo cortos, así como procesos de enfriamiento muy rápidos. Estos factores pueden promover un material con alta cristalinidad, con una baja concentración de defectos que ayude a evitar la indeseable recombinación de cargas durante el proceso fotocatalítico. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 Para ambas muestras, MW y Sono, el análisis por SEM reveló la presencia de partículas pequeñas y discretas, poco propensas a la aglomeración, lo que sin duda facilita una mejor dispersión del fotocatalizador en la solución del colorante y una mayor área de exposición a la radiación de la lámpara. En este punto es importante remarcar la diferencia existente entre el área expuesta de un catalizador y la de un fotocatalizador. En el primer caso existe una relación directamente proporcional entre área superficial y concentración de sitios activos en la superficie del catalizador, mientras que para un fotocatalizador es necesario que exista una buena iluminación, en la mayor parte del tiempo, en todos los sitios para hacerlos activos al proceso. La eficiencia en el aprovechamiento de la irradiación que incide sobre las partículas del fotocatalizador depende principalmente de la morfología y el tamaño de las partículas irradiadas, en relación con la longitud de onda y la distancia a la partícula. Estos factores pueden operar para determinar las diferentes actividades fotocatalíticas observadas entre PbMoO 4 (MW) y PbMoO 4 (Sono). Las partículas PbMoO 4 (Sono) son las de menor tamaño con una morfología semiesférica pero presentan a su vez más aglomerados que PbMoO4 (MW). Las partículas de PbMoO4 (MW) son partículas de tamaño intermedio, con una distribución homogénea y morfología ovalada, dichas propiedades físicas podrían estar operando para aumentar la intensidad de la luz dispersa. Así, una mejor dispersión de la radiación por parte de las partículas de PbMoO4 (MW) produce una mayor iluminación en promedio de las partículas del óxido, situación que podría permitir la optimización de la radiación incidente para el proceso fotocatalítico para esta muestra. Se realizaron experimentos consecutivos de degradación de IC utilizando de manera representativa al fotocatalizador PbMoO4 (H60), con la finalidad de determinar la estabilidad del fotocatalizador ante sucesivos ciclos de uso. La figura 6 muestra la estabilidad de PbMoO 4 (H60) para 4 usos consecutivos del fotocatalizador en la degradación de IC, como se desprende del perfil de las curvas y del hecho que se mantuvo la eficiencia del mismo 23 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. para alcanzar un t1/2 de 16 min. Posteriormente se analizó el fotocatalizador por difracción de rayos-X antes y después de su uso durante cuatro ciclos, como es mostrado en la figura 6b y 6c, confirmándose nuevamente la estabilidad de PbMoO4. Finalmente, se determinó la lixiviación de iones de Pb del catalizador PbMoO4 durante la reacción fotocatalítica mediante la espectroscopía de absorción atómica. El análisis de la solución acuosa separada del fotocatalizador mediante centrifugación reveló que la concentración de iones de Pb es menor a 0.10 mg.L-1 (límite de detección del equipo) después de 4 horas de irradiación, lo cual satisface el estándar de descarga industrial de aguas residuales TCVN 5945. La decoloración total de la solución del colorante orgánico no indica su descomposición a intermediarios no tóxicos, menos aún su mineralización total. Como es bien sabido, la decoloración indica la destrucción de los grupos cromóforos, que son la parte de la molécula capaz de absorber luz visible para emitir diversos colores pero no da indicios del grado de conversión de la molécula compleja del colorante Fig. 6. Pruebas de estabilidad en la degradación fotocatalítica del índigo carmín utilizando como fotocatalizador PbMoO4 (H60). 24 a CO2, H2O y otras especies iónicas solubles. Para este propósito se realizó un análisis de carbón orgánico total (TOC) a muestras de colorante expuestas a diferentes tiempos de irradiación UV en presencia de PbMoO4, véase la figura 7. Como una tendencia natural del sistema, la degradación de RhB por los cuatro fotocatalizadores exhibió un alto grado de mineralización durante las primeras 24 h de irradiación de la dispersión con luz UV, para posteriormente estabilizar el TOC durante las siguientes 72 h. Este fenómeno puede ser explicado por la formación de intermediarios en las reacciones iniciales que producen la decoloración de la solución, pero cuya naturaleza recalcitrante frena el proceso de mineralización. En los colorantes IC y OG se observó un comportamiento similar al detallado para el caso de RhB, donde la mayor mineralización se alcanzó durante las primeras 24 h de irradiación UV, hasta obtener subproductos recalcitrantes los cuales frenaron la mineralización en etapas intermedias de la mineralización del colorante. Cabe mencionar que para las muestras PbMoO4 (Copp) y PbMoO4 (Sono) la mineralización de OG no fue detenida del todo a las 24 horas de irradiación UV observándose un ligero descenso en la concentración para tiempos posteriores. Los resultados obtenidos para la mineralización de MO merecen mención aparte, y fueron caracterizados por dos comportamientos bien definidos. En un tipo de comportamiento, la mineralización del colorante se hizo de manera gradual y con un pequeño grado de conversión a lo largo de las 96 h del experimento cuando se utilizaron como fotocatalizadores PbMoO4 (Copp) y PbMoO4 (Sono). Lo anterior indica el grado recalcitrante del colorante, así como de los intermediarios primarios formados, situación que está acorde con lo observado durante los experimentos de decoloración de MO. En un segundo tipo de comportamiento, observado en PbMoO4 (H60) y PbMoO4 (MW), la mineralización se conduce de manera lenta y similar a la observada para el otro par de fotocatalizadores, pero variando abruptamente después de 72 h. Esto no sólo indica un mayor grado de conversión de MO para PbMoO4 (H60) y PbMoO4 (MW), sino una mayor velocidad de reacción. Lo anterior puede prever un comportamiento similar para PbMoO4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. (Copp) y PbMoO4 (Sono) para más allá de las 96 h de irradiación UV. No obstante, el descenso abrupto a las 72 h en la mineralización de MO por PbMoO4 (H60) y PbMoO4 (MW) se ve nuevamente frenado para tiempos más largos debido a la oxidación a compuestos más estables. Fig. 7. Contenido en carbón orgánico total (TOC) de los contaminantes orgánicos utilizando PbMoO4 como fotocatalizador obtenido mediante coprecipitación (a), hidrotermal (b), sonoquímica (c) y radiación de microondas (d). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 CONCLUSIONES En el presente trabajo de investigación se propone al óxido semiconductor PbMoO4 como potencial fotocatalizador en la reacción de fotodegradación de colorantes orgánicos en medio acuoso bajo radiación UV. Partiendo de la hipótesis de que la modificación de las propiedades fisicoquímicas del óxido puede potenciar su capacidad como fotocatalizador, se han propuesto 5 métodos de síntesis para revisar esta posibilidad. Los resultados mostraron una notable diferencia en la actividad de PbMoO4 en función del método de síntesis, observándose que la actividad fotocatalítica sigue la dirección MW > Sono > H60 > Copp > SS. La naturaleza de los métodos de síntesis, y por ende el tipo de material que produjeron (homogeneidad del material, tamaño de partícula, área superficial, morfología) son los factores que determinaron este orden de actividad fotocatalítca. Los mejores resultados mostraron la capacidad de la muestra MW para reducir el tiempo de vida media de los colorantes rodamina B, índigo carmín y naranja G de 100, 87 y 223 min hasta sólo 7 min en los tres casos. Por un lado, esto muestra la versatilidad de PbMoO4 para actuar efectivamente ante diferentes familias de compuestos orgánicos; y por otro lado, la efectividad del fotocatalizador al reducir el t1/2 a valores más que competitivos para pensar en una potencial aplicación tecnológica. Independientemente del método de síntesis, la actividad fotocatalítica de PbMoO 4 para la degradación de los colorantes fue en la dirección IC > RhB > OG > MO. La dificultad para degradar OG y MO se puede asociar con la presencia de grupos funcionales azo (-N=N-) en sus respectivas estructuras moleculares y con la formación de compuestos intermediarios estables en el curso de la reacción. El grado de mineralización alcanzado para los cuatro colorantes estudiados, así como la estabilidad 25 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. del fotocatalizador ante sucesivos ciclos de uso y su insolubilidad en el medio de reacción son factores que justifican su potencial aplicación en procesos de purificación de agua. A la luz de los resultados obtenidos, como trabajo futuro se vislumbra buscar las condiciones experimentales para preparar PbMoO4 en forma de película delgada y evaluar su actividad ante un mayor espectro de especies orgánicas contaminantes (fármacos, insecticidas y plaguicidas) en aras de encaminar la posible aplicación comercial del semiconductor. REFERENCIAS 1. R. Jain, M. Mathur, S. Sikarwar, A. Mittal, Removal of the hazardous dye rhodamine B through photocatalytic and adsorption treatments, J. Environmental Management 85 (2007) 956. 2. Z. G. Zou, J. H. Ye, K. Sayama, H. 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PALABRAS CLAVE Cemento Portland, fibra de fique, resistencia a compresión, resistencia a flexión. ABSTRACT The use of natural fibers in concrete reinforcement is rare even more than fiber-reinforced concrete with sisal fiber. The aim of this work is find alternative materials that mitigate the environmental impact by using a byproduct of the fique industry called residue or tow; to analyze the effect produced by the addition of sisal fiber to compressive and bend strength of concrete; and give an application according to the results obtained from the tests. KEYWORDS Portland cement, sisal fiber, compressive strength, flexural strength. INTRODUCCIÓN Hoy en día se ha desarrollado aún más la posibilidad de obtener nuevas alternativas pensando en lo ambiental y en lo natural incentivando el desarrollo social y económico reduciendo costos en los procesos para así garantizar sostenibilidad a las generaciones futuras. Uno de los elementos que perdura en el tiempo y no permite cambios drásticos en sus cuatro componentes principales, agregado fino (arena), agregado grueso (piedras gradadas), agua y material aglutinante (cemento Portland) conformando el material estructural más extraordinario y utilizado en el mundo de la construcción, el concreto u hormigón, con una serie de propiedades mecánicas como lo es su alta resistencia a la compresión, dureza, manejabilidad a la aplicación, y no tan buen comportamiento Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 27 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis a la flexión, por poseer limitaciones como una alta fragilidad, baja capacidad de deformación o arqueamiento antes de las fisuras y rompimiento en las vigas. Una opción adoptable para superar estas restricciones es la implementación, introducción y preparación de fibras al concreto: fibras sintéticas, fibras de asbesto, fibras de vidrio y las fibras de acero en la construcción civil con el propósito de disminuir la fragilidad que singulariza a este material y exponiendo una resistencia secundaria seguida a las fisuras por medio de la unión de las fibras con la matriz del concreto. Cada vez toma más fuerza la idea de utilizar concretos reforzados con fibras ya sean metálicas, sintéticas o naturales, como la del caso de la fibra de fique usándose como insumo para la elaboración del concreto y morteros. En Colombia, por ser un país productor e impulsor del sector fiquero, se toma la decisión de hallarle mayor utilidad a este material en la industria de la construcción, puntualmente en la fabricación del concreto en diferentes estructuras y procesos constructivos; aprovechando la producción de la fibra sostenible y amigable con el medio ambiente por tratarse de cultivo e industrialización de bajo impacto ambiental, además de fomentar el crecimiento del campesinado colombiano, contribuyendo al desarrollo económico y social de los dos sectores involucrados. La utilización de fibras en la construcción no es nueva, pues nuestros antepasados usaban paja y pasto en el barro para mayor adherencia ya fuera en los muros o en mismo bloque de arcilla, en este caso se analiza y evalúa el comportamiento del concreto con la adición de la fibra de fique, para saber si aporta favorablemente a las propiedades de compresión y flexión del concreto, la adición de fibra de fique y en efecto encontrar un uso específico de acuerdo a los resultados obtenidos, teniendo en cuenta las características de los concretos: economía, resistencia, durabilidad y fácil aplicación. MATERIALES Y MÉTODOS Localización El trabajo de investigación se realizó en los laboratorios de la Universidad Piloto de Colombia – Seccional Alto Magdalena, a una temperatura aproximada de 33 ºC. 28 Materiales El fique es una planta nativa de la América tropical, especialmente de la región andina de Colombia y Venezuela, luego se fue expandiendo hacia las Antillas y hacia la costa oriental del Brasil. Esta planta pertenece al género Furcraea de donde comprenden cerca de 20 especies diferentes de donde se extrae de sus hojas fibra textil conocida popularmente como fique. Biológicamente es distinta del género Agave con la que suele confundirse frecuentemente.1 El Fique (Fourcroiaspp.), es una planta grande, de tallo erguido, su altura varía entre 2 y 7 m, densamente poblado de hojas de color verde, en forma radial, largas (1 a 3 m), angostas (10 y 20 cm), carnosas, puntiagudas, acanaladas, y dentado espinosas, en algunas variedades, presentando líneas o estrías tenues de unos 3 mm de largo (figura 1); Fig. 1. Planta de Fique. www.veoverde.com/2009/07/fibra-de-fique/ las plantas jóvenes consisten en un rosetón de hojas gruesas, carnosas de color verde azuloso, a medida que la planta crece, se desarrolla en la base un tronco corto que lleva de 75 a 100 hojas cuya longitud varía de 150 a 200 cm y su anchura de 15 a 20 cm en la parte más ancha cerca de la mitad, angostándose a 10 cm cerca de la base, la cual tiene un espesor de 6 a 8 cm. Su flor es de color blanco verdoso, llamada maguey o escapo, sólo florece una vez en su ciclo de vida y luego le sobreviene la muerte (magueciada). Las semillas germinan en la misma planta y sus propáguelos (bulbillos) caen ya formados al suelo por lo que se considera al fique una planta vivípara. 2 Pueden encontrarse plantas con más de 50 años de edad, pero su período típico de vida varía entre 10 y 20 años. Poseen gran cantidad de raíces que se Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis expanden y enraízan profundamente haciéndola una planta anti-erosiva. Su vida útil (producción de fibra, jugos, etc.) comienza entre los 3 y 6 años, dependiendo de las condiciones que enfrente.3 La fibra extraída apenas constituye un 4% máximo del peso total de la hoja. Esta fibra muestra propiedades mecánicas dadas en la tabla I,1 también constituye la estructura principal de las paredes celulares del tejido vegetal y está compuesta por celulosa, y algunas impurezas como ligninas y pigmentos (tabla II).1 Cada filamento está constituido por fibrillas elementales soldadas entre sí por una goma (lignina). Los extremos de las fibrillas se sobreponen para formar filamentos multicelulares a lo largo de la hoja y son éstos los que conforman la fibra de fique. Tabla I. Propiedades mecánicas de la fibra de fique. Propiedades Promedio Mínimo Máximo Resistencia a la tensión (MPa) 305.15 200.00 625.20 Módulo de elasticidad (Gpa) 7.52 5.50 25.50 Porcentaje de elongación a la fractura (%) 4.96 3.20 5.70 Tabla II. Composición química de la fibra de fique. Cenizas 2.60% Fibras 1.58% Pentosas 17.65% Lignina 12.00% Celulosa 62.70% La fibra de fique utilizada en la investigación fue adquirida en Rionegro (Antioquia), se cortó en fracciones de 6 cm (figura 2) tomando la recomendaciones del subgrupo de fibras de la Secretaria Técnica del Comité de Concreto del Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC). Con base en la experiencia internacional se categoriza el fique como macrofibra y se recomiendan longitudes variables entre 13 mm y 70 mm y proporciones comprendidas entre 9 y 18 kg/m3, se decide utilizar cuatro porcentajes de adición de fibra de fique, 0.5%, 1.0%, 1.5% y 2.0% del peso del agregado fino, encontrándose dentro de este rango. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 Fig. 2. Tamaño de la fibra de fique. El concreto se hizo a partir de mezclas especificadas para 14 MPa (2000 psi), 17.5 MPa (2500 psi), 21 MPa (3000 psi), 24.5 MPa (3500 psi) y 28 MPa (4000 psi). Los agregados utilizados en las distintas mezclas fueron adquiridos en la trituradora “Agregados Nacionales”, ubicada en el municipio del Guamo, Departamento del Tolima. Este material es extraído del río Saldaña y llevado a la planta, que es la encargada de efectuar su trituración. Teniendo los materiales listos para ser mezclados en una pasta homogénea, son vertidos a una mezcladora con capacidad para ½ bulto o 25 Kg de cemento (figura 3). Fig. 3. Mezcla del concreto y adición de fibra de fique. 29 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Una vez obtenida la mezcla y antes de ser vaciada en los cilindros se realiza la prueba del slump o asentamiento el cual se le hace a las mezclas que no contienen fibra de fique, el asentamiento resultante es de 7,5 cm. (figura 4). moldes de cilindros y vigas (figura 5), para realizar ensayos a compresión y a flexión, para así determinar la resistencia del concreto convencional y del concreto con adición de fibra de fique. Fig. 5. Concreto vaciado en moldes de cilindros y vigas La mezcla se vacía en moldes y se deja fraguar, los ensayos de resistencia a compresión se realizaron a 6 cilindros por cada diseño, 2 a los 7 días, 2 a los 21 días y 2 a los 28 días, por otra parte para los ensayos a flexión se realizaron 2 vigas por cada diseño a los 28 días. Los resultados obtenidos de los ensayos se promediaron para así determinar el resultado final. Culminadas las pruebas, se organizó la información obtenida para efectuar el análisis de los resultados y así concluir si en realidad la adición de fibra de fique mejora o no la resistencia y las propiedades mecánicas del concreto hidráulico. Etapa III. Después de los análisis de resultados y de la información se determinó un porcentaje óptimo con el cual se tomaron nuevas pruebas de resistencia a compresión y flexión a un solo diseño de mezcla para evaluar las propiedades mecánicas del concreto hidráulico con la nueva adición del porcentaje de fibra de fique. DISEÑO METODOLÓGICO Etapa I. Consiste en la recolección de información como antecedentes, teoría y proyectos relacionados con esta investigación. Luego se dispuso a buscar la obtención de los materiales para la elaboración de la mezcla, determinando el asentamiento, tamaño máximo y nominal del agregado, contenido de agua, cemento y los agregados de gruesos y finos, 4 para proseguir con la dosificación de fibra de fique a emplear y fabricar las muestras en forma de cilindros para la compresión y en forma de vigas para la flexión. Etapa II. En esta etapa se realizaron las pruebas de laboratorio donde se vació concreto convencional y concreto con adición de fibra de fique en diferentes porcentajes, reemplazando el agregado fino, en ANÁLISIS DE RESULTADOS Resistencia a la compresión En el laboratorio de estructuras de la Universidad Piloto de Colombia seccional Alto Magdalena se realizaron los ensayos a compresión y flexión de los modelos de concreto fabricados con y sin adición de fibra de fique. Las medidas de los cilindros es de 0.30 m de alto x 0.15 m de diámetro (figura 6). La resistencia que presentan las muestras de concreto con adición de fibra de fique para 14 MPa (2000 psi) tabla III, alcanzan su mayor valor en el fique al 1.0% en los períodos de 7, 21 y 28 días con respecto a los demás porcentajes de fique. El dato más alto se da en el período de los 28 días con 8.08 MPa (1154 psi) que corresponde a un 58%, con un 48% por debajo de diseño de mezcla y a un Fig. 4. Ensayo del slump o asentamiento. 30 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Fig. 6. Preparación de cilindros para ensayo a compresión. Tabla III. Resultados de los ensayos a compresión del concreto 14 MPa (2000 psi). Edad de curado 7 Días 21 Días 28 Días Resistencia Diseño %Alcanzado (PSI) MPa Concreto convencional 1061 7.42 53% Fique al 0.5% 366 2.56 18% Fique al 1.0% 856 6 43% Fique al 1.5% 143 1 7% Fique al 2.0% 121 0.847 6% Concreto convencional 1609 11.3 80% Fique al 0.5% 533 3.73 27% Fique al 1.0% 1030 7.21 51% Fique al 1.5% 189 1.32 9% Fique al 2.0% 250 1.75 12% Concreto convencional 2043 14.30 102% Fique al 0.5% 555 3.89 28% Fique al 1.0% 1154 8.08 58% Fique al 1.5% 205 1.44 10% Fique al 2.0% 260 1.82 13% 50% por debajo de la resistencia que presentó el concreto convencional a un total de 102%. Se destaca que los cilindros fallan en su mayoría en una forma diferente a la fractura presentada por los cilindros de concreto convencional, debido a que el fique se adhiere a la matriz haciendo que no sea explosiva su Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 deformación, al contrario de la falla de los cilindros de concreto convencional pues estos estallan y fallaron en un ángulo de 45° (figura 7). En segundo lugar, la muestra con adición de fique con mejor comportamiento a la compresión es el que tiene porcentaje del 0.5% alcanzando a los 28 días unos 3.89 MPa (555 psi) que corresponde a un 28% del diseño de mezcla. La adherencia de la fibra de fique ayuda a que la deformación de la muestra sea lenta y progresiva, con deformación en grietas verticales en los extremos del cilindro. Los especímenes con aditivo del 1.5% de fibra de fique con un alcance del 10% que corresponde a 1.75 MPa (250 psi) y 2.0% de fibra de fique con un alcance del 13% que corresponde a 1.82 MPa (260 psi) de fibra de fique presentaron las resistencias más bajas. Las deformaciones suceden en forma de esponja y no hay desprendimiento de matriz, pues la fibra impide que ocurra. En el caso del diseño de 17.5 MPa (2500 psi), tabla IV, el porcentaje de fibra de fique, que más se acerca al diseño es el de 0.5% dominando los tres períodos de 7, 21 y 28 días, con un 76% de resistencia que corresponde a 13.37 MPa (1910 psi) en el último período, con un 24% por debajo del diseño de mezcla y a un 51% por debajo de la resistencia de los especímenes de control alcanzando un valor de 22.16 MPa (3166 psi) equivalente al 127%. La falla de estos cilindros se presenta de forma similar a los especímenes de control en ángulo de 45°, sin presentar estallido repentino como lo es el caso de los especímenes de concreto convencional. 31 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Fig. 7. Rotura a compresión de concreto sin adición de fibra de fique (izquierda) y con adición de fibra de fique (derecha). Tabla IV. Resultados de los ensayo a compresión concreto 17.5 MPa (2500 psi). Tiempo de curado 7 Días 21 Días 28 Días Resistencia Diseño %Alcanzado (PSI) MPa Concreto convencional 2117 14.82 85% Fique al 0.5% 1369 9.6 55% Fique al 1.0% 800 5.6 32% Fique al 1.5% 758 5.31 30% Fique al 2.0% 92 0.64 4% Concreto convencional 2800 19.6 112% Fique al 0.5% 1692 11.84 68% Fique al 1.0% 964 6.75 39% Fique al 1.5% 761 5.33 30% Fique al 2.0% 106 0.74 4% Concreto convencional 3166 22.16 127% Fique al 0.5% 1910 13.37 76% Fique al 1.0% 1085 7.60 43% Fique al 1.5% 1531 10.42 61% Fique al 2.0% 89 0.62 4% Le sigue en resistencia el porcentaje del 1.5% con un 61% que equivale a 10.72 MPa (1531 psi) a los 28 días, pero estando por debajo en los períodos de 7 días y 21 días de la adición del 1.0%. La 32 deformación en el momento de la falla se presenta en forma de grietas en los extremos del cilindro, pues la fibra ayuda a que la matriz se deforme lenta y progresivamente. Le prosigue la resistencia de la adición de fibra de fique del 1.0% con un 43% que corresponde a 7.6 MPa (1085 psi.) El fallo ocurrió en forma diferente que la que se acostumbra observar con una adherencia considerable de la fibra de fique a la matriz del concreto. De último se encuentra la resistencia presentada por el porcentaje más alto de 2.0% que muestra un 4% en los tres períodos sin variación significativa en resistencia. En cuanto al fallo en la prensa hidráulica se da en forma de grietas tomando consistencia de esponja. En el caso de 21 MPa (tabla V) la resistencia que se acerca al diseño es la adición del 0.5% con un 67% que corresponde a 13.97 MPa (1995 psi), por debajo de un 33% del diseño de mezcla y por debajo de la resistencia presentada por los cilindros de control a un 55% que le correlaciona a unos 25.70 MPa (3671 psi). La falla en la prensa ocurre en ángulo de 45° muy similar a la falla en los cilindros de control, con una adherencia apenas perceptible por la fibra de fique a la matriz del concreto. Le sigue el porcentaje de adición de 1.0% con un 39% que equivale a 8.14 MPa (1163) psi de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Tabla V. Resultados de los ensayos a compresión concreto 21 MPa (3000 psi). Tiempo de curado 7 Días 21 Días 28 Días Resistencia Diseño %Alcanzado Tabla VI. Resultados de los ensayos a compresión concreto 24.5 MPa (3500 psi). Tiempo de curado Resistencia Diseño %Alcanzado (PSI) MPa Concreto convencional 2704 18.93 77% Fique al 0.5% 1083 7.6 31% Fique al 1.0% 193 1.35 6% 6% Fique al 1.5% 257 1.8 7% 4% Fique al 2.0% 250 1.75 7% 83% Concreto convencional 3446 24.12 98% Fique al 0.5% 1428 10 41% Fique al 1.0% 226 1.58 6% (PSI) MPa Concreto convencional 2490 17,43 Fique al 0.5% 1642 11,49 55% Fique al 1.0% 938 6,57 31% Fique al 1.5% 168 1,18 Fique al 2.0% 108 0,76 83% 7 Días Concreto convencional 2484 17,39 Fique al 0.5% 1995 13,97 66% Fique al 1.0% 1045 7,32 35% Fique al 1.5% 158 1,11 5% Fique al 1.5% 402 2.81 11% Fique al 2.0% 105 0,74 3% Fique al 2.0% 242 1.69 7% Concreto convencional 3671 25,70 122% Concreto convencional 3643 25.50 104% Fique al 0.5% 1995 13,97 67% Fique al 0.5% 1425 10 41% Fique al 1.0% 1163 8,14 39% Fique al 1.0% 210 1.47 6% Fique al 1.5% 187 1,31 6% Fique al 1.5% 454 3.18 13% Fique al 2.0% 117 0,82 4% Fique al 2.0% 282 2 8% resistencia a los 28 días, con un 61% debajo del diseño de mezcla y debajo de la resistencia de los especímenes de control a un 83%. Presentó la falla en forma diferente en sus extremos a la que por lo regular se observa en el concreto convencional, con una adherencia de la fibra de fique evidente, pues no deja que la matriz del concreto estalle como el concreto convencional. La adición de 1.5% y 2.0% genera resistencias muy bajas en los tres períodos. La cantidad de fibra de fique es suficiente para que falle en forma de esponja generando una resistencia irrisoria, la adherencia de la fibra la matriz del concreto, es alta ya que no deja que se desprenda del conjunto. La resistencia a compresión para el diseño de 24.5 MPa (3500 psi), tabla VI, que más se acerca es la de adición de fibra de fique de 0.5% con un 41% que corresponde a 10 MPa (1428 psi), situándose por debajo del diseño de mezcla a in 59% y debajo a un 63% de la resistencia presentada por los cilindros de control a un 104% que le corresponde a 25.5 MPa (3643 psi). La falla se da en forma de 45° en el Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 21 Días 28 Días tercio medio del espécimen con una adherencia de la fibra apenas apreciable para que la falla no estalle abruptamente. Para las adiciones restantes de un 1.0%, 1.5% y 2.0% las resistencias obtenidas en la prensa hidráulica son similares e irrisorias apenas superando el de 2.0% al de 1.5% en 5 puntos porcentuales y superando a de 1.0% en 7 puntos porcentuales. Las fallas se presentan de forma semejante con grietas en los extremos y adherencia de la fibra a la matriz del concreto haciendo que se torne esponjoso. En el diseño de mezcla para 28 MPa (4000 psi), tabla VII, es donde se alcanza mayor dato que le corresponde al porcentaje de 0.5% de adición de fique para un 77% con 21.46 MPa (3065 psi) de resistencia a los 28 días, poniéndose a un 23% del diseño de mezcla y a un 33% de la resistencia de las muestras de control que alcanzaron unos 110% con 30.93 MPa (4419 psi). Su comportamiento en la falla se da en forma de 45° con adherencia de fibra de fique en la matriz que permite que el concreto no estalle abruptamente. 33 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Tabla VII. Resultados de los ensayo a compresión concreto 28 MPa (4000 psi). Tiempo de curado 7 Días 21 Días 28 Días Resistencia Diseño %Alcanzado (PSI) MPa Concreto convencional 3060 21.42 76% Fique al 0.5% 2384 16.7 60% Fique al 1.0% 739 5.17 18% Fique al 1.5% 1061 7.43 27% Fique al 2.0% 228 1.60 6% Concreto convencional 4038 28.27 101% Fique al 0.5% 2900 20.3 72% Fique al 1.0% 115 0.81 29% Fique al 1.5% 502 3.51 13% Fique al 2.0% 465 3.26 12% Concreto convencional 4419 30.93 30,93 Fique al 0.5% 3065 21.46 77% Fique al 1.0% 1152 8.06 29% Fique al 1.5% 1219 8.53 30% Fique al 2.0% 542 3.79 14% Las muestras con aditivo al 1.0%, 1.5% y 2.0% no superan el 30% de resistencia comparados con el diseño de mezcla y teniendo cambios muy pequeños en los tres períodos evaluados, siendo el de 2.0% la resistencia más baja. Se presenta la falla en forma distinta como ha sucedido en casos anteriores para los porcentajes del 10% y 1.5% y de grietas en los extremos para el de 2.0% en forma de esponja, la adherencia es similar para las muestras mencionadas, pues la fibra no deja que la matriz del concreto se separe después de fallar. Después de observar el comportamiento de las pruebas y determinar que las muestras que más se acercan al diseño de 28 MPa (4000 psi) son los de menor porcentaje de adición de fique. Se tomó la decisión de hacer un nuevo ensayo, consistente en adicionar un 0.3% de fibra de fique a la pasta de concreto, arrojando pruebas muy satisfactorias, incluso superando el diseño de mezcla, pero por debajo de la resistencia de las muestras de control con excepción del período de los 7 días en donde 34 superó en 23.96 MPa (3423 psi) con un 10% más que la arrojada por el espécimen de control a ese período. Demostrando que en este caso, estos porcentajes de adición de fique, el concreto da una resistencia inicial excelente. A los 21 días alcanzó un 95% con 26.65 MPa (3807 psi) apenas con un 6% por debajo del concreto de control que presento 101% con 28.27 (4038 psi) y a los 28 días la resistencia llegó a 104% superando el diseño y apenas con un 6% por debajo de la resistencia mostrada por los cilindros de control. La falla es similar a los cilindros de control en forma de 45° y grietas verticales en el tercio medio, observándose adherencia de la fibra de fique con la matriz haciendo que el concreto no estalle de forma abrupta como es el caso de los cilindros con concreto convencional. RESISTENCIA A LA FLEXIÓN Se realizaron los ensayos de resistencia a la flexión de las muestras tomadas del concreto con y sin adición de fibra de fique. Las dimensiones de las vigas son 0.15 m x 0.15 m x 0.53 m (figura 8). Fig. 8. Rotura a flexión de concreto con adición de fibra de fique. Los datos arrojados por las pruebas en laboratorio para la flexión (tablas VIII a X), se destacan por mantenerse por debajo del 17% 2.36 MPa (11.6 Módulo de Rotura, M.R.) en los cinco diseños de mezcla, mientras que las muestras de concreto convencional superan el diseño de mezcla con un buen margen. Las vigas que alcanzaron la más alta resistencia son la de diseño de 14 MPa con un 17% 2.36 MPa (11.6 M.R), seguida por la viga de diseño de 28 MPa con un 16% (4.5 MPa) (16 M.R), siguiendo el diseño de17.5 MPa con 16% (2.9 MPa) (12.8 M.R) le sigue el diseño de 21 MPa Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Tabla VIII. Concreto convencional y concreto con adición de fibra de fique 28 MPa (4000 PSI). Tiempo de curado 7 Días 21 Días 28 Días Resistencia Diseño %Alcanzado (PSI) MPa Concreto convencional 3060 21.42 76% Fique al 0.3% 3423 23.96 86% Concreto convencional 4038 28.27 101% Fique al 0.3% 3807 26.65 95% 28 Días 4419 30.93 110% Fique al 0.3% 4152 29.06 104% Tabla IX. Concreto convencional y concreto con adición de fibra de fique (14 MPa (2000 psi), 17.5 MPa (2500 psi), 21 MPa (3000 psi), 24.5 MPa (3500 psi) y 28 MPa (4000 psi). Tiempo de curado Resistencia Diseño % F‘c MPa Alcanzado (psi) Concreto 14 MPa 29.1 2113 14,8 106% psi fique al 1.5% 11.6 2,36 17% 32.4 2625 18,4 105% fique al 1.5% 12.8 2,9 16% Concreto 21 MPa 38 3611 25,3 120% fique al 1.5% 9.3 215 Concreto 17.5 MPa 28 Días M.R. Concreto 24.5 MPa 337 410 1,51 41.5 4300 30.1 fique al 1.5% 8.3 Concreto 28 MPa 44.1 4871 34.1 fique al 1.5% 16 174 7% 123% 1,22 640 4,5 5% 122% 16% Tabla X. Concreto convencional y concreto con adición de fibra de fique 48 MPa (4000 psi). Tiempo de curado 28 Días Resistencia Diseño M.R. %Alcanzado F‘c MPa (psi) Concreto 28 44.1 4871 34.1 MPa 122% fique al 0.3% 110% 42 4412 31 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 con un 7% (1.51 MPa) (9.3 M.R) y en último lugar, la resistencia presentada por el diseño de 24.5 MPa con un 5% (1.22 MPa) (8.3 M.R). Las muestras en su totalidad fallaron en el tercio medio como las vigas de concreto convencional, la adherencia de la fibra de fique a la matriz de concreto es mínima ya que al fallar se desprende con facilidad quedando expuesta en forma de pelos en toda la sección transversal exhibida por la ruptura. De la misma manera que en las muestras para los ensayos a compresión, las vigas para la flexión de diseño de mezcla a 28 MPa, son los que poseen mejor comportamiento mecánico, en este caso alcanza un 17% (2.36 MPa) (11.6 M.R). Se tomó la decisión de hacer un nuevo ensayo con el mismo diseño a 28 MPa con modificación en la adición de fibra de fique en un porcentaje total de un 0.3% al igual que el ensayo a compresión, en donde presenta un excelente comportamiento, pues las vigas superan a los 28 días en un amplio margen al diseño, llegando a un 110% (31 MPa) (42 M.R), pero estando aún por debajo de la resistencia presentada por los especímenes control que alcanzó 122% para (34.1 MPa) (44.1 MR). La falla ocurre al igual que en las vigas de control en el tercio medio, la adherencia de la fibra de fique a la matriz del concreto es buena pero la fibra no es suficientemente fuerte para mitigar la fractura principal, sin embargo es suficiente para controlar que en la fractura no ocurra desprendimiento de la matriz del concreto. CONCLUSIONES Resistencia a compresión Se determinó mediante las pruebas realizadas en la investigación que un porcentaje óptimo para la adición de fibra de fique al concreto es de un valor cercano a 3.3 Kg/m3 de concreto o 0.3% de peso con respecto al agregado fino. Los contenidos de fibra de fique adicionados al concreto no causan ni producen mayor resistencia a la compresión en ninguna de las probetas, al contrario la resistencia presentada estuvo por debajo de la de los cilindros de concreto convencional, a excepción de los datos arrojados para el diseño de 28 MPa que con una adición de 0.3% de fibra de fique se obtuvo una resistencia de 29.06 MPa. 35 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Se evidenció que en el ensayo de falla en los cilindros con porcentajes de fibra de 1.5% y 2.0% no hubo rotura sino esponjamiento, mientras que en los de 0.3%, 0.5% y 1.0% si se produjo la rotura. Al incrementar porcentajes de fibra por encima de 0.5% se presentaron disminuciones considerables en la resistencia a la compresión y en su densidad haciéndolo más liviano y más susceptible a la falla. Ejemplo: para el diseño de 28 MPa con adición de 2.0%, la resistencia fue de 3.79 MPa con una densidad de 1755.66 Kg/m3 y para el porcentaje de 1.5% la resistencia fue de 8.53 MPa y su densidad fue de 1967.64 Kg/m3. Concluyéndose que entre más cantidad de fibra de fique se adicione a la mezcla menor será su resistencia. En algunas ocasiones el concreto con fibra de fique después de la falla, el cilindro continúa soportando la presión, deformándose lentamente hasta su aplastamiento sin desprendimiento de la matriz, dándole como una característica de flexibilidad pero controlando su fisuración. Este fenómeno se hace más evidente en las probetas con 2.0% y 1.5%, donde no se superó el 15% y el 61% respectivamente de la resistencia de diseño. La adición de fibra de fique al concreto por encima de 1.0% que equivale a unos 11 Kg/m3 de concreto, no tiene buena manejabilidad, haciendo que su aplicación en los moldes y en la obra sea tediosa. Lo anterior ocasionado por la gran cantidad de aire generado en la mezcla, lo que reduce la densidad del concreto. Resistencia a flexión Los contenidos de fibra de fique adicionados al concreto no causaron aumento en la resistencia a la flexión. La adición de 1.5%, redujo considerablemente el Módulo de Rotura. Para el caso de 14 MPa con un módulo de rotura de 29.1 Kg/cm2 el módulo de rotura con 1.5% de adición de fibra fue de 11.6 Kg/cm2. Sin embargo, con la adición de fibra de fique de 0.3%, la resistencia a la flexión alcanzo un valor para 28 MPa de diseño de 31 MPa correspondiente a 42 kg/cm2. Las fibras de fique le dan al concreto capacidad de cohesión, observándose que aun fracturada la viga, la fibra de fique sigue adherida a la matriz del concreto hasta que se separan los dos fragmentos de la viga por la acción de la presión. 36 Los concretos diseñados por esfuerzos a la flexión como sucede en la pavimentación de calles y vías, por recomendación de la PCA se encuentran entre 40 y 45 Kg/cm2 según la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO, Asociación Americana de Carreteras Estatales y Transportes Oficiales). El resultado de 42 Kg/cm2 obtenido con una cantidad de cemento de 421 Kg/m3 de concreto con una relación agua cemento de 0.48 deja ver que la adición de 0.3% de fibra de fique, para este caso permite trabajar concretos con módulos de rotura confiables. RECOMENDACIONES Se recomienda trabajar con cantidades iguales o inferiores a 3 Kg de fibra de fique por metro cúbico de concreto. También se aconseja que se trabaje con longitudes de fibra de fique entre 2 a 5 centímetros por su manejabilidad, para no correr el riesgo de que se adhieran las fibras entre sí. Para que la fibra de fique en el concreto funcione adecuadamente debe quedar distribuida homogéneamente. El uso de las fibras en el concreto con un porcentaje menor o igual a 0.3% de peso con respecto al agregado fino o 3.3 Kg/m3 de concreto, pueden sustituir parcialmente o reducir los aceros y mallas metálicas que cumplan la función de evitar fisuras. Se puede aplicar el concreto fibroreforzado en la construcción de losas, dinteles y vigas de mediana longitud no superiores a 3 metros, para controlar su fisuramiento pero sin llegar a prescindir de su refuerzo principal. La fibra de fique afectó la resistencia a la compresión y flexión en adiciones superiores a 0.5% con respecto al agregado fino, pero inferior a esta cantidad muestra un comportamiento aceptable en su resistencia a compresión y flexión, lo cual enseña que la utilización de la fibra natural en las construcciones es viable. REFERENCIAS 1. Pérez, Jorge. El fique, su taxonomía, cultivo y tecnología. Compañía de Empaques, Medellín, Colombia, 1974. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis 2. Mahecha Vega, Gilberto Emilio. Vegetación del territorio CAR: 450 especies de sus llanuras y montañas, Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca, 2004. 3. Guía ambiental para el sub sector fiquero, Ministerio del medio ambiente, Bogotá, Colombia, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 p. 21, 2002. 4. Sánchez de Guzmán, Diego. Colección básica del concreto 4, Concretos y morteros manejo y colocación en obra, Bogota: Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2001. 37 �Comportamiento físicoquímico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias de coque de petróleo Rodrigo Puente OrnelasA,B, Carlos Javier Lizcano ZulaicaB, Tushar Kanty Das RoyB, Guadalupe Alan Castillo RodríguezB, Bertha Alicia Vázquez MéndezC Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA), FIME-UANL B Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CIDET), FIME-UANL C Centro de Investigación, Innovación y Desarrollo en las Ciencias y Adminisitrativas (CIIDECSA), FACPYA-UANL ropuor@gmail.com A RESUMEN En el presente trabajo se diseñaron y fabricaron hormigones refractarios de Al2O3-MgAl2O4 utilizando como aditivo una fibra de alcohol polivínilo, variando la granulometría y temperatura de sinterización. Se evaluaron algunas propiedades físicas como la resistencia a la compresión, módulo de ruptura en caliente, porosidad, así como la resistencia a la penetración por el coque de petróleo a 1650 y 1820ºC. Los resultados mostraron que la variación en la temperatura de sinterización y en la distribución granulométrica de los hormigones refractarios, promovió cambios significativos en las propiedades mecánicas obtenidas y en los niveles de penetración y corrosión de los refractarios en la interfaz con las cenizas generadas por el coque de petróleo. PALABRAS CLAVE Horno gasificador, coque de petróleo, corrosión, refractarios, propiedades físicas. ABSTRACT Refractory concretes based on Al2O3-MgAl2O4 with fiber of polyvinyl alcohol additive, particle size variation and sintering temperature were designed, manufactured and evaluated. Cold crushing strength, hot modulus of rupture, porosity and slag penetration resistance in contact with petroleum coke at 1650 and 1820 °C were obtained. The results showed that the variation effect on sintering temperature and particle size distribution in refractory concretes promote significant changes in final mechanical properties, slag penetration levels and corrosion in the refractory in contact with the ash generated by the petroleum coke. KEYWORDS Gasifiers furnance, petroleum coke, corrosion, refractories, physical properties. 38 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. INTRODUCCIÓN Las industrias siderúrgicas dependientes del gas natural se han visto afectadas por el constante incremento en el precio de adquisición de este combustible en los últimos años, lo cual ha repercutido significativamente en la rentabilidad de dichas industrias. Por lo tanto, se ha optado por buscar otras fuentes de gases combustibles entre las que destacan la utilización de la biomasa, el carbón y los residuos de coque de petróleo, mediante su proceso de gasificación. El proceso de gasificación llamado “syngas” para la conversión de materiales sólidos o líquidos en gases combustibles como H 2 y CO, es una tecnología que en los últimos años ha cobrado gran fuerza debido a su alta eficiencia, a la diversidad de combustibles que pueden emplearse y a la reducción de emisiones contaminantes al medio ambiente. En el proceso “syngas” intervienen un combustible y un agente gasificante (aire, oxígeno o vapor de agua) que reaccionan a temperaturas entre los 700 y 1600 °C. La energía contenida inicialmente en el combustible se transfiere a los productos primarios del proceso obteniendo la máxima conversión a gases combustibles (H 2, CO, H2S, amoniaco, metano) y algunos productos no deseados como alquitranes, hollín y cenizas.1-7 Para lograr un proceso de gasificación eficiente es indispensable utilizar materiales refractarios de alto desempeño en el revestimiento de los gasificadores puesto que presentan excelentes propiedades tales como altos puntos de fusión, resistencia al choque térmico y alta resistencia en contacto con medios agresivos. Es común que las fallas en los materiales refractarios sean causadas por fenómenos de corrosión/disolución o penetración de la escoria y posterior desprendimiento, éstas no sólo causarían el paro de los gasificadores, sino también de todos los procesos dependientes de éstos.8-14 Cuando se quema carbón/coque de petróleo se produce la precipitación de cenizas (impurezas contenidas en el material de alimentación) que contienen óxidos de Si, Fe, Al y Ca y niveles elevados de óxidos de K, Na, Mg, Ni y V, que varían con el tipo de material sólido utilizado. Estas cenizas impactan de manera drástica en la vida en servicio del material refractario ya que pueden penetrar a través de los poros y bordes de grano de la cara caliente del refractario propiciando Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 una disolución en sus fases y la posterior formación de fases de bajo punto de fusión y ulteriormente un debilitamiento en su microestructura.15 Los materiales refractarios elaborados con mullita, alúmina y aluminato de magnesio (espinela) se han sometido a ensayos de corrosión en gasificadores en los que se han observado interacciones químicas con el H2, H2S, CO y álcalis a temperaturas de 1000ºC por un lapso de 100 horas. Después de los experimentos, estos materiales presentaron degradaciones como corrosión, erosión y choque térmico, así como la presencia de fases de bajo punto de fusión con Na.16 Los refractarios monolíticos de alúmina y de magnesia sometidos a corrosión por escorias (composición nominal: 60-75% Na2CO3, 20-38% Na2SO4, 1-4% Na2S, y 1-4% Na2S2O3), en un rango de temperaturas entre 900-1000 °C, presentaron baja resistencia a la corrosión por estas escorias, en cambio los refractarios de alúmina-magnesia (espinela) mostraron una buena resistencia después de un lapso de 20 horas.17 Existen estudios post-mortem de corrosión18 en materiales de hormigones refractarios de alta alúmina con espinela de alúmina y magnesio tratados en la línea de escorias de cucharas de acería, que incluso determinaron el mecanismo de corrosión imperante durante este proceso utilizando un diagrama de equilibro de fases cuaternario. También se ha analizado el comportamiento a la corrosión de refractarios de alta alúmina adicionando espinela (MgAl2O4)19 frente a escorias de acería con altos índices de basicidad (CaO/Al2O3= 4.14 y 9.02), formulando los materiales en el sistema CaOAl2O3-MgO y utilizando como materia prima de Al2O3 diferentes materiales de partida como alúmina tabular, corindón electrofundido, alúmina calcinada, espinela sintética (MgAl2O4), magnesia calcinada a muerte, dolomita (Mg,Ca(CO3)2 y de cementos de aluminatos cálcicos. Los experimentos en todos los casos se llevaron a cabo utilizando el método del crisol a nivel de laboratorio, los resultados mostraron aumento en la corrosión al aumentar el contenido de MgO, mientras que la corrosión por penetración bajó al adicionar espinela. Por otro lado existen trabajos basados en refractarios de alúmina sinterizada y hexaluminato de calcio,20 estudiados frente a una escoria ferrítica 39 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. de bajo índice de basicidad (CaO/SiO2 = 2.17) y utilizando el método de reacción estática a nivel laboratorio, cuyos resultados mostraron un buen comportamiento de resistencia a la corrosión hasta temperaturas de 1650ºC con exposición de ataque por 3 horas. Se ha reportado21-23 que escorias de cenizas de coque de petróleo han resultado altamente agresivas al contacto con refractarios de espinela y alúmina, tratados a temperaturas menores de 1820 °C. La distribución del tamaño de partícula en los materiales refractarios es un tema de gran interés, desde el uso de tamaños de partícula óptimos hasta los refractarios con empaquetamiento de densidad máxima donde se utilizan aditivos orgánicos e inorgánicos, lo que permitiría optimizar su temperatura de sinterización y a su vez un mejoramiento en sus propiedades finales como resistencia mecánica, densificación y altas resistencias al ataque térmico. En la presente investigación se estudia el comportamiento que exhiben los hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 de bajo contenido en cemento (% de CaO ~ 0.22), ante su variabilidad en la temperatura de sinterizado, tamaño de grano y exposición frente a las cenizas de coque de petróleo. EXPERIMENTACIÓN El procedimiento experimental se realizó en 2 etapas. La primera consistió en evaluar el efecto de la temperatura de sinterizado sobre las propiedades físicas y mecánicas de hormigones refractarios y la segunda en evaluar el efecto de la granulometría en formulaciones de hormigones refractarios sobre los fenómenos de corrosión frente a las cenizas generadas por coque de petróleo. Etapa 1 Durante la etapa 1 se diseñaron y fabricaron piezas de hormigón refractario rectangulares de 13.97x13.97x7.62cm utilizando 2 tipos de materiales. El material 1 estaba constituido por granos de alúmina electrofundida, magnesia y aluminato de magnesio que en conjunto formaban una dispersión granulométrica en un rango de 4.76 mm a 37 μm, con un aditivo orgánico de fibra 40 de alcohol polivinílico (p.f. = 300ºC). Por otro lado, el material 2 estaba formado solamente por granos de alúmina electrofundida de 50 mm. Cada material fue caracterizado mediante difracción de rayos X (DRX) método de polvos. Las piezas de hormigones refractarios se formularon mezclando los materiales 1 y 2 con agua empleando una relación agua/(material 1 y material 2) de 0.12 que equivale a 1/(7.05 y 1.28 respectivamente). Posteriormente la mezcla del hormigón refractario ya preparada fue depositada en moldes rectangulares, utilizando vaselina en la superficie interna de los moldes para evitar adherencias después del fraguado el cual se llevó a cabo a temperatura ambiente (26ºC) por un lapso de 24 horas. Después de ese tiempo, los hormigones refractarios fueron sacados del molde y secados a una temperatura de 110ºC durante 8 horas para posteriormente ser sometidos al proceso de sinterización en el horno túnel con atmósfera de aire y gas natural como combustible y empleando dos temperaturas, 1600 y 1720ºC (temperaturas para obtener los hormigones refractarios), con tratamiento previo de 300ºC/30 min. para reaccionar el aditivo polivinílico y promover la densificación final del hormigón refractario. Determinación de las propiedades físicas y mecánicas de los hormigones refractarios Una vez concluido el proceso de sinterizado, los hormigones refractarios fueron cortados para obtener probetas de acuerdo a especificaciones de las normas y equipos donde se midieron las propiedades físicas como porosidad aparente (PA), resistencia a la compresión en frío (CCS) y módulo de ruptura en caliente (HMOR). La determinación de la porosidad se realizó siguiendo el procedimiento estipulado por la norma ASTM C-830-00 basada en el principio de Arquímedes.24 La determinación de la resistencia a la compresión en frío se realizó con base en las especificaciones de la norma Alemana DIN EN993,25 utilizando dos tipos de probetas, cilíndricas y cúbicas, las cilíndricas de 5 cm de diámetro y 5 cm de altura y las cúbicas de 5x5x5cm; los ensayos se llevaron a cabo en una máquina universal. La determinación del módulo de ruptura en caliente se realizó de acuerdo a la norma ASTM C 583-80 26 empleando probetas rectangulares de 15.2x2.5x2.5 cm, las cuales fueron Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. sometidas a una temperatura de 1400 °C, en horno eléctrico con atmósfera controlada de gas argón. Etapa 2 Para la etapa 2 se diseñaron 2 diferentes formulaciones de hormigones refractarios cúbicos de 5x5x5cm. Para su elaboración, fueron utilizados los mismos materiales empleados en la etapa 1 (material 1 y material 2). Para fabricar la primera formulación, los materiales 1 y 2 fueron sometidos a un proceso de trituración y molienda hasta alcanzar partículas inferiores a las 149 μm en ambos materiales. Para elaborar la segunda formulación, se mezclaron el material 1 que conservó la granulometría original (entre 4.76 mm y 37 μm), mientras que el material 2 fue sometido a un proceso de triturado hasta obtener un tamaño de grano de 6 mm (ya que este era de 50 mm), por lo tanto, la granulometría utilizada en la segunda formulación osciló entre 6 mm y 37μm. Las formulaciones de hormigones refractarios fueron elaboradas en moldes cúbicos utilizando en la parte interior del molde vaselina para ayudar a desmoldear. En la primera formulación, los materiales 1 y 2 con agua fueron mezclados empleando una relación agua/(material 1 y material 2) de 0.24 que equivale a 1/(3.53 y 0.642 respectivamente), mezclando por 2 min para conseguir una buena homogeneización. En la segunda formulación, los materiales 1 y 2 con agua fueron mezclados empleando una relación agua/(material 1 y material 2) de 0.12 que equivale a 1/(7.05 y 1.28 respectivamente), mezclando por 3 min para conseguir una buena homogeneización. Posteriormente, las mezclas fueron vaciadas en los moldes siguiendo el mismo procedimiento empleado en la elaboración de los hormigones refractarios durante la etapa 1, requiriendo un proceso de vibrado de 2 min (primera formulación) y 4 min (segunda formulación). El fraguado se llevó a cabo bajo techo a una temperatura ambiente de 27ºC por un tiempo de 48 horas y el proceso de sinterizado se realizó al 1720 °C en horno túnel con atmósfera de aire y gas natural como combustible. Ya sinterizadas las diferentes formulaciones de hormigones refractarios, se caracterizaron mediante fluorescencia de rayos X (FRX) y DRX método de polvos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 Evaluación de los fenómenos de corrosión en los hormigones refractarios frente a las cenizas generadas por coque de petróleo Los experimentos para las pruebas de corrosión de los hormigones refractarios frente a las cenizas de coque de petróleo se efectuaron siguiendo dos métodos. El primero empleó el método de reacción estático llevado a cabo a nivel laboratorio y el segundo, el método de perforación directa al hormigón refractario (conocido como método de copa) llevado a cabo a nivel planta piloto. Para las pruebas llevadas a cabo a nivel laboratorio, fueron elaboradas probetas de coque de petróleo en forma de tabletas o pastillas en una prensa hidráulica isostática, utilizando 1 gramo de coque de petróleo y aplicando una carga de 3 toneladas por espacio de 2 min. Una vez manufacturadas las probetas, se procedió a colocarlas en el centro de la parte superior de cada formulación de hormigón refractario a evaluar. Seguidamente, el par difusor coque de petróleohormigón refractario (sinterizado a 1720 °C) fue sometido a una subida de temperatura para evaluar la corrosión a través de interacciones químicas dentro de un horno eléctrico a 1650ºC por un tiempo de 4 horas. En el segundo método realizado a nivel planta piloto, se aplicó a los hormigones refractarios la prueba de copa bajo el procedimiento descrito por la norma alemana DIN 1069,27 que consistió en perforar los hormigones refractarios con una broca (diámetro = 38mm), para depositar en dicha perforación 5 g de coque de petróleo como material de ataque. Los hormigones refractarios se colocaron en el interior de un horno gasificador, calentado con gas natural hasta alcanzar una temperatura de 1820ºC, con el fin de estudiar las interacciones químicas del ataque de corrosión entre el coque de petróleo y los hormigones refractarios, los cuales habían sido sinterizados a 1720 °C. Después de realizadas las pruebas, los hormigones refractarios fueron cortados de forma transversal para inspeccionar visualmente si presentaban ataque químico o corrosión, enfocando la atención sobre el área que presentaba mayor penetración. Esta área se caracterizó por DRX método de polvos para encontrar las fases formadas. Finalmente, se determinó su composición y perfil de penetración mediante microscopía electrónica de barrido con dispersión de energías (MEB-EDX). 41 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Etapa 1: propiedades físicas y mecánicas a) Materiales utilizados en la elaboración de los hormigones refractarios Los resultados obtenidos de la caracterización realizada al material 1 y material 2 vía DRX método de polvos se muestran en los difractogramas de la figura 1, en los cuales se pueden observar los espectros correspondientes a las fases identificadas de acuerdo a las reflexiones hkl principales. Al material 1 corresponden las fases de: espinela de magnesia alúmina, corindón, periclasa e hidróxido de aluminio; mientras que al material 2 le corresponden el corindón y también hidróxido de aluminio. Fig. 1. Difractogramas obtenidos en los análisis por DRX de los materiales de partida y de los hormigones refractarios después de los ataques de corrosión frente a las cenizas de coque de petróleo. b) Pruebas físicas y mecánicas en hormigones refractarios Los resultados obtenidos de las pruebas físicas y mecánicas realizadas a los hormigones refractarios, son presentados en la tabla I. Tras efectuar un análisis en estos resultados, podemos decir que existe un error despreciable en todas las pruebas ya que los valores de desviación estándar obtenidos son muy mínimos. De los resultados de porosidad aparente (%PA) se deduce que esta disminuye al aumentar la temperatura de sinterización. La resistencia a la compresión en frío (CCS) fue mejor en las probetas sinterizadas a menor temperatura porque la cantidad de espinela de magnesia y alúmina formada es menor.28 42 Tabla I. Resultados de las pruebas físicas y mecánicas realizadas a hormigones refractarios. La espinela de magnesia y alúmina tiene un coeficiente de expansión térmica (α251500ºC=6,6•10-6 ºC-1) muy diferente al corindón (α25-1500ºC=13•10-6 ºC-1) por lo que durante el enfriamiento, estas diferencias en los coeficientes de dilatación, han podido dar lugar a la formación de grietas que disminuirían significativamente las propiedades mecánicas en las muestras con más cantidad de espinela. Así las probetas a 1720ºC que tiene mayor contenido de espinela, tienen una menor resistencia mecánica en frío (CCS). Por el contrario durante la realización de los ensayos a alta temperatura (1400 °C), el módulo de ruptura en caliente (HMOR), ha podido continuar la sinterización de los hormigones refractarios, por lo que las probetas sinterizadas a 1600 °C mostraron menor HMOR en comparación con el mostrado por las probetas sinterizadas a 1720 °C ya que en estas últimas, la temperatura a la que habían sido sinterizadas fue ideal para que se formaran pequeñas cantidades de fase líquida, misma que influenció de manera negativa en los ensayos de CCS, pero de manera positiva en los ensayos de HMOR. Tomando como referencia resultados de proveedores que producen este tipo de ladrillos refractarios e investigaciones realizadas sobre el comportamiento de estos, se puede decir que los resultados obtenidos son favorables ya que están dentro de los rangos de literatura.29 Etapa 2: post-mortem de los hormigones refractarios utilizados en los ensayos de corrosión a) Caracterización de hormigones refractarios utilizados en los ensayos de corrosión La caracterización vía DRX realizada en los materiales 1 y 2 que se emplearon en las formulaciones de los hormigones refractarios en la etapa 2 ya fueron discutidos, puesto que estos son los mismos resultados de la etapa 1. Por otro lado, los resultados obtenidos para los hormigones Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. refractarios correspondientes a las dos formulaciones diseñadas en la etapa 2, son mostrados en la figura 1; de acuerdo con los resultados es posible apreciar que ambos hormigones refractarios (formulación 1 y 2) muestran de forma mayoritaria la fase alúmina y minoritaria la fase espinela de magnesia alúmina. De acuerdo al análisis químico realizado por FRX (tabla II) se aprecia que ambos hormigones refractarios (formulación 1 “F1” y formulación 2 “F2”) presentan un 70% de fase alúmina y un 30% de fase aluminato de magnesio ó espinela. b) Escoria de coque de petróleo utilizada en los ensayos de corrosión Los resultados de la caracterización realizada al coque de petróleo y las cenizas generadas por éste, empleando la técnica de DRX, son también mostrados en la figura 1. En el difractograma correspondiente al coque de petróleo, se puede apreciar que presenta el halo amorfo característico del carbón, lo que muestra una alta concentración de carbón contenido en el coque de petróleo empleado en esta investigación; respecto a las cenizas de coque de petróleo (generadas cuando es quemado a temperaturas superiores a los 800ºC), el difractograma revela la presencia de la fase anhidrita y cuarzo. De acuerdo al análisis Tabla II. Análisis químico obtenido por FRX (*), de los materiales empleados para los ataques de corrosión. * Análisis químico proporcionado por el proveedor. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 químico realizado por FRX (tabla II) se aprecia que el coque de petróleo (CP) utilizado para las pruebas de interacción química indica que está constituido por un 90% de carbón y 10% de materiales volátiles (análisis químico proporcionado por el proveedor). Por otro lado, las cenizas generadas a través de la combustión del coque de petróleo (CCP), las cuales interactuaron químicamente con los hormigones refractarios sinterizados previamente antes de ser atacados, exhibieron compuestos como sulfatos, óxidos de calcio, de silicio, de hierro, de níquel así como pentóxido de vanadio, que fueron determinantes en efectos negativos al estar en contacto con los hormigones refractarios. c) Ensayos de corrosión en hormigones refractarios El estudio post-mortem de las pruebas de corrosión como una interacción química realizado a 1650 °C mostró la formación (en ambos hormigones refractarios) de espinela desvitrificada rica en Mg, con alto contenido en Fe2+ y Ni2+, cuya fase espinela es identificada mediante flechas y mostrada en las imágenes de la figura 2; también apareció hibonita en su hábito de cristalización en forma de agujas, validada también por DRX método de polvo y mostrada también en la figura 2, identificada con estrellas; además se observó la formación de gehlenita identificada mediante alveolos, la cual desvitrificó en el centro de agujas de la hibonita (figura 2). La formación de estas fases puede ser atribuida a la reacción de los granos de alúmina con los óxidos de calcio y la sílice presentes en la escoria, lo que favoreció la formación de las fases hibonita (CaO + 6Al2O3 = CaAl12O19 = CA6) y gehlenita (2CaO + Al2O3 + SiO2 = C2AS), fases que fueron identificadas por sus morfologías y composición química características. En la figura 2 pueden observarse en las zonas delimitadas como rectángulos, fenómeno que se ha presentado en otros estudios.18-20 Los iones de Ni2+ y Fe2+ también presentes en la escoria fueron adsorbidos en solución sólida por la fase espinela (MgAl2O4), sustituyendo en la estructura química los iones - 2+ por (Mg2+, Fe2+, Ni2+) y los iones 3+ por (Al3+, Fe3+), los cuales son identificados en la figura 2 por un triángulo. 43 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. identificadas con un triángulo. Una vez analizados los hormigones refractarios a magnificaciones más altas para observar a detalle la disolución de los granos, se encontró agrietamiento que indica reacción entre la interfase de los hormigones refractarios y las cenizas del coque de petróleo, esta área se señala con rectángulos en la figura 3. También se detectó la presencia de una fase que de acuerdo a su composición química se propone como vanadato de aluminio (AlVO4) y es identificada en las imágenes de la figura 3 mediante alveolos. Cabe señalar que en el análisis microestructural no fueron detectadas las fases hibonita y gehlenita como en el caso de las pruebas efectuadas a 1650 °C. Los resultados de ambos experimentos indican que la disolución de los hormigones refractarios es causada por la penetración de elementos fundidos a través de la porosidad y las fronteras de grano, las Fig. 2. Fenómeno de penetración y corrosión presentado en límites de granos en: formulación 1 de hormigón refractario (A) y formulación 2 de hormigón refractario (B), después del ataque a 1650ºC en un horno eléctrico. Respecto a los resultados de los hormigones refractarios sometidos a los ensayos realizadas a 1820 °C y después de ser analizados de forma microestructural por MEB-EDX, se observó una disolución de granos, tal como puede apreciase en las imágenes de la figura 3, dicha disolución es identificada mediante flechas. También fue detectada la presencia de espinelas ricas en Ni 2+ y Fe 2+, 44 Fig. 3. Fenómeno de corrosión presentado en la formulación 2 de hormigón refractario después del ataque de corrosión a 1820ºC en un horno gasificador. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. cuales reaccionan preferentemente con los granos de alúmina para formar la fase CaAl12O19 (hibonita30), cuya morfología característica de agujas alargadas y alto punto de fusión ayuda a disminuir y detener la penetración de la fase líquida y por tanto el progreso de la corrosión. El exceso de los óxidos de calcio y aluminio combinado con iones de silicio propician la formación de la fase gehlenita (2CaO.Al2O3.SiO2)31-33 ya que en ambas temperaturas (1650 y 1820ºC) la espinela coexiste y se mantiene en solución sólida con capacidad para incorporar en su estructura iones como hierro y níquel, de manera que produce cambios en la composición de la escoria generándose una reducción en la penetración y la subsecuente disolución o ataque de los materiales refractarios. CONCLUSIONES La temperatura de sinterizado influyó significativamente en las propiedades físicas y mecánicas de los hormigones refractarios, obteniéndose de manera general mejores resultados en los hormigones que fueron sinterizados a 1720ºC. La variación en la distribución granulométrica de las formulaciones diseñadas en la etapa 2 influyó drásticamente en los niveles de penetración y corrosión en los hormigones refractarios, ya que los elaborados con tamaños de partículas inferiores a 149 μm (formulación 1) mostraron mayor corrosión en comparación con los elaborados en el rango de partícula de 6 mm a 37μm (formulación 2) cuando fueron puestos frente a la ceniza generada por el coque de petróleo en las pruebas efectuadas a 1650 y 1820ºC. La penetración de la escoria fundida de la ceniza de coque de petróleo a través de fronteras de grano y porosidad de los hormigones refractarios fue reducida debido a la presencia de espinela de alúmina magnesia y a su capacidad de incorporar en su estructura iones de Fe2+ y Ni2+. La formación de la fase hibonita ayudó a disminuir la penetración de la escoria en el hormigón refractario debido a su estabilidad térmica. De manera general, los estudios realizados a los hormigones refractarios respecto a las pruebas físicas, mecánicas y de corrosión mostraron que estos son buenos materiales refractarios pero no Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 para emplearse en hornos gasificadores de coque de petróleo en el que las temperaturas de trabajo sean superiores a los 1650 y 1820 °C, debido a que en estas condiciones de trabajo se generan fases con punto de fusión inferior a 1900 °C, temperatura para la cual habían sido diseñados. REFERENCIAS 1. Lee, S. J., Kim, S. 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Tesis doctoral, Universidad Autónoma de Madrid, Instituto de Cerámica Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. y Vidrio Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC-ICV), Madrid, España. 2004. 32. Triantafyllidis, D., Stott, F.H., Li, L. The slag corrosion behavior of laser surface treated refractory ceramics. Conference Corrosion Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 Science in the 21st Century. 2003. 33. Vázquez, B. A., Caballero, Á., Pena, P. Quaternary system Al2O3-CaO-MgO-SiO2: II Study of the cristallization volume of MgAl2O4. J. Am. Ceram. 88, 1949-1957, 2005. 47 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidriopoliéster como cargas en concreto polimérico Rodolfo Morales IbarraA, Elsa Abigail Duncan FloresA, Saida Mayela García MontesA, Alma Gisela Martínez ArellanoB, Juan Francisco Barrón GranadosB, Denisse Arantxa Cepeda MújicaA FIME-UANL Reacciones Químicas S.A. de C.V. rodolfo.moralesbr@uanl.edu.mx A B RESUMEN En el presente trabajo se utilizaron materiales compuestos de fibra de vidrio y resina poliéster considerados de fin de ciclo de vida pulverizados como cargas en concreto polimérico para analizar su efecto en las propiedades mecánicas de concreto polimérico. El objetivo de esta investigación fue sustituir la mayor cantidad de carbonato de calcio contenido en el concreto polimérico(20%) por material reciclado manteniendo sus propiedades mecánicas y a la vez reduciendo su porcentaje de volumen de resina utilizado, en busca de la reducción de costos de fabricación con un impacto medio ambiental positivo. Los resultados que se obtuvieron como consecuencia de reducir la fórmula a 10% de resina con 90% de carga con un máximo de 2% de material reciclado corresponde en propiedades relativamente buenas. PALABRAS CLAVE Vidrio-poliéster, concreto polimérico, reciclado. ABSTRACT Recycling of composite materials was studied using pulverized fiberglasspolyester composite materials as fillers in polymeric concrete for this research. The objective of this research was to increase as much as possible the amount of recycled filler in the polymeric concrete without maintaining the mechanical properties of the material, reducing the percentage of volume of resin used and thus, reducing manufacturing costs with a positive environmental impact. Positive results were obtained: resin percentage has been reduced to 10% with 90% fillers using up to 2% of recycled material while maintaining relatively good mechanical properties. KEYWORDS Polyester-glass, polymeric concrete, recycling. INTRODUCCIÓN El concreto polimérico es un material relativamente nuevo de alto rendimiento que ha sido comercializado desde 1960. Este material se produce a partir de una 48 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. resina líquida y agregados inorgánicos figura 1. La producción del concreto polimérico es la siguiente: pequeñas dosis de iniciadores y promotores se añaden a una resina para iniciar el curado o el proceso de endurecimiento. Donde los iniciadores dan partida a la polimerización y los promotores aceleran la reacción. Inmediatamente después de la adición del iniciador y promotores, la resina líquida se mezcla con los agregados gruesos y finos tales como piedra, grava o arena triturada. Después del curado, el material se compone de agregados inorgánicos bien graduados unidos entre sí por un aglutinante de resina. El curado puede ser tan corto como unos pocos segundos o largo como unas horas , dependiendo de la cantidad de iniciador y promotor añadido a la resina poliéster. El uso de concreto polimérico en la producción de componentes prefabricados parece muy prometedor. Las ventajas del concreto polimérico son su buena resistencia y buena durabilidad. El rápido tiempo de curado es otra importante ventaja en muchas aplicaciones estructurales e ingenieriles ya que el concreto cura en pocos minutos u horas cuando a materiales a base de cemento les toma días o semanas curarse por completo. Comercialmente, la principal desventaja del concreto polimérico es su alto costo comparado con otros materiales a base de cemento. La mayor parte del costo de los concretos poliméricos proviene de la resina; los costos de las cargas son comparativamente insignificantes. No es de extrañar que existan estudios recientes sobre reducción de costos en la resina como futura necesidad de concreto polimérico.1 Una de sus principales propiedades es la resistencia a la compresión, donde los sistemas prefabricados llegan a soportar hasta 30.2MPa frente a los 7-9MPa que soporta el concreto tradicional. Otra de sus principales propiedades es la de evacuación de fluidos, que es gracias a su superficie tipo espejo, y facilita el rápido desalojo de los fluidos. Su resistencia a productos químicos es otra de su propiedades, la resistencia a la helada, desgaste por abrasión y resistencia al choque son mas propiedades que lo caracterizan. En cuanto a sus aplicaciones el concreto polimérico en sistemas prefabricados se ha ganado un lugar importante en la industria de la construcción gracias a sus principales propiedades. Principalmente en los sectores de edificación para la elaboración de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 vierteaguas, albardillas y jambas, en prefabricados para drenaje tanto para la canalización de fluidos como la conducción de instalaciones y servicios, y en fachadas como revestimiento de edificios que es tanto una característica estética como en términos de aislamiento y por lo tanto de ahorro. El crecimiento del uso de materiales poliéster reforzado con fibras en las industrias de construcción y transporte implica cantidades mayores y el aumento de desechos de este material, producidos en diferentes etapas de su ciclo de vida. La mayor preocupación es en relación a las soluciones limitadas para la gestión de los residuos de estos materiales termostables no re procesable.2 Los compuestos fabricados en plásticos reforzados con fibra de vidrio son ampliamente utilizados en todo tipo de industria alrededor del mundo. Actualmente en nuestro país se producen más de 1,030,648 toneladas por año y se consumen alrededor de 497,914 toneladas por año de fibra de vidrio,3 pero ¿qué pasa cuando las piezas que están hechas de este material terminan su ciclo de vida?. En México solo existen 8 empresas dedicadas a la recolección de residuos sólidos4 y solo el 11% del material recuperado en sitio de disposición final es reciclado lo cual es un problema ya que el resto se queda desechado en el medio ambiente.5 Las técnicas para el reciclado de materiales poliéster reforzados con fibra se identifican en dos principales grupos: métodos mecánicos, que involucra técnicas de trituración para reducir el tamaño de los residuos y métodos térmicos que consisten en el uso de calor para descomponer los residuos en las materias primas y finalmente, energía.6 EXPERIMENTAL Para la matriz polimérica del concreto se utilizó una resina poliéster PCP 9652 de Reacciones Químicas S.A. de C.V., que es una resina de muy baja viscosidad; cuenta con muy buenas características de humectación a fibra de vidrio y cargas minerales, excelentes propiedades de resistencia a la compresión y buena velocidad de liberación de burbujas de aire atrapadas en la pasta; lo que la hace adecuada para trabajar con estos tipos de materiales. Se utilizaron arenas sílicas de distintos tamaños de mallaje 10/20, 20/30 y 40/50 donde las arenas 10/20 y 20/30 representan las arenas gruesas y las 40/50 junto 49 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. con el carbonato de calcio que se utiliza para la reducción de costo y mejorar las propiedades del material son parte de las arenas finas. El conjunto de estas dos arenas (finas y gruesas) conforman las cargas o refuerzos del concreto polimérico, además se utilizaron residuos de compuestos de fibra de vidrio/poliéster que sustituiría un 2% y 4% el contenido en peso de carbonato de calcio en el concreto polimérico. El proceso de preparación de mezcla tal como lo muestra la figura 1.consiste en integrar todas las arenas con el carbonato de calcio y/o los residuos de fibra de vidrio/poliéster; una vez que los materiales están completamente integrados se agregan a la resina que ya contiene el catalizador y se mezclan hasta la homogeneidad con una mezcladora Hobart N50; la mezcla es vertida en los moldes de compresión(cubos) y flexión(barras); una vez que el material ya ha polimerizado se dejan reposar por un lapso de 7 días, pasando este período las muestras están listas para ser sometidas a los ensayos requeridos. En base a la composición original para la elaboración de concreto polimérico que se maneja en la industria siendo 88% cargas y 12% resina se hizo un diseño de experimentos como se muestra en la tabla I. Donde el experimento 1 es la composición original y a partir de esta formulación se varió el porcentaje de resina contenido en el concreto polimérico hasta un 2% menos del porcentaje usado y a la vez se varió la cantidad de material reciclado hasta un 4% como sustituto del carbonato de calcio. Se llevaron a cabo un total de 8 experimentos cada uno con 6 muestras esto acorde a las normas ASTM (American Society for Testing and Materials) Tabla I. Diseño de experimentos. Experimento Cargas (%) Resina Poliéster (%) Material Reciclado (%) 1 88 12 0 2 88 12 2 3 88 12 4 4 89 11 0 5 89 11 2 6 89 11 4 7 90 10 0 8 90 10 2 Fig. 1. Proceso de mezclado del concreto polimérico. 50 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. que en el caso del concreto polimérico corresponde a las normas C-579 y C-580 para los ensayos de compresión y flexión respectivamente. RESULTADOS Se tomaron imágenes con Microscopía de Barrido de Electrones figura 2 (SEM, Scanning Electron Microscope) a los diferentes granos de arenas, al carbonato de calcio y a los residuos de fibra de vidrio/poliéster. Se observa la morfología de las arenas sílicas que es básicamente granular en donde resultaba interesante y de particular necesidad conocer exáctamente los tamaños de las partículas para diferir en los métodos a ser utilizados de acuerdo a ASTM, los cuales dependen básicamente del tamaño de los agregados; en el caso del carbonato de calcio resulta interesante observar su morfología la cual difiere de la del material pulverizado de fibra de vidrio-poliéster. La figura 3. muestra una grafica de esfuerzodeformación con las curvas promedio de cada uno de los experimentos. Se observa la curva del experimento 1 que corresponde a la producción de línea o producción de base y se puede observar que las curvas que corresponden a los experimentos 2 y 7 son mayores que el experimento 1 y las demás curvas son inferiores a ésta lo cual nos dice que la variación de resina y material reciclado si afecta significativamente en el concreto polimérico. En los ensayos de flexión no se obtuvo una gran variación en cuanto a los esfuerzos ya que presentaban un esfuerzo promedio máximo muy similar o con una diferencia muy insignificante figura 4; en cuanto al ahorro de resina se obtuvieron muy buenos resultados ya que si las propiedades mecánicas no se afectan eso quiere decir que es posible utilizar una configuración de cargas/resina con un porcentaje de resina menor al utilizado actualmente (experimento 1) y así lograr un ahorro de la resina de más de un 8% como se muestra en la tabla III que por ejemplo el experimento 4 que tiene formulación de 88% de cargas y un 11% de resina muestra una ganancia en propiedades mecánicas de hasta un 2.06% en comparación con el experimento 1 y un importante ahorro de más del 8% de total de resina consumida. Fig. 2. Imagen de SEM de: a) arena 10/20 a 36X, b) arena 20/30 a 36X, c) arena 40/50 a 36X, d) carbonato de calcio a 400X, e) compuesto de fibra de vidrio/poliéster a 40X, f) compuesto de fibra de vidrio/poliéster a 400X. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 51 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Fig. 3. Grafica de esfuerzo/deformación donde se muestran las curvas promedio de los 8 experimentos. CONCLUSIONES Después de efectuar esta investigación y observar detenidamente los resultados presentes se puede decir que el método presentado es adecuado para la caracterización del concreto polimérico además que se sugiere una revisión en el proceso de mezcla porque al sustituir un material denso por uno menos denso se dificulta preparar la mezcla, por lo que se propone partir de la composición 90% de carga, 10% de resina y 2% de material reciclado de fibra de vidrio/poliéster ya no es posible trabajar con composiciones que contengan mayor cantidad de material reciclado. Los experimentos 1, 4 y 7 que son experimentos que no contiene ningún porcentaje de material reciclado las muestras presentan un capa en la superficie de resina lo cual indica que la resina no está completamente en el material y esto se debe a que cuando el material esta curando la resina, al ser menos densa que las arenas, sube a la superficie, por lo tanto se recomienda usar períodos de curado más cortos. En cuanto a las pruebas de compresión el experimento 5 presenta propiedades mecánicas relativamente altas y presenta un interesante ahorro del mas de 8% del consumo de resina además de un sustituto de carbonato de calcio por material de fibra de vidrio/poliéster de 2%. Por otro lado en flexión es el experimento 4 el que más destaca teniendo una ganancia en propiedades mecánicas y un importante ahorro en el consumo total de la resina. Fig. 4. Curvas esfuerzo-deformación de las muestras del experimento 1 en flexión. 52 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Tabla II. Resultados de los análisis de propiedades mecánicas de compresión. Experimento Cargas (%) Resina poliéster (%) Material reciclado (%) Esfuerzo (Mpa) Δ propiedades mecánicas (%) Porcentaje de ahorro (%) 1 (baseline production) 88 12 0 49.22 0 0 2 88 12 2 50.52 2.6 0 3 88 12 4 35.03 -28.8 0 4 89 11 0 41.83 -15 8.3 5 89 11 2 45.48 -7.5 8.3 6 89 11 4 40.11 -18.5 8.3 7 90 10 0 51.39 4.4 16 8 90 10 2 45.01 -8.55 16 Tabla III. Resultados de los análisis de propiedades mecánicas de flexión. Experimento Cargas (%) Resina poliéster (%) Material reciclado (%) Esfuerzo (Mpa) Δ propiedades mecánicas (%) Porcentaje de ahorro (%) 1 (baseline production) 88 12 0 25.69 0 0 2 88 12 2 23.99 -6.6 0 3 88 12 4 22.18 -13.66 0 4 89 11 0 26.22 2.06 8.3 5 89 11 2 22.37 -12.92 8.3 6 89 11 4 22.13 -13.85 8.3 7 90 10 0 23.46 -8.68 16 8 90 10 2 23.53 -8.4 16 REFERENCIAS 1. K. S. Rebeiz. Precast use of polymer concrete using unsaturated polyester resin based on recycled pet waste Construction and Building Materials, Vol. 10, No. 3, pp. 215-220, 1996. 2. joão R. 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Guadalupe Maribel Hernández Muñoz, Coordinadora de Administración y Logística del Verano Infantil; Dr. Moisés Hinojosa Rivera, Subdirector de Posgrado, e Ing. Francisco Gastelum Camacho, Coordinador de Actividades Estudiantiles del Capítulo Monterrey de ASHRAE, entregando un reconocimiento. 54 Capítulo Monterrey de ASHRAE, entregó un reconocimiento a cada participante del campamento, quienes tuvieron la oportunidad de realizar diversas actividades de robótica, aeromodelismo y computación, además de que conocieron algunos laboratorios de la FIME. II. INAUGURACION DEL LIITE-FIME El pasado 16 de agosto fue inaugurado en la FIME el Laboratorio de Investigación e Innovación en Tecnología Energética (LIITE) en el que se desarrollarán trabajos científicos orientados a aspectos energéticos y fuentes alternas. La ceremonia de inauguración fue presidida por el Rector de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, y por el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME. En ese mismo evento se firmó un convenio entre la UANL y la Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC, Brasil), representada por la Dra. Roselane Neckel, Rectora de esa universidad, para proyectos de intercambio académico, fortalecimiento del posgrado y en materia de investigación; así como la puesta en marcha de una planta de energía solar que se instaló en el Polideportivo FIME. También se incluyó un convenio específico entre la FIME-LIITE y el Laboratorio de Investigación en Refrigeración y TermofísicaPolo de la UFSC, buscando un esquema de colaboración LIITE de la FIME con Whirlpool, México, similar al que opera entre el laboratorio Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Eventos y reconocimientos Polo de la UFSC con Whirlpool, Brasil. A este respecto se contó con la presencia del Ing. Raúl García Martínez, Director de Tecnología de Whirpool de México. IV. PREMIO A LA MEJOR TESIS El pasado 29 de agosto se entregaron los premios a la mejor tesis de licenciatura y maestría. La M.C. Karen Adriana Bustos Torres, de la FIME, fue distinguida con el Premio a la Mejor Tesis de Maestría en el área de Ingeniería, Tecnología y Arquitectura, con el trabajo “Influencia de la Morfología de ZnO en la fotooxidación de polipropileno”, asesorada por la Dra. Sofía Vázquez Rodríguez, Autoridades e invitados presentes en la inauguración del Laboratorio de Investigación e Innovación en Tecnología Energética. III. WORKSHOP MÉXICO-BRASIL El pasado 15 de agosto el Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA) de la FIME llevó a cabo el Workshop México-Brasil, en el que se tuvieron talleres especializados, donde el Dr. José Enrique De Sousa Damiani, Investigador Titular de la División de Ingeniería MecánicaAeronáutica del Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) de Brasil, pudo constatar los trabajos desarrollados en el CIIIA. Participantes del Workshop México-Brasil. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 Desde la izquierda, M.C. Karen Adriana Bustos Torres, premiada de la FIME; M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME; Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL; y Dra. Sofía Vázquez Rodríguez, profesora del Programa de Doctorado de la FIME. V. PREMIO DE INVESTIGACIÓN UANL El pasado 29 de agosto se entregó el Premio de Investigación UANL 2013, con el cual se reconocen los mejores trabajos del quehacer universitario en siete áreas del conocimiento: Ciencias Sociales, Exactas, Naturales, de la Salud, de la Tierra y Agropecuarias, Humanidades e Ingeniería y Tecnología. La FIME fue reconocida en dos áreas: en Ingeniería y Tecnología con el trabajo “Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación de contaminantes orgánicos de agua” desarrollado por el Dr. Azael Martínez de la Cruz y la Dra. Diana Berenice Hernández Uresti; y en el área de Ciencias Sociales con el trabajo “Modelo Probabilístico de Quiebra para pequeñas y medianas empresas mexicanas. 55 �Eventos y reconocimientos Una herramienta para la toma de decisiones” presentado por el Dr. Juvencio Jaramillo Garza y el Dr. Jesús Fernando Issac García. de la UANL. El evento estuvo encabezado por el Gobernador del Estado de Nuevo León, Lic. Rodrigo Medina de la Cruz, y el Rector de la UANL. En esta ocasión se impuso el nombre “Los Rectores” al Circuito Interior de CU y se develaron estelas conmemorativas al pie de la escultura “Flammam”. Dr. Azael Martínez de la Cruz (izq.), premiado en el área de Ingeniería y Tecnología, y el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME. VI. 80 ANIVERSARIO DE LA UANL El pasado 25 de septiembre se reunió la comunidad universitaria en la explanada de la rectoría para celebrar el octagésimo aniversario 56 Autoridades universitarias e invitados durante la celebración del 80 aniversario de la UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Junio - Agosto 2013 Marisa Elizabeth Vigil Ramírez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 3 de junio de 2013. J a v i e r Tre v i ñ o G u e r re ro , M a e s t r í a e n Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 4 de junio de 2013. Raúl Cesar Lozano Guerra, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 5 de junio de 2013. Francisco Hazael Moreno Rivera, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Análisis comparativo del sistema ligante en las propiedades mecano-físicas en concretos refractarios aluminosos”, 10 de junio de 2013. Gerardo Antonio Betancourt Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 10 de junio de 2013. Fernando Elizalde Ramírez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Planificación dinámica de rutas del transporte público a partir de los requerimientos del usuario”, 11 de junio de 2013. Jesús Gabino Puente Córdova, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Síntesis y caracterización de un material híbrido de matriz polimérica de polivinil butiral”, 12 de junio de 2013. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 Luis Ernesto Jasso Ramos, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Nanopartículas de poli(dimetilsiloxano) con grafeno o nanopartículas cortas de nylon”, 12 de junio de 2013. Alma Lilia Pérez García, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Factores en la gestión logística mexicana que intervienen en la competitividad global de las empresas”, 14 de junio de 2013. Carlos Alberto Rosas Aguilar, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 18 de junio de 2013. Omero Santillán Milán, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 18 de Junio de 2013. Alan Arturo Moreno Gutiérrez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 18 de junio de 2013. María Elena de Jesús Alvarado Jasso, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 18 de junio de 2013. Iván Bosque Leal, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 19 de junio de 2013. Carlos Eduardo Castillo Alonso, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 19 de junio de 2013. 57 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Humberto Gámez Rabago, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 26 de junio de 2013. Cristina Maya Padrón, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Modelación de planes de estudio usando técnicas avanzadas de planificación”, 27 de junio de 2013. Jorge Tanos Susarrey, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 28 de junio de 2013. Sergio Vladimir Garza Mendoza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 28 de junio de 2013. Gisela Rodríguez Hernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 28 de junio de 2013. Víctor Hugo Ponce Galicia, Maestría en Ingeniería de la Información, Informática, (Por materias), 1 de julio de 2013. Selene Treviño Medina, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 1 de julio de 2013. Verónica Camarillo Castro, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio in vivo de oseointegración en implantes dentales de Ti- 6 AI -4V con superficies modificadas”, 3 de julio de 2013. José Alfredo Ávila Cardona, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 4 de julio de 2013. Jorge Martínez Paredes, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 4 de julio de 2013. Juan Carlos García Álvarez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 8 de julio de 2013. Enrique Alejandro González Cantú, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 8 de julio de 2013. 58 Meng Yen Shih, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Sistemas Eléctricos de Potencia, “Real time coordination of overcurrent reloys by means of optimization algorithm”, 8 de julio de 2013. Victoria Marisela Gutiérrez López, Maestría en Ciencias de la ingeniería Mecánica con especialidad en materiales, “Síntesis y caracterización de resinas de curado rápido para la elaboración de componentes herméticos de iluminación automotriz”, 11 de julio de 2013. Manuel Alejandro González Abrego, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Preparación de fibras de TiO2 mediante la técnica de hilado por soplado”, 11 de julio de 2013. Jesús Cázares Coronado, Maestría en Ingeniería con orientación Mecánica, (Por materias), 11 de julio de 2013. Víctor Hugo Garza Cárdenas, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 12 de julio del 2013. Cindy Johena Niño Partida, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Influencia del reuso de porcelana de desecho sobre las propiedades de una porcelana triaxial”, 12 de julio de 2013. Julio Martínez Torres, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, (Por materias), 15 de julio del 2013. Alejandro Elizondo Almaguer, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 15 de julio de 2013. Fernando Salinas Garibay, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 16 de julio de 2013. Allan Giovanni Soriano Sánchez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Orientación en Control Automático, “Sincronización de redes complejas con atractores caóticos de multiples enrrollamientos: Aplicado al encriptado de datos”, 16 de julio de 2013. Rafael Olivares Arredondo, Maestría en Ingeniería de la Información, Informática, “Construcción Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL de perfiles de usuario a partir de repositiorios de información personal”, 16 de julio de 2013. Fernando Manuel Rodríguez Aldape, Maestría en Ingeniería de la Información, “Inteligencia Artificial, Cuantificación del interés de un usuario en un tema mediante minería de texto y análisis de sentimiento”, 16 de julio de 2013. Carlos Alberto Vázquez Rodríguez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caracterización del comportamiento de corrosión en pruebas aceleradas para acero galvanizado y pintado”, 17 de julio de 2013. Adrian Esau Contreras Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Optimización del proceso de forja abierta para evitar defectos internos”, 18 de julio de 2013. Carlos Eduardo Márquez de la Torre, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Tratamiento térmico en anillos de acero AISI 4140”, 18 de julio de 2013. Gabriela Melissa Valadéz Sánchez, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 19 de julio de 2013. Ali Gabriel Sánchez Luna, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 23 de julio de 2013. Carlos Alfonso Rodríguez Vázquez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Patrones y mecanismos de fractura en los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras”, 25 de julio de 2013. Karla Alejandra Leyva González, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caracterización de la precipitación en un material compuesto aleación 7075 realizada con grafeno”, 26 de julio de 2013. María Eugenia Gómez González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 29 de julio de 2013. Rosarito Falcón Zertuche, Maestría en logística y cadena de suministro, “Diseño y análisis, Establecer el flujo de procesos de los mantenimientos a vehículos dentro de una empresa”, 29 de julio de 2013. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 Elisa María Gallo González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 1 de agosto de 2013. Deissy Nallely Pérez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 7 de agosto de 2013. Reynaldo Esparza Robles, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 12 de agosto de 2013. Hiram Overlin Flores Cruz, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, (Por materias), 13 de agosto de 2013. Arturo Nieto Méndez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 15 de agosto de 2013. Jorge Luis Rivera Pacheco, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 15 de agosto de 2013. Perla Janeth Rodríguez Guevara, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 15 de agosto de 2013. Andrés Gómez Torres, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 16 de agosto de 2013. Edgar Andrade Drías, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Producción y Calidad, 19 de agosto del 2013. Brenda Marisol Meza Torres, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 21 de agosto de 2013. José Raúl García Lugo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Sistemas Eléctricos de Potencia, “Control directo del par de un motor de inducción usando un convertidor multinivel”, 22 de agosto de 2013. Selene Escobar Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 22 de agosto de 2013. 59 �Jorge David Bacelis Lara, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, 22 de agosto de 2013. Carmen Guadalupe González Galindo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global, (Por materias), 22 de agosto de 2013. Meztli Natalia Martínez Pérez, Maestría en 60 Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 26 de agosto de 2013. Ricardo Cortés Frías, Maestría en Ciencias de la Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Influencia de la Familia en el aprovechamiento escolar del adolescente”, 29 de agosto de 2013. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Acuse de recibo PHYSICS EDUCATION JART El Institute of Physics es una sociedad científica basada en Inglaterra que, entre otras actividades, edita la revista Physics Education. El objetivo de la revista es la enseñanza de los fundamentos de la física a estudiantes de todos los niveles educativos, elemental a pregrado. Para lograr los objetivos pedagógicos, se presentan experimentos sencillos que aplican los principios básicos de la física con los recursos disponibles en un ambiente escolar. Un artículo reciente, en su edición de septiembre de 2013, presenta cómo construir en el aula una balanza para la medición precisa de la masa de los objetos utilizando un electroimán, con el mismo principio que utilizan los equipos más modernos y precisos. El acceso a artículos selectos es gratuito. La revista se encuentra disponible en http:// iopscience.iop.org/0031-9120/ El Journal of Applied Research and Technology (ISSN 1665-6423) se publica cada cuatro meses por el Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico de la Universidad Nacional Autónoma de México. La cobertura contempla acústica y vibraciones, biotecnología, cibernética y sistemas, computadoras y tecnologías de la información, electrónica e ingeniería eléctrica, ambiental, biomédica, de producto, industrial, mecánica y térmica, química, sísmica, materiales y sensores, metrología, nanotecnología, óptica, procesamiento de señales e imágenes, sistemas de control, software y tecnología educativos y telecomunicaciones. A pesar de la amplia cobertura de las áreas científicas-tecnológicas, los números particulares tienden a agrupar los diferentes tópicos hasta que en conjunto todos tienen su lugar. Esta revista se puede encontrar http://www.jart.ccadet. unam.mx Zarel Valdez Nava Juan Antonio Aguilar Garib Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 61 �Colaboradores Barrón Granados, Juan Francisco Gerente del departamento de investigación y desarrollo de Reacciones Químicas S.A. de C.V. Castillo Rodríguez, Guadalupe Alan Ingeniero Mecánico Electricista, Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Maestro en Ciencia de Materiales por la Technische Universität Clausthal, Alemania. A sido colaborador en el CIDT del Grupo Peñoles, Subdirector de la División de Estudios de Posgrado de la FIME, así como Director de Investigación de la UANL. Es Profesor/Investigador de la FIME-UANL y Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Sus líneas de interés son los materiales cerámicos y refractarios. Cepeda Mújica, Denisse Arantxa Estudiante de 7mo. semestre de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica en Ingeniería en Aeronáutica. Se desempeña actualmente como Becaria en el Laboratorio de Materiales Aeroespaciales en el Centro de Investigación e Innovación de Ingeniería en Aeronáutica y está llevando a cabo sus prácticas profesionales en la empresa denominada Reacciones Químicas S.A. de C.V. La estudiante ha realizado trabajos de investigación en colaboración con el CIIIA en relación al concreto polimérico Das Roy, Tushar Kanty Bachelor of Science por la Universidad de Calcuta en India, Maestría en Ingeniería de Metalurgia y Cerámica por la Universidad Técnica 62 de Berlín, Alemania, Doctor en Ingeniería de Materiales, por la Facultad de Minería, Metalurgia y Mecánica de la Universidad Técnica Clausthal, Alemania. Tiene una amplia experiencia laboral de investigación en empresas como Didier Werke, A.G. Alemania Financial, Mining, Industrial and Shipping Corporation, Atenas, Grecia y en Grupo Peñoles, México. Es Profesor/Investigador de la FIME-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Sus líneas de interés son los materiales cerámicos y refractarios. Duncan Flores, Elsa Abigail Estudiante de la UANL-FIME, se desempeña actualmente como becaria en el laboratorio de materiales aeroespaciales en el Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA)de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. La estudiante cuenta con una participacion en XXII International Material Research Congress por su investigación en concretos poliméricos. Actualmente cursa el 8º semestre de la carrera de Ingeniería en Aeronáutica. García Montes, Saida Mayela Licenciada Química Industrial (2008) y Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2011) por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Es candidata a Doctora en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Gómez de la Fuente, María Idalia Doctora en Ciencia de Materiales (1998) y Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (1994) por la Facultad de Ingeniería Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Colaboradores Mecánica y Eléctrica de la UANL. Licenciada en Física (1988), Universidad Autónoma de Tamaulipas. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) nivel 1, y actualmente es profesora-investigadora en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y editora de la revista Química Hoy, publicada en esa misma facultad. Hernández Urésti, Diana Berenice Ingeniero Mecánico Administrador por la UANL y Maestro en Ciencias con especialidad en Materiales por la FIME-UANL. Obtuvo su Doctorado en Ingeniería de Materiales en el área de fotocatálisis heterogénea en la FIME-UANL. Ha realizado estancias de investigación en Francia y Corea del Sur. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) nivel C. Lizcano Zulaica, Carlos Javier Ingeniero Mecánico Administrador, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Diplomado en siderurgia en la república federal de Alemania y una amplia experiencia laboral y científica de más de 30 años en la industria siderúrgica en compañías como Fundidora Monterrey, Hylsa y Ternium. Profesor/Investigador jubilado de la FIME-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Investiga los fenómenos mecánicos en diferentes materiales, especialmente en acero; desarrollo de nuevos aceros y nuevos procesos de fabricación de acero, así como también desarrollo de modelos termodinámicos y termomecánicos de procesos siderúrgicos. Luna Criado, Carlos Doctorado en Física con especialidad en Física de la Materia Condensada y licenciado en Ciencias Físicas con especialidad en Física Teórica por la Universidad Autónoma de Madrid, España. Durante sus estudios doctorales participó en varios proyectos de investigación en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, España, y realizó una estancia postdoctoral en el Laboratorio de Magnetismo Molecular de la Universidad de Florencia, Italia. Actualmente es profesor-investigador de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de la Universidad Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 Autónoma de Nuevo León. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores con nivel I y cuenta con el reconocimiento de Perfil deseable para Profesores de Tiempo Completo (PROMEP). Es líder del cuerpo académico “Física de los sistemas de baja dimensionalidad y sus aplicaciones” de la FCFM de la UANL. Es coordinador del laboratorio “Física de los sistemas de baja dimensionalidad” del Centro de Investigación en Físico Matemáticas (FCFM, UANL). Martínez Arellano, Alma Gisela Maestra en Ciencia y Tecnología de Polímeros, actualmente ocupa el cargo de Jefa de Investigacion y Desarrollo de la empresa Reacciones Quimicas. Egresada de la Licenciatura en Química Industrial de la UANL generación 2004, estudió una maestría en Ciencias en el Centro de Investigación en Química Avanzada concluyendo dichos estudios en el 2007. Ingresa a laborar a Reacciones Químicas en ese mismo año como Investigadora de Recubrimientos y posteriormente continua su trayectoria como Investigador de Procesos, el éxito en este trabajo le ha llevado a cosechar entre otros logros la Jefatura del departamento de Investigación y Desarrollo desde el año 2011. Martínez de la Cruz, Azael Licenciado en Química Industrial por la UANL y Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Complutense de Madrid. Actualmente es profesor Investigador en FIME- CIIDIT-UANL, ha obtenido 5 premios de Investigación UANL, 2 reconocimientos Como asesor de la mejor Tesis de Maestría por la UANL y 3 Premios Nacionales de Investigación. Miembro del SNI, nivel 2. Mendoza Reséndez, Raquel Ingeniera Química y Maestra en Ciencias con orientación en Ingeniería Cerámica por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Doctora en Ciencias Físicas por la Universidad Complutense de Madrid, España. Realizó una estancia posdoctoral en la Universidad de Florencia, Italia. Es Profesora Investigadora de Tiempo Completo, en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Cuenta con el reconocimiento del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) nivel 1 y con el Perfil deseable para Profesores de Tiempo Completo (PROMEP). 63 �Colaboradores Morales Ibarra, Rodolfo Profesor-Investigador de la UANL-FIME, desempeña actualmente el cargo de jefe del laboratorio de materiales aeroespaciales en el Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA) de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. El Profesor Morales es Ingeniero en Materiales egresado de la FIME-UANL, donde cursó también una Maestría en Administración de Negocios Industriales; posteriormente cursó una Maestría en Ciencias de la Ingeniería Aeroespacial con orientación en Estructuras y Materiales Compuestos en la Université de Bordeaux en Francia. Actualmente está concluyendo el Doctorado en el Programa de Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL sobre un proyecto en colaboración con la Universidad de Kumamoto en Japón, con apoyo de CONACYT. Pinzón Galvis, Sandra Sandra Pinzón Galvis: Ingeniera civil de la Universidad Santo Tomás de Aquino, sede Bogotá. aspirante a Magister en Gestión Urbana de la Universidad Piloto de Colombia, sede Bogotá. Docente tiempo completo de la Universidad Piloto de Colombia- Seccional Alto Magdalena, sede GirardotColombia, Director de la línea de investigación en materiales de la región. Puente Ornelas, Rodrigo Ingeniero Mecánico Administrador, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad 64 Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor/Investigador de la FIME-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Investiga los fenómenos de corrosión en materiales refractarios y aceros de refuerzo, desarrollo de nuevos materiales refractarios, cementicios y termoeléctricos, así como la utilización de materiales suplementarios y desechos industriales para el mejoramiento de las propiedades fisicoquímicas y de durabilidad de pastas, morteros y concretos. Vázquez Méndez, Bertha Alicia Lic. en Química Industrial (FCQ-UANL), Maestra en Ciencias con especialidad en Ingeniería Cerámica (Posgrado FCQ-UANL) y Doctora en Ciencias con especialidad en corrosión de materiales refractarios por la Universidad Autónoma de Madrid en España, llevado a cabo en el Instituto de Cerámica y Vidrio del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (ICV-CSIC). Profesor/ Investigador actualmente de la FACPYA-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Líneas de Investigación: Ciencia de los Materiales Tradicionales y Avanzados, Química del Estado Sólido, Diagramas de Equilibrio de Fases, Materiales Refractarios, Síntesis y Caracterización de Materiales, Reutilización de Materiales de desecho para su aplicación en el mejoramiento de las propiedades de la industria cerámica (cemento, vidrio, refractarios, materiales funcionales, etc) y Corrosión de Materiales Refractarios. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 65 �66 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2013 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 16 Número Número de la revista 61 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2013, Año 16, No 61, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2013 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020824 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Coque de petróleo Corrosión Fotocatálisis heterogénea Horno gasificador Nanoelipsoides Refractarios https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20744/Ingenierias_2003_Vol_6_No_21_Octubre-Diciembre.pdf f119ef654bbda5ef2ab1386b7c97d375 PDF Text Text ���Editorial: Vulnerabilidad de los sistemas eléctricos de potencia Ernesto Vázquez Martínez Doctorado en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL, evazquez@gama.fime.uanl.mx La ocurrencia de grandes disturbios en distintas redes eléctricas del mundo pone de manifiesto el problema de la vulnerabilidad de los sistemas eléctricos de potencia. El ejemplo más reciente es el disturbio ocurrido en la interconexión Noreste entre Canadá y los Estados Unidos el 14 de agosto del 2003. Aunque aún no existen reportes técnicos que expliquen las razones del disturbio, la falta de redundancia y la obsolescencia en la red de transmisión fueron uno de los factores que contribuyeron a la ocurrencia del disturbio. El objetivo básico de un sistema eléctrico de potencia es el proporcionar la energía necesaria para el desarrollo de un país, objetivo que es crítico en países en vías de desarrollo. Para alcanzar este objetivo, es necesario generar, transmitir y distribuir la energía eléctrica desde los centros de generación, ubicados en base a la disponibilidad de fuentes primarias de energía, como son el gas, el carbón, el agua o la energía nuclear, hasta los centros de consumo, considerando en todo momento restricciones económicas, de seguridad, de confiabilidad y de calidad del servicio. Es evidente que la falta de suministro eléctrico a los consumidores tiene un impacto muy grande, pudiendo ser de índole técnica, social y política. Considerando el aspecto técnico del problema, la interrupción del suministro eléctrico ocasiona, entre otras cosas, que las líneas de producción se detengan, provocando en algunos casos daños a los equipos en dependencia del proceso del cual se trate (fundición de hojalata en hornos de inducción de arco eléctrico, por ejemplo), caos vial por ausencia de señalamientos viales, indisponibilidad de transporte de pasajeros (que opere con energía eléctrica), descomposición de materiales orgánicos bajo refrigeración, etc. Atardecer en Nueva York durante el apagón de agosto de 2003. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 3 �Editorial / Ernesto Vázquez Martínez Una interrupción de servicio eléctrico puede deberse a distintas causas, como un cortocircuito, la caída de estructuras de alta o media tensión, errores en la operación y control del sistema eléctrico y, en menor medida, por acciones de sabotaje. Sin importar las causas, es también evidente que es imposible que un sistema eléctrico de potencia sea totalmente inmune a estas situaciones, debiéndose aceptar las interrupciones del servicio eléctrico como una situación normal, aunque no deseable, en un sistema eléctrico de potencia. Por lo tanto, es necesario reducir los tiempos durante los cuales se pierde el suministro de energía eléctrica, sin importar la causa, y restaurar el sistema a su condición previa. Uno de los problemas que enfrentan las empresas de energía eléctrica, es la creciente complejidad de los sistemas eléctricos de potencia. Cada vez los equipos son operados cerca de sus límites de seguridad con el fin de satisfacer la demanda de energía; esto ha sido ocasionado por la construcción de grandes plantas de generación conectadas al sistema a través de líneas de transmisión muy largas, que impactan directamente en la estabilidad del sistema, aún en condiciones normales de operación. Una analogía para poder apreciar este problema es cuando una persona construye una pirámide con las cartas de una baraja, a medida que se incrementa la altura de la pirámide, ésta se vuelve inestable, y puede derrumbarse sola por la acción de su propio peso. En esta analogía la altura de la pirámide representa la complejidad del sistema eléctrico de potencia. Otro problema que enfrentan los sistemas eléctricos son los bajos niveles de redundancia en sus redes de transmisión, constituidas principalmente por líneas de transmisión de alto voltaje y transformadores de potencia. Esta debe tener la capacidad suficiente para transportar la energía desde las plantas de generación hasta los grandes centros de consumo, aún cuando ocurra un corto circuito que provoque la desconexión de elementos de la red, o en el caso de que algunos de sus componentes puedan estar fuera de servicio por mantenimiento. Cuando la red se ve disminuida en su capacidad de transmisión por alguna de estas circunstancias, uno o más de sus componentes puede sufrir una sobrecarga impidiendo mantener la capacidad de transmisión. En condiciones extremas, los elementos pueden ser desconectados en forma automática para evitar que sufran daños permanentes. Sin embargo, estas desconexiones diminuyen aún más la capacidad de transmisión, ocasionando mayores sobrecargas y la desconexión de otros elementos del sistema, incluso plantas de generación. Esto representa un 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Editorial / Ernesto Vázquez Martínez efecto dominó que conlleva a un gran disturbio, que se caracteriza por apagones generalizados en distintos puntos del sistema eléctrico de potencia. La redundancia en la red de transmisión de un sistema eléctrico de potencia se logra principalmente con la construcción de un mayor número de líneas de transmisión de alto voltaje, lo que representa inversiones millonarias. Por ejemplo, la construcción de un kilómetro de línea con un voltaje de distribución de 400,000 volts (el mayor que existe en México) es del orden de los 3 millones de pesos. Esto significa que es muy difícil mantener la capacidad de la red de transmisión, considerando el incremento anual de la demanda eléctrica, que en algunos casos puede ser más del 5%. En México ya han ocurrido grandes disturbios; uno de ellos que afectó todo el Sistema Interconectado Nacional, ocurrió el mes de Marzo de 1990 donde una gran cantidad de usuarios quedaron sin servicio de suministro de energía eléctrica, sumando un total de 3,000 MW. Mas recientemente, han ocurrido otros disturbios de menor magnitud, pero no menos importantes. En 1993 se presentó un apagón en 9 estados del occidente del país; en 1998 se presentó otro apagón generalizado que afectó los estados de Tamaulipas, Nuevo León y parte de Coahuila; de igual forma, en el año 2002 ocurrió un apagón en el sistema eléctrico de la península de Yucatán. Todo esto pone de manifiesto la vulnerabilidad operativa de los sistemas eléctricos de potencia que pueden colapsarse aún por pequeñas fallas o disturbios que se propagan a través de la red eléctrica y que pueden afectar todo el sistema. Para resolver esta situación es necesario que las empresas eléctricas cuenten con planes estratégicos de inversión para mantener actualizada la infraestructura de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica, que permita que el sistema eléctrico opere en forma segura, confiable y económica, en beneficio de los consumidores y del país. Este aspecto es crítico en el caso de los países en vías de desarrollo, como en México, donde la confiabilidad en el suministro de energía eléctrica representa una de las piedras angulares en el desarrollo del país. Considerando los niveles de inversión que se requieren para lograr este objetivo, es factible considerar la apertura del sector eléctrico a la inversión privada, siempre y cuando la operación y control del Sistema Interconectado Nacional permanezca bajo responsabilidad de la CFE, evitando así conflictos de intereses y asegurando el beneficio social para el país. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 5 �Estimación de daño por fatiga mediante mecánica del daño continuo Aplicación a plataformas marinas de acero Alejandro Ruiz Sibaja, Ce Tochtli Méndez Ramírez Facultad de Ingeniería, Universidad Veracruzana. Calle de la Pérgola s/n, Xalapa, Veracruz, 91090, México Tel: 00.52.22.88.42.17.56. Fax: 00.52.22.88.12.06.88 aleruiz@uv.mx Sergio Oller Martínez Universitat Politécnica de Catalunya c/Gran Capitán s/n, Barcelona 08034, España Tel: 00.34.93.401.56.69. Fax: 00.34.93.401.10.48 sergio.oller@upc.es RESUMEN En este trabajo se presenta un nuevo modelo constitutivo para estimar el crecimiento de daño por fatiga en plataformas marinas fijas. El modelo se basa en un tratamiento de la mecánica del daño continuo (MDC). Se muestra la teoría necesaria para evaluar la degradación en la resistencia del material por efecto de la fatiga ocasionada por carga cíclica. La técnica permite reproducir la evolución en el tiempo de la respuesta no lineal de la estructura. Se incluye una aplicación numérica en dos dimensiones para una plataforma fija sometida a carga de oleaje. Se discuten las curvas de evolución de daño y deterioro de la resistencia. PALABRAS CLAVE: Mecánica, daño continuo, fatiga, plataforma. ABSTRACT In this paper a new constitutive model to evaluate the damage growth due to fatigue in fixed offshore platforms is presented. The model is based on a continuum damage mechanics (CDM) treatment. It shows the basic theory to evaluate deterioration in materials strength by fatigue effects caused by cyclic loading. This formulation permits to reproduce temporal evolution of non-linear structural response. Finally, examples are included for a fixed offshore platform subjected to wave load. Damage history and strength deterioration curves are also discussed. KEYWORDS: Mechanics, continuum damage, fatigue, platform. 6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Estimación de daño por fatiga mediante mecánica del daño continuo... / Alejandro Ruiz Sibaja, et al INTRODUCCIÓN Más de un cuarto del petróleo de la Tierra y más del 15% del gas natural se encuentran bajo el mar. La extracción de hidrocarburos desde instalaciones costa afuera ha incrementado las demandas sobre la integridad de las plataformas marinas de acero que se utilizan para tal fin. Particularmente, en el entorno marino, se ha encontrado que es necesario diseñar las estructuras contra un posible daño por fatiga. La naturaleza del daño por fatiga que ocurre en las plataformas marinas de acero tiene su origen en el crecimiento de grietas. Las grietas surgen en las conexiones tubulares porque estas son regiones de alta concentración de esfuerzos y altos esfuerzos residuales. Además en esas zonas es común la presencia de defectos en la soldadura 1,2 . El estudio de fatiga requiere el comprender que este no es un fenómeno asociado al concepto clásico de plasticidad y/o daño y que la rotura de la pieza se produce bajo cargas que están aún en el intervalo elástico del comportamiento del material. 3 La estimación de la vida de fatiga en una estructura es difícil ya que la práctica de la ingeniería convencional se basa en curvas esfuerzo-log(N) y alguna regla de acumulación de daño. Esta aproximación se traduce en el uso de la regla de Palmgren-Miner la cual proporciona información sobre el número de ciclos hasta la falla, Nf, para una Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 amplitud de esfuerzos determinada. Un defecto conocido de este método es el hecho observado de que el daño por fatiga no siempre crece en forma lineal con el número de ciclos aplicados. En su lugar, la parte principal de la vida de servicio puede agotarse sin ninguna manifestación de reducción de la resistencia. De forma que el daño se vuelve evidente y crece en forma visible sólo hacia el final del tiempo de vida útil. Una segunda objeción ocurre cuando se tienen cargas cíclicas con amplitudes variables. En tal situación la regla de PalmgrenMiner pronostica el mismo valor de daño acumulado sin tomar en cuenta el orden de aparición de las diferentes amplitudes, hecho que es contrario a las observaciones experimentales.4 La aproximación alternativa se basa en el crecimiento de la grieta y recurre a la mecánica de la fractura. Esta técnica modela la situación física de forma más cercana y su principal objetivo es encontrar la resistencia residual en un cuerpo en función del tamaño de una grieta existente. Para esto se basa en una medida de la energía liberada, lo que conduce al desarrollo de un criterio de fractura para determinar el crecimiento de la grieta en cuestión. De esto se deduce que este método está limitado a aquellos casos en los cuales se conozcan la orientación y el tamaño de una grieta existente. Además la teoría no está bien desarrollada para el caso tridimensional y carece de una base de datos suficiente que confirme los resultados de pruebas controladas con las condiciones registradas en campo. 5 De lo anterior se desprende la necesidad de desarrollar una aproximación totalmente nueva para la predicción del comportamiento ante fatiga de un material virgen. Esta aproximación deberá ser totalmente independiente de la dimensión límite de la grieta y de los parámetros empíricos que se utilizan para pronosticar el crecimiento de grietas microscópicas. Esta descripción hace pensar que la estructura teórica mecánica de las formulaciones inelásticas continuas, como la plasticidad y el daño, es apropiada para el tratamiento del daño por fatiga sin las limitaciones que presentan las técnicas tradicionales comentadas en los párrafos precedentes. Es así que a continuación se presenta un modelo para estimar el crecimiento de daño por fatiga mediante la 7 �Estimación de daño por fatiga mediante mecánica del daño continuo... / Alejandro Ruiz Sibaja, et al mecánica del daño continuo (MDC) que se ha desarrollado en años recientes en la Universidad Politécnica de Cataluña.6 Tal modelo modifica la ley constitutiva del material y se basa en las propiedades termodinámicas de acumulación de daño con lo cual se abate el grado de empirismo presente en las metodologías descritas en este apartado. Además, el modelo propuesto permite introducir el fenómeno de pérdida de resistencia de los metales producido por los efectos combinados de fatiga, plasticidad y daño. Las expresiones que se muestran en el desarrollo siguiente pueden incluirse, mediante las subrutinas correspondientes, en programas de análisis estructural, de forma tal que la ley constitutiva del material considere el fenómeno de fatiga.6 FORMULACIÓN DEL MODELO DE DAÑO POR FATIGA Se define sólo el caso de fatiga isotérmica sin degradación. El tratamiento que se presenta difiere de aquel introducido por Chaboche,7 pues aquí no se define la evolución de la variable interna de daño en función del número de ciclos. En su lugar, se formula una función que modifica el umbral de discontinuidad (daño), y a través de esta modificación se provoca una evolución implícita de la variable interna de daño. Consiste en introducir el efecto del número de ciclos en la función de daño, exigiendo el cumplimiento simultáneo de las mismas: Sσ (S ij ) − f c (Sij , d )⋅ f red (N , S med , R ) = 0 Sσ (S ij )    − f c (S ij , d ) = 0 ⇒   f red ( N , S med , R)  ( ) ( ) Sσ′ Sij , N , R − f c Sij , d = 0 (1) (2) En la expresión (1) Sσ(Sij ) es el nivel de esfuerzos Sij en un punto del material, fc(Sij ,d) representa la evolución de la resistencia en ese mismo punto, la función fred(N, Smed, R) hace sensible el modelo de daño al fenómeno de fatiga, d es la variable interna de daño, N es el número de ciclos actual, R=Smin/ Smax es el factor de reversión de los esfuerzos y Smed el esfuerzo medio. La función S’σ(Sij , N, R) en la expresión (2) indica el efecto del número de ciclos y 8 del factor de reversión, sobre el estado de esfuerzos en el punto del material. El proceso mecánico descrito por las ecuaciones (1) y (2) permite acoplar fenómenos dependientes o no del tiempo y del número de ciclos. Por lo tanto el camino para alcanzar una determinada resistencia, resulta de la composición de dos rutas definidas en espacios independientes (figura 1). En la figura 1 también se observa esquemáticamente la evolución de la variable de daño global. S σ= S σ(K,fc,f red) ruta 1 ruta 2 evolución de la variable global de daño N q=q(d) Fig. 1. Distintas rutas para converger a un punto del espacio de esfuerzo equivalente. Curvas de Wöhler Las curvas de Wöhler (Figura 2), representan en ordenadas los valores de esfuerzo y en abscisas el número de ciclos necesarios para romper una pieza. De esta manera, se establece la relación de pérdida de resistencia en función del número de ciclos de carga. Después de varios millones de ciclos de carga la curva S – N se vuelve prácticamente horizontal. 8 La caracterización de la carga se realiza mediante su período T, su relación de amplitudes ∆S = Smax– Smin y su relación de reversión R = Smin / Smax. S max S 0f Sf Slim (R = -1) NF Nlim ≈10 7 Fig. 2. Curva de Wöhler y resistencia máxima en un punto. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Estimación de daño por fatiga mediante mecánica del daño continuo... / Alejandro Ruiz Sibaja, et al S lim R  1 = S of  +   1. 26 3. 3  (3) a través de una evolución de la resistencia máxima de la forma 9 : ( S max = S f0 exp − A (log N )α ) (4) 8000 7500 7000 (kg/cm2) Particularización de la función de reducción f r e d (N, Sm e d , R) para el acero A517 Es necesario deducir previamente las expresiones analíticas para las curvas de Wöhler. En el estado virgen (N = 0 ciclos), la resistencia es Smax = S0 f, y a su vez esta corresponde al umbral de resistencia instantáneo para un problema no cíclico. Se propone que cuando N → ∞ se alcanza el límite de resistencia a la fatiga: 8500 6500 esfuerzo máximo Las curvas de Wöhler permiten determinar la función f red(N, Smed, R) de disminución de resistencia por fatiga 6 . De la definición básica de estas curvas se observa que puede ocurrir una disminución de resistencia del material, aún para puntos del sólido sometidos a cargas por debajo del límite elástico. Se denomina NF al número de ciclos que necesita un punto del sólido sometido a un esfuerzo Sf, para alcanzar el umbral del comportamiento elástico. 5500 R=-1.0 simulación 5000 R=0.0 experimental R=0.0 experimental 6000 R=-0.5 experimental 4500 4000 0 2 4 ( 1 R  α 0 Slim = S 0f  +  = S f exp − A (log N )  1.26 3.3  R   1 ln  +  1.26 3.3  → A=−  7α ) (5) Para ajustar las curvas de Wöhler se adopta α = 4( 22R ) tal como recomiendan Suero y Oller. 9 Al graficar las expresiones (3), (4) y (5) se obtienen las curvas que se muestran en la figura 3. Se observa que la simulación numérica ofrece una buena reproducción de los datos experimentales.6,9 Los resultados obtenidos a partir de las expresiones para las curvas de Wöhler, ecuaciones (3), (4) y (5), se pueden tomar como base para definir las curvas de evolución de la resistencia límite a la Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 8 ciclos de carga (log N) Fig. 3. Simulación numérica de las curvas de Wöhler. fatiga para el acero sometido a la acción de carga cíclica. Es así que resultan las siguientes aproximaciones6 : S f (N = 0 ) = S 0f (6) en donde: ( S f (N < N F ) = S 0f exp − B1 (log N ) β ) = S 0f f red ( N , Smed , R ) > S max ( N ) S f (N = N F )= S 0 f (7) ( exp − A (log N 7 Imponiendo Slim = Smax (N=N lim=10 ), se obtiene el límite de resistencia a la fatiga: 6 )α ) (8) ( S f (N F ≤ N ≤ Nlim ) = S f = S 0f exp − B1 (log N ) β = S 0f f red (N , S med , R ) (9) ( S f (N ≥ N lim ) = S f = S 0f exp − B2 (log N ) = S 0f f red ( N , S med , R) B1 = −  S apli ln  0  Sf     (log N F ) β , B2 =− ) β ) (10) S ln  lim 0  Sf ( 7) β     (11) 1/ α   S apli          ln  0     Sf      β = 4 2 2R ⋅C , N F = log−17    ln  1 + R     1.26 3.3   (12)     ( ) 9 �Estimación de daño por fatiga mediante mecánica del daño continuo... / Alejandro Ruiz Sibaja, et al En estas expresiones Sapli representa el nivel de esfuerzo aplicado en el punto de análisis. Las ecuaciones (6) a (12) se utilizaron para escribir una subrutina en lenguaje Fortran. 6 Esta subrutina se incorporó en un programa de análisis estructural10 para modificar su ley constitutiva de forma tal que se considere el fenómeno de fatiga de acuerdo con el modelo presentado en este trabajo. 2 5 4 4 3 3 1 D 2 1 t 2 secciones de integración APLICACIÓN NUMÉRICA Se considera una estructura típica de plataforma marina de acero (figura 4). El sistema cuenta con elementos tubulares estructurados en forma de torre. La plataforma tiene una altura de 42.50 m y está desplantada en una profundidad de agua de 37.50 m. Los elementos tubulares constituyen las dos piernas y un sistema de arriostramientos en “K”. Algunas características geométricas de los elementos estructurales se indican en la figura 4. Elemento D (cm) tw (cm) Arriostramiento Arriostramiento Arriostramiento Arriostramiento Arriostramiento Arriostramiento Pierna Pierna Pierna Pierna 60.960 60.960 66.040 66.040 76.200 76.200 154.940 154.940 154.940 154.940 1.270 2.540 1.270 1.588 1.588 2.220 3.490 1.588 3.175 1.905 Fig. 4. Modelo de análisis de plataforma marina de acero. La estructura se discretizó en 42 elementos vigatubo, con tres grados de libertad por nodo, y dos elementos masa con dos grados de libertad, esto hace un total de 44 elementos (figura 3). Los elementos viga-tubo de tres nodos consideran dos puntos de integración de Gauss. Cada uno de estos elementos tiene cinco secciones de integración (figura 5). Se usaron dos masas concentradas para reproducir los pesos de la cubierta y del equipo industrial. El modelo dinámico de la torre constó de 73 nodos. La longitud característica promedio de los elementos viga-tubo resultó de 377.00 cm. El estado del material se revisó en los puntos de integración de Gauss de cada barra y se consideró que el sistema está empotrado en el lecho marino. Se usaron las 10 1 × i 2 j × k elemento cuadrático de 3 nodos con dos puntos de integración Fig. 5. Elemento tubo cuadrático de 3 nodos en el plano. siguientes propiedades físicas del material: Es = 2.1 × 106 kg/cm2 , σ0 s = 2500.00 kg/cm2 , νs = 0.29, ρ s = 7.5 × 10-5 kg/cm3 . El peso total de la torre fue de 7.4556 × 106 kg, sin incluir pilotes y conductores. Este peso se concentró en la cubierta superior de la estructura. Las fuerzas de oleaje se modelaron según la ecuación de Morison11,12 . Los coeficientes de Morison que se utilizaron son C m = 1.05 y C D = 1.20. Conviene mencionar que el efecto de cargas secuenciales de oleaje sobre la vida por fatiga de las plataformas marinas de acero es un área de creciente interés en el cálculo de estos sistemas. Esto se debe a que el oleaje es una combinación de cargas de amplitud y período variables. En pruebas controladas de laboratorio se ha demostrado que las magnitudes relativas y el número de ciclos de aplicación de la carga, son variables importantes del problema 1,2,4,13. Por este motivo se consideró la acción de una secuencia de cargas de oleaje tal que, durante un período de dos meses, se aplicó a la plataforma una ola con altura H = 100 cm, longitud L = 3903.23 cm y período T = 5.0 s. Después de este lapso de tiempo se aplicó, durante 10 meses, una ola con altura H = 100 cm, longitud L = 2498.10 cm y período T = 4.0 s. A partir de ese momento se continuó con la acción de los máximos de la carga a fin de reproducir los efectos de la misma durante un intervalo de análisis de 25 años que es la vida útil de este tipo de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �2 resistencia (kg/cm estructuras. El uso de los valores extremos del proceso de carga de oleaje se justifica porque el curso de acción entre extremos consecutivos no se considera importante.13 Esto hace posible el uso de un algoritmo rápido de cálculo de fatiga basado en la mecánica del daño continuo. 6 La aplicación de la secuencia de cargas de oleaje, durante 25 años, originó la degradación en los arriostramientos del nivel más inferior de la plataforma, elementos 29, 30 y 32 del modelo de análisis. En la figura 6 se indican el nivel de daño y la fracción de la resistencia original al cabo de 25 años de carga de oleaje. ) Estimación de daño por fatiga mediante mecánica del daño continuo... / Alejandro Ruiz Sibaja, et al tiempo (s) daño Fig. 7. Evolución de la resistencia por daño y fatiga. d = 0.66; 0 . 3 4σ 0s Fig. 6. Degradación en los arriostramientos del nivel más inferior. Al mismo tiempo ayuda a fijar directrices sobre las acciones necesarias para prolongar su vida útil. De igual manera, estas curvas pueden utilizarse desde la etapa de concepción de la estructura pues permiten la evaluación de diferentes geometrías y combinaciones de carga. Esto proporciona una herramienta analítica para llevar a cabo estudios paramétricos que sirven de base para el desarrollo de recomendaciones de diseño. En la figura 7, se muestra la evolución de la resistencia por daño y fatiga en estos arriostramientos. Se observa el carácter tridimensional de la curva como consecuencia del acoplamiento entre los fenómenos de daño y fatiga. Del análisis de esta superficie se concluye que el elemento más afectado por la secuencia de cargas de oleaje es el elemento 30 pues en él se alcanza un valor máximo de daño de 0.72 (siendo 1.00 el daño total en la pieza) y una disminución de la resistencia de hasta 28% respecto de su valor original. La utilidad de las curvas del tipo de la figura 7 radica en que pueden incorporarse en una estrategia de inspección y reparación de la estructura. En este sentido la revisión de la resistencia residual de la plataforma marina permite establecer si se ajusta o no a los requisitos de diseño con que fue concebida. CONCLUSIONES Se ha presentado un modelo analítico, basado en la mecánica del daño continuo, para determinar la evolución de la resistencia del material en estructuras sometidas a carga cíclica. El modelo se ha particularizado para el caso del acero y la aplicación se ha realizado en plataformas marinas sometidas a carga de oleaje. Las ecuaciones mostradas permiten modificar la ley constitutiva del material e incluir este comportamiento dentro de programas de análisis estructural. Los resultados conseguidos en la aplicación permiten obtener gráficas de evolución de la resistencia por daño y fatiga que pueden utilizarse tanto para fines de revisión de una estructura construida como para propósitos de diseño de una estructura a proyectar. d = 0.29; 0 0 . 7 1σ s d = 0.72; 0 0 . 2 8σ s 32 29 30 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 11 �Estimación de daño por fatiga mediante mecánica del daño continuo... / Alejandro Ruiz Sibaja, et al Es necesario realizar una calibración más amplia del modelo presentado aquí para justificar su generalización. Sin embargo los resultados mostrados en este y otros trabajos 6,14 indican que el colapso progresivo por fatiga de la estructura está gobernado por el colapso de sus componentes próximas al fondo del mar y esta situación controla la capacidad resistente de la plataforma marina ante la acción del oleaje. En síntesis, la plataforma marina se comporta de manera semejante a una viga empotrada cuya sección más débil está próxima al sitio de empotre. Este es el comportamiento que se observa con frecuencia en plataformas marinas fijas.6,14 REFERENCIAS 1. Byers, W. G., Marley, M. J., Mohammadi, J., Nielsen, R. J., and Sarkani, S. (1997), “Fatigue Reliability Reassessment Applications: State of the Art Paper”, Journal of Structural Engineering ASCE, 123(3):277-285. 12 2. Dover, W. D. (1991), “Chapter 15: Fatigue Behaviour of Offshore Structures”, Volume II of “Offshore Structures”, Krieger Publishing Co. 3. Dowling, N. E. (1999), “Mechanical Behavior of Materials”, Prentice-Hall. 4. Kutt, T. V. and Bieniek, M. P. (1998), “Cumulative Damage and Fatigue Life Prediction”, AIAA Journal, 26(2):213-219. 5. Jubran, J. S. and Cofer, W. F. (1991), “Ultimate Strength Analysis of Structural Components Using the Continuum Damage Mechanics Approach”, Computers & Structures, 39(6):741-752. 6. 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La robustez del modelo y su implantación, está determinada por una cultura organizacional que permita un sistema de incentivos robusto, que valore e incremente las competencias del personal y, que motive y desarrolle el compromiso del personal para alcanzar los logros negociados. PALABRAS CLAVE Activos de conocimiento, activos intangibles, activos intelectuales, administración del conocimiento, capital humano, capital intelectual, tecnología. ABSTRACT The successful implementation of an intangible assets evaluation model starts with the model’s objective definition, followed by the identification of the organizational levels, the related specific activities and, finally the effective indicators definition to measure the achievements planned. The model’s strength and its implementation is determined by an organizational culture, which must allows a strength incentive system for the employees, to value and increase the personal competences, and to motivate and create commitment in employees to reach the negotiated goals. KEYWORDS Intangible assets, knowledge capital, intelectual capital, knowledge management, technology. En el número 20 de INGENIERÍAS se publicó la primera parte de este artículo. INTRODUCCIÓN Inicialmente es de gran ayuda contestar la pregunta ¿Por qué queremos evaluar los activos intangibles? La respuesta puede ser para conocer su valor agregado o para ver su alineación con la misión y objetivos de la organización. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 13 �La evaluación de Activos Intangibles. Parte II. Implantación / Miguel A. Palomo González Si enfocamos el modelo hacia evaluar el valor agregado de los activos intangibles, un primer paso sería calcular el valor agregado generado para el negocio y una manera simple es por medio de la diferencia entre ventas (V) menos los costos variables (CV). Entonces la pregunta siguiente puede ser ¿Cómo podemos aumentar el valor agregado? y/ o ¿Cuáles son los activos intangibles que tienen mayor impacto en el incremento del valor agregado?, es decir, aparte de los activos tangibles, identificar los activos intangibles que más contribuyen al valor agregado del negocio con el fin de iniciar la administración de los activos intangibles (mantener e incrementar su valor agregado). EVALUAR EL VALOR AGREGADO DE LOS ACTIVOS INTANGIBLES A NIVEL NEGOCIO La tendencia natural de la dirección general es hacia medir el valor agregado (VA) de los activos intangibles (AI) (considerando implícita la alineación con la misión, estrategia y objetivos del negocio, aunque no necesariamente sea cierto) pero, a cada nivel de la organización, debemos distinguir dos categorías generales de actividades específicas, las actividades medulares relacionadas con los productos y servicios, y las actividades de soporte que indirectamente se relacionan con los productos y servicios. Las actividades medulares pueden ser evaluadas con proyectos de valor agregado o contribución monetaria; sin embargo, las actividades de soporte por su naturaleza, sólo pueden ser evaluadas monetariamente si tienen proyectos de valor agregado asignados, es decir, además de las actividades rutinarias, se deben definir proyectos de soporte de valor agregado (al igual que en las actividades medulares). Sólo así podemos asegurar que el modelo de evaluación de activos intangibles monetario tenga actividades específicas con proyectos orientados a medir el VA del negocio. Siguiendo la línea de que nos interesa el VA y nos concentramos en los productos y servicios medulares del negocio, el siguiente paso sería identificar en cada nivel de la organización, dirección, gerencias y jefaturas, aquellas actividades específicas ligadas a los procesos medulares que determinan el éxito de los productos y servicios del negocio. 14 ACTIVIDADES MEDULARES Los procesos y actividades medulares están relacionados con el concepto de administrar la cadena de valor. Cuando hablamos de administrar la cadena de valor, el primer pensamiento es la reducción de costos, con un enfoque interno al proceso. Sin embargo la reducción de costos no debe ser el objetivo principal, es una consecuencia de los proyectos de VA. Los proyectos de VA deben administrar y mejorar los recursos necesarios para entregar el producto o servicio de acuerdo a las necesidades del cliente, es decir, con un enfoque hacia el mercado. Entonces, la parte importante es implantar indicadores para medir que la cadena de valor sea eficiente, competitiva en costo y que entregue productos y servicios de acuerdo a la calidad y valor esperado para el consumidor. 14 Las actividades específicas van desde actividades relacionadas con los proveedores, recepción de insumos, manufactura, empaque, distribución y servicio al cliente. Dichas actividades deben ser medibles para implantar su mejora y aumentar su VA. A continuación presentamos algunos ejemplos de indicadores en las principales etapas, con el entendido de que cada negocio u organización deberá identificar los indicadores relevantes para ser competitivo en su mercado y ante su competencia. La selección y desarrollo de proveedores deberá estar basada en indicadores que aseguren un nivel de precios, tiempos de entrega y procedimientos de pagos y recepción de insumos. Los indicadores tendrán como fin monitorear y asegurar las relaciones cliente-proveedor. La manufactura o producción del producto o servicio deberá desarrollar indicadores de calidad, de volumen de producción, y productividad laboral. A nivel de distribución, nos interesa indicadores que permitan la coordinación entre órdenes de compra, almacenes, entrega (LAB), y procedimientos de facturación. Finalmente, el servicio al cliente deberá monitorear los rechazos del cliente y material no conforme, productos o embarques que rebasan la cantidad del pedido, y las quejas del cliente por el servicio del negocio. Visto así, el fin de los proyectos medulares de la cadena de valor aparenta ser el de mantener el volumen de ventas de los clientes actuales, pero su Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �La evaluación de Activos Intangibles. Parte II. Implantación / Miguel A. Palomo González objetivo primario debe ser el de aumentar el volumen de ventas y la contribución marginal por medio de nuevos clientes o nuevos mercados (no alcanzados hasta este momento con los productos y servicios actuales) y desarrollar los indicadores de VA apropiados para el negocio. El alcance de los Proyectos Medulares es lograr la estandarización de los procesos y optimizarlos gracias al expertise del personal. En este caso, los indicadores de medición pueden agruparse en 5 familias: calidad, ciclo de proceso, recursos utilizados, tiempos de entrega, costo, y productividad. 15 Cada familia de indicadores deberá ser aplicada a los niveles definidos por el negocio, dirección, gerencia, jefaturas y personal de primer nivel. Como ejemplo, los indicadores de dirección serían el incremento en unidades de ventas y su contribución marginal por producto; mientras que para el personal de primer nivel, la reducción del desperdicio y número de piezas rechazadas serían indicadores relevantes. Dímos por sentado que los productos y servicios corresponden a la misión y objetivos del negocio, definidos así durante la planeación estratégica del negocio. Al no haber una planeación estratégica formal, corremos el riesgo de empezar a medir y evaluar actividades específicas que no son relevantes para el negocio y su posible “valor agregado” no es reflejado en un incremento del beneficio significativo para el negocio. ACTIVIDADES DE SOPORTE En el caso de las actividades de soporte, lo más relevante son sus proyectos asociados al mercado, con impacto en el incremento del volumen de ventas en clientes actuales, desarrollo de nuevos clientes, o desarrollo de nuevos mercados y de nuevos productos/servicios (lo que implica también un aumento en el volumen de ventas). En este caso el desarrollo de las marcas y patentes son un ejemplo de proyectos de soporte con indicadores de evaluación, si tomamos en cuenta que los dos AI están protegiendo el producto/servicio, el mercado y/o el mercado potencial, según sea el caso. En el caso de las marcas, de la categoría propiedad intelectual, su evaluación como AI presenta ciertas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 características que debemos tomar en cuenta para determinar su contribución al beneficio. Por ejemplo, de una manera simple nos interesa el diferencial en VA con marca y sin marca, es una especie de benchmarking para determinar su VA, el problema es ¿contra quién comparamos? y ¿con qué datos se debe realizar el benchmarking?. Si queremos profundizar, a este análisis le debemos agregar el enfoque del consumidor, con indicadores como “la percepción del consumidor del valor de la marca”, entendida como lo que está dispuesto a pagar un consumidor por esta marca y no por otra marca de productos/servicios substitutos o no; también estaría asociado a “la lealtad del consumidor” y la “imagen de la marca en el consumidor”, entre otros, para poder evaluar la contribución marginal de la marca al VA del negocio. 16 Los estudios de “percepción”, “lealtad”, o “imagen” de la marca, difícilmente tendrían una validez estadística por la representatividad de la muestra (n) y por el nivel cultural del consumidor mexicano, que no está educado para contestar este tipos de estudios o para participar en clínicas de consumidores. El intento por realizar un estudio con validez estadística sería oneroso, consumiría tiempo y recursos para obtener resultados con una interpretación pobre. Además, debemos evaluar el mercado potencial o cobertura del mercado de la marca. El principal problema en nuestro país es la falta de estadísticas del mercado para tener un estudio de mercado confiable. El mercado mexicano está atomizado o concentrado y los números de base están a nivel agregado de la industria, sin reflejar los gustos y deseos no-satisfechos de los consumidores finales. 15 �La evaluación de Activos Intangibles. Parte II. Implantación / Miguel A. Palomo González Las técnicas con enfoque al consumidor están desarrolladas para el primer mundo y, en el mercado mexicano, segmentar el mercado y cuantificarlo es un ejercicio complicado. Sin embargo, cuando no se tiene la información pertinente por parte del consumidor, la técnica de valor presente neto con descuento es bastante confiable para la evaluación de un proyecto de soporte de marca. Las patentes es otro ejemplo de AI de propiedad intelectual, en donde el proyecto de soporte está ligado al mercado y debe estar asociado a las ventas adicionales y su contribución marginal, en productos actuales y nuevos. En este caso, se presenta la dificultad de evaluar la cobertura de los nuevos clientes y su volumen de ventas potenciales. Como se indicó antes, el problema es tener estadísticas confiables sobre el mercado y necesidades no-satisfechas de los consumidores que sean cubiertas con las patentes a desarrollar. Para un proyecto de soporte de patentes, como para la mayoría de los proyectos de soporte, el ROI o rentabilidad sobre la inversión sería la técnica más apropiada.17 Internamente esto presupone un plan tecnológico en el negocio, así como una cultura de innovación y de liderazgo tecnológico. COMPETENCIAS DEL PERSONAL Como mencionamos anteriormente, las evaluaciones de los proyectos medulares de VA se orientan principalmente hacia la estandarización y optimización de la cadena de valor, están bajo control interno del negocio y su contribución se enfoca en el cliente actual, en volumen de ventas, y en clientes nuevos hasta ahora no alcanzados. Dichos objetivos de VA y sus indicadores no serán alcanzados sin un personal competente con un expertise o saber-hacer (Know-How) sobre las materias primas, el proceso, el empaque, los canales de distribución, y el conocimiento de los clientes y los mercados que sirve el negocio. En el caso de los proyectos de marcas, el expertise o saber-hacer es sobre los productos, servicios, los clientes y mercados. Y lo mismo ocurre en el caso de proyectos de patentes, el personal debe tener 16 un expertise o saber-hacer sobre los conceptos de innovación y desarrollo de tecnología, además de los conocimientos de mercados. Sin lugar a dudas, la evaluación de competencias del personal es el factor clave del éxito del modelo de evaluación de los activos intangibles, mas que definir los indicadores y sus logros esperados por nivel.18 Paradójicamente, la evaluación de las competencias del personal es el factor que menos énfasis se le dá en la literatura y se presenta como implícito en el modelo de evaluación de los AI (lo cual no significa que no esté presente en la mente del personal). Probablemente porque implica definir un sistema de incentivos agresivo de acuerdo a los objetivos y los resultados esperados, y que deben ser negociados con el personal responsable de los proyectos de valor agregado de las actividades medulares y de soporte. El hecho es que un sistema de incentivos poco agresivo puede ser percibido como que el negocio tiene poco interés por lograr los objetivos y una pobre valoración del expertise del personal, lo que repercutirá en una pobre motivación y compromiso personal. Este punto está ligado a la cultura de la organización, el desarrollo de habilidades estratégicas y remuneración por arriba del promedio de la Industria. Un indicador base puede ser la rotación del personal clave y la falta de una medición de la alineación de los objetivos de la organización con los objetivos del personal. Los indicadores para evaluar las competencias del personal pueden ser, el nivel de preparación del personal clave del negocio, correlacionado con los años de antigüedad, los cursos especializados de actualización (no confundir con los seminarios de calidad orientados a la cultura de calidad), el nivel de remuneración con relación a otros negocios de la industria, y el monto financiero acumulado por ahorros en proyectos anteriores, entre otros. Por otra parte, en la implantación de los indicadores de competencias del personal, la raíz de las dificultades se encuentra en nuestra cultura diaria, la cuál está orientada a utilizar un lenguaje hablado y escrito con adverbios, pronombres plurales, impersonal y sin números (ejem: el discurso político mexicano), porque no se tienen las cantidades y Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �La evaluación de Activos Intangibles. Parte II. Implantación / Miguel A. Palomo González números o probablemente porque si se dicen compromete a la persona y su credibilidad profesional. Considerando el contexto del mercado global del negocio, la falta de variables cuantitativas, estadísticas por segmento, y la credibilidad pobre de la fuente de información, forman un lastre para identificar y definir apropiadamente las variables competititivas del negocio u organización mexicana. Sin embargo, a la dirección general le interesan las cantidades y los números, no las palabras. El análisis se centró sobre un modelo de medición de AI con el fin de evaluar su VA monetario, pero es posible que en el caso de actividades de soporte el desarrollo de indicadores de desempeño sea también apropiado, lo cual nos sugiere implantar un modelo híbrido de evaluación que combine proyectos de VA y actividades específicas de soporte con un enfoque a la alineación con la estrategia, misión y objetivos del negocio. Es claro que los indicadores de medición presentados, para evaluar los activos intangibles, son solo un ejemplo. Reconocemos que cada negocio u organización presenta restricciones propias a su mercado y competencia, y que los indicadores desarrollados deberán ser de acuerdo a su realidad competitiva. Sin embargo, cualquiera que sea el caso, podemos mencionar la arquitectura para un modelo de evaluación de activos intangibles (fig. 1) y algunos principios generales para aplicar a actividades medulares y de soporte de los productos/servicios: • Mida lo que está relacionado con los productos, servicios, y expectativas de los clientes. • Defina indicadores de desempeño no-monetarios para las actividades de soporte de acuerdo a la estrategia, misión, y objetivos del negocio. • No puede mejorar lo que no se puede medir, • Los indicadores y logros de valor agregado deberán ser negociados con el personal. • Defina un sistema de incentivos que realmente motive y cree el compromiso personal, para alcanzar los logros esperados. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 Objetivo del Modelo: Mediciones Niveles: - Direcciones - Gerencias - Jefaturas - Primer Nivel - Valor agregado. - Contribución a la misión. Logros Actividades: - Medulares - Soporte Indicadores: - Monetario - Desempeño Competencias del Personal Fig. 1. Arquitectura del Modelo de Evaluación de Activos Intangibles. • Los activos pueden contribuir a la rentabilidad del negocio, pero no todos los activos contribuyen a crear una ventaja competitiva. • No mida lo que no es útil o no sirve. • Puede implantar un modelo híbrido, con la condición de estar consciente de que es eso “un híbrido”, y • La implantación de un sistema de incentivos robusto está correlacionada con la cultura organizacional del negocio u organización. REFERENCIAS 14. “The ABC´s of SCM”. Christopher Koch. SCMRC-CIO. July 23, 2003, 6 p. www.cio.com 15. “Performance measurement”. Jerry L. Harbour, productivity press, 1997) 16. “Leap of faith: Branding and ROI”. William Trombetta. Pharmaceutical executive, Oct. 2001, 6p. 17. “Markets in intangibles”. Feng Gu and Baruch Lev. Boston University & NY University, May 2001, 33 p.) http://pages.stern.nyu.edu/~blev/ 18. Sveiby (Karl-Erik), op. cit. www.sveiby.com 17 �Efectos de la composición del gas-oil sobre las emisiones contaminantes Vicente R. Bermúdez Tamarit CMT-Motores Térmicos, Universidad Politécnica de Valencia Camino de Vera, s/n, CP. 46022, Valencia, España Teléfono: (34) 963877650. Fax: (34) 963877659 bermudez@mot.upv.es Simón Martínez Martínez FIME-UANL. Apdo. Postal 076 Suc F, CP. 64450, San Nicolás, N.L., México Teléfono: (52) 81-83294020. Fax: (52) 81-83320904 simartin@mot.upv.es 140 mm RESUMEN Un estudio experimental fue realizado con un motor Diesel de inyección directa (ID) empleando diferentes combustibles. La evaluación de la influencia de la composición del diesel sobre las emisiones se realizó en diferentes condiciones de carga y regímenes de giro, con el objetivo de determinar el efecto del contenido de compuestos aromáticos del diesel sobre las emisiones contaminantes. El trabajo se dirigió fundamentalmente a la caracterización de partículas, emisión de contaminantes, óxidos de nitrógeno e hidrocarburos sin quemar. Los resultados obtenidos ayudan a definir la formulación del combustible más apropiada para reducir emisiones contaminantes. PALABRAS CLAVE Inyección directa, motor encendido por compresión, detector de ionización de flama por medio de hidrógeno, analizador de quimiluminiscencia, analizador no dispersivo en infrarrojo. ABSTRACT An experimental study was made in a direct injection (DI) Diesel engine using different fuels. The evaluation of the influence of the diesel composition over the pollutant emissions was made in different load conditions and engine speeds with the objective to fix the effect of the fuel aromatic content on the emissions. The aim was to conduct a characterization of particules, nitrogen oxides, soot and unburned hydrocarbons. The results help to define the most appropriate fuel formulation to reduce pollutant emissions. KEYWORDS Direct injection, compression ignited engine, flame ionization by hydrogen detector, chemiluminiscence analyzer, nondispersivo infrared analyzer. 18 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Efectos de la composición del gas-oil sobre las emisiones contaminantes / Vicente R. Bermúdez Tamarit, et al NOMENCLATURA MEC = Motor encendido por compresión. ID/DI = Inyección directa. IDI = Inyección indirecta. EGR = Recirculación de gases de escape. F = Dosado. m = Masa. SUBÍNDICES f = Combustible. a = Aire. e = Estequiométrico. R= Relativo INTRODUCCIÓN Desde la última década del siglo XX, las normativas de emisiones contaminantes impuestas a los vehículos de automoción han sido cada vez más restrictivas,1 de esta forma se presiona a los fabricantes de motores para que construyan máquinas más eficientes y menos agresivas con el medio ambiente. En el caso de los motores encendidos por compresión (MEC), las emisiones contaminantes más problemáticas se centran, por un lado, en la emisión de humos y partículas, y por otro, en la concentración de óxidos de nitrógeno (NOx) e hidrocarburos sin quemar (THC). Lo anterior ha llevado a establecer normas de emisión de contaminantes cada vez más estrictas (tabla I) para proteger el medio ambiente, además de ser un parámetro base para la economía del área de automoción. El combustible utilizado en los MEC es uno de los principales responsables de las emisiones contaminantes de estos motores, ya que sus propiedades físicas y su formulación química repercuten en el proceso de mezclado, condicionando 2 y 3 las reacciones químicas de la combustión. Atendiendo a esta premisa, el presente trabajo ha tenido como principal objetivo, obtener la cuantificación de las emisiones producidas por un motor Diesel de inyección directa, funcionando con combustibles diesel de diferente formulación química. El estudio fundamentalmente se dirigió a determinar la relación entre el contenido de hidrocarburos aromáticos del diesel y las emisiones de humos, óxidos de nitrógeno e hidrocarburos sin quemar. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 Tabla I. Normativas europeas de emisiones contaminantes para vehículos ligeros (Directiva 1999/96/CE). Tipo de emisión EURO IV (2004) EURO II (1996) EURO III (1999) NOx + THC 0,90 g/km 0,56 g/km 0,30 g/km Partículas 0,05 g/km 0,025 g/km 0,10 g/km TRABAJO EXPERIMENTAL Para realizar el estudio experimental, se instaló el motor en un banco de ensayos dotado de sistemas e instrumentos que permitían controlar, tanto su punto de operación como la determinación de su desempeño. Se eligió un motor diesel de inyección directa, representativo de los modernos motores de encendido por compresión actualmente utilizados en los automóviles europeos. En la tabla II se muestran las características técnicas de este motor. SISTEMA DE MUESTREO DE EMISIONES El motor fue instalado en una sala de ensayos, que además de estar equipada con los sistemas de control mencionados en el apartado anterior, también cuenta con dispositivos de medida de emisiones gaseosas, tales como: H.F.I.D . (Detector de Ionización de Flama por medio de Hidrógeno), C.L.A . (Analizador de quimiluminiscencia) y N.D.I.R . (Analizador no dispersivo en Infrarrojo), Tabla II. Especificaciones del motor. Tipo de motor Turbo diesel-inyección directa Cilindrada 1900 cm3 No. de cilindros 4 Diámetro/carrera 80/90 mm Relación de comprensión 18,3 Potencia/régimen de giro 70 kW/4500 min -1 Par/régimen de giro 190 Nm/2000 min-1 19 �Efectos de la composición del gas-oil sobre las emisiones contaminantes / Vicente R. Bermúdez Tamarit, et al una sonda de dilución para el muestreo de partículas, tal como se muestra en la figura 1, y un sistema de4 recolección de partículas basado en ciclones, diseñados y construidos especialmente para este estudio, en la figura 2A se muestra el sistema de ciclones utilizado durante la sesión experimental. El principio de funcionamiento de los ciclones se basa en el efecto que la fuerza centrífuga ejerce sobre las partículas. Como se aprecia en la figura 2B, se obliga a los gases a entrar a través de un tubo tangencial, describiendo una trayectoria tangencial, lo que hace que las partículas se depositen en el fondo mientras los gases salen por el tubo superior que se encuentra en el interior del cilindro. Debido a que la eficiencia en la recolección de este sistema de partículas se reduce a partículas con diámetro superior a las 5 µm, el tubo de salida de los gases tiene en su extremo inferior una rejilla que hace las veces de filtro. Su misión es atrapar las partículas de tamaño pequeño y servir de separador entre el tubo de salida y el cilindro. De este modo, se impide que las partículas queden suspendidas sin depositarse en el cono colector debido a las turbulencias creadas por la trayectoria de los gases. El muestreo de partículas se llevó a cabo utilizando una tasa de dilución (relación del caudal de gases de escape de la muestra Vs el caudal de aire utilizado para la dilución del total de la muestra) de 3.3 y un tiempo de muestreo de 180 segundos. Los filtros de la sonda de dilución se acondicionaron en una cámara climática a 22 ºC y 45 % de humedad, antes y después de ser utilizados en la sonda de 140 mm Fig. 2A. Ciclones utilizado en la sesión experimental. Trayectoria de los gases de escape en el interior del ciclón Trayectoria de las partículas Fig. 2B. Esquema de funcionamiento del ciclón recolector de partículas. muestreo. El pesado de estos filtros se realizó con una balanza analítica con una resolución de 0.01 mg. Fig. 1. Sonda de dilución y muestreo 20 PROPIEDADES FÍSICOQUÍMICAS DE LOS COMBUSTIBLES Se emplearon 4 combustibles, tres diesel de igual formulación base y diferente concentración de hidrocarburos aromáticos (5%, 15% y 25 % de aromáticos) y un diesel comercial. (tabla III). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Efectos de la composición del gas-oil sobre las emisiones contaminantes / Vicente R. Bermúdez Tamarit, et al Tabla III. Características físico-químicas de los combustibles. Tipo de combustible Estándar 5% 15% 25% (Refere- Aromáti- Aromáti- Aromátincia) cos cos cos Aromáticos (%v) 30 4.3 14.2 24.4 Densidad a 15 ºC (kg/m3) 847.4 819.3 827.8 821.6 Temperatura del 95% de destilado (ºC) 360 318 311 317 Viscosidad (mm2/s) 2.64 2.2 2.34 2.01 0.0434 0.0043 0.0042 0.0047 Azufre (%m) Tabla IV. Condiciones de funcionamiento para cada combustible. Número de Cetano 49 51.8 50.7 Regímenes de funcionamiento 100 1 2 3 60 40 4 20 0 1250 2000 2250 Tipo de combustible Punto de Carga funciona(%) miento % de EGR Dosado relativo 5% de aromáticos 1 2 3 4 100 100 75 25 0.0 0.0 0.0 26.26 0.659 0.483 0.485 0.528 15% de aromáticos 1 2 3 4 100 100 75 25 0.0 0.01 0.0 33.19 0.754 0.537 0.536 0.608 25% de aromáticos 1 2 3 4 100 100 75 25 0.0 0.0 0.0 0.0 0.678 0.490 0.507 0.548 30% de aromáticos 1 1 1 1 100 100 75 25 0.0 0.0 0.0 32.7 0.733 0.524 0.515 0.618 54 CONDICIONES DE OPERACIÓN DEL MOTOR Para la caracterización del comportamiento de los combustibles en el motor, se evaluaron 4 regímenes de trabajo que abarcaran el funcionamiento global de un motor de automoción. 5 En la figura 3 se pueden apreciar las condiciones de carga y régimen de giro de cada modo de operación seleccionado. Después de analizar el comportamiento del motor en cada régimen, se decidió realizar el estudio de los cuatro combustibles para los diferentes modos “1 80 y 2” (plena carga 1250 y 4000 rpm respectivamente) y “3 y 4” (carga parcial 2000 y 2250 rpm respectivamente), siendo éstos los modos representativos de régimen de giro con mayor cantidad de emisiones contaminantes, en la Tabla IV se presentan el contenido de recirculación de gases de escape (EGR) y el dosado relativo (FR) para cada combustible y punto de funcionamiento. FR=F/Fe (1) F=mf /ma (2) Fe=(mf /ma)e (3) 4000 rpm Fig. 3. Regímenes de carga y velocidad. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 RESULTADOS Las emisiones contaminantes producidas por los motores Diesel pueden estar condicionadas por diferentes parámetros, en los experimentos que se presentan en este trabajo sólo se han modificado las propiedades físicas y la composición química del combustible, así como las condiciones de operación del motor (carga, régimen de giro, % de EGR y dosado relativo). En las figuras 4 y 5, se muestran la masa específica de partículas para cada punto de funcionamiento de los diferentes combustibles, notándose que a plena carga y bajo régimen de giro 21 �Efectos de la composición del gas-oil sobre las emisiones contaminantes / Vicente R. Bermúdez Tamarit, et al (punto de funcionamiento 1) hay un incremento significativo en la emisión de partículas al emplear el combustible estándar (30% aromáticos), sin embargo, a plena carga y alto régimen de giro (punto de funcionamiento 4) se mantiene aproximadamente constante la emisión de partículas, siendo totalmente independiente del tipo de combustible que se ha utilizado. Este comportamiento está condicionado por los fenómenos que intervienen en el proceso de formación de la mezcla aire – combustible, a 1250 rpm, las condiciones de movimiento de aire en el interior del cilindro son menos favorables para lograr que el aire y el combustible se mezclen adecuadamente, además de existir mayor dosado con respecto al punto de funcionamiento a 4000 rpm, estos dos parámetros tienen mayor incidencia al emplear combustibles con densidad y viscosidad más elevada, como es el caso del diesel estándar. Para los regímenes de carga parcial (puntos de funcionamiento 3 y 4), el comportamiento de las emisiones de partículas respecto al contenido de aromáticos del combustible es similar, pero en este caso también hay que destacar el efecto producido por la recirculación de gases de escape, como se observa en la figura 5, que al ser utilizado el combustible estándar a 2000 rpm y 32 % de EGR (punto 4), la masa específica de partículas se incrementa hasta rangos de aproximadamente 5 veces la fase inicial. En las figuras 6 y 7, se puede comprobar que el contenido de compuestos aromáticos sólo adquiere importancia, si la concentración de éstos es superior a un 25%., confirmándose que el efecto del % de EGR y del dosado es significativamente importante en la emisión de NOx, similares a los presentados en la referencia 6. A cargas parciales la utilización de Plena carga Plena carga 1.6 110 1.4 105 1.2 100 1 95 90 0.8 85 0.6 80 0.4 75 70 0.2 5 15 25 Aromáticos (% vol) Punto (1) 1250 rpm Punto (2) 4000 rpm Fig. 4. Masa de partículas vs % de aromáticos. Punto (1) 1250 rpm 75 4 65 3.5 55 3 45 2.5 35 2 25 1.5 15 1 5 15 25 Aromáticos (% vol) Punto (3) 2250 rpm 30 Punto (2) 4000 rpm Fig. 6 Emisión de NO x vs % de aromáticos. 4.5 5 15 25 Aromáticos (% vol) Carga parcial Carga parcial 30 Punto (4) 2000 rpm Fig. 5 Masa de partículas vs % de aromáticos. 22 5 30 5 15 25 Aromáticos (% vol) Punto (3) 2250 rpm 30 Punto (4) 2000 rpm Fig. 7. Emisión de NO x vs % de aromáticos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Efectos de la composición del gas-oil sobre las emisiones contaminantes / Vicente R. Bermúdez Tamarit, et al recirculación de gases de escape permitió reducir hasta un 70 % las emisiones de NOx, mientras que en los regímenes a plena carga se observa que el menor exceso de aire en la mezcla para el punto de 4000 rpm, alcanzó incrementos del orden de un 20 % de estas emisiones respecto a las producidas a bajo régimen de giro (1200 rpm). Los resultados experimentales demuestran que no existe una dependencia bien definida entre el contenido de aromáticos y la producción de hidrocarburos sin quemar (figuras 8 y 9). Posiblemente las propiedades físicas tengan mayor repercusión en este caso, que la propia concentración de compuestos aromáticos. Trabajos previos 7, 8 y 9 han estudiado el comportamiento de la producción de hidrocarburos sin quemar, encontrando en sus resultados que el contenido de aromáticos no tiene influencia lineal en este proceso. Las emisiones de humos del motor tienen un comportamiento ascendente al incrementarse el contenido de aromáticos en el combustible, lo demuestran los resultados presentados en las figuras 10 y 11, este comportamiento es coherente con lo observado en la masa específica de partículas. Lo que confirma la correspondencia entre la magnitud de la Fracción Insoluble (masa de hollín y sulfatos presentes en las partículas muestreadas en la sonda de dilución) de las partículas y las emisiones de humos producidas. Estudios previos son los presentados en las referencias 10 y 11 , los cuales muestran similitud con los resultados obtenidos en este trabajo. CONCLUSIONES - El contenido de hidrocarburos aromáticos del combustible diesel, tiene un efecto significativo en la masa específica de partículas emitidas. Combus- Plena carga 1 Plena carga 5.5 0.9 5 0.8 4.5 0.7 4 0.6 3.5 0.5 3 0.4 2.5 0.3 2 0.2 1.5 5 15 25 30 1 5 Aromáticos (% vol) Punto (1) 1250 rpm Fig. 8. Emisión de THC vs % de aromáticos. 15 25 30 Aromáticos (% vol) Punto (2) 4000 rpm Punto (1) 1250 rpm Punto (2) 4000 rpm Fig. 10. Humos vs % de aromáticos. Carga parcial Carga parcial 1.2 1.2 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 5 15 25 30 Aromáticos (% vol) Punto (3) 2250 rpm Punto (4) 2000 rpm Fig. 9. Emisión de THC vs % de aromáticos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 5 15 25 Aromáticos (% vol) Punto (3) 2250 rpm 30 Punto (4) 2000 rpm Fig. 11. Humos vs % de aromáticos. 23 �Efectos de la composición del gas-oil sobre las emisiones contaminantes / Vicente R. Bermúdez Tamarit, et al tibles con similar formulación base, al incrementar el contenido de hidrocarburos aromáticos en un 10 %, pueden originar hasta un 40% más de masa de partículas emitidas. Esta tendencia puede verse incrementada por otras propiedades físicas debido a su influencia en los procesos de atomización y evaporación del combustible. - El contenido de hidrocarburos aromáticos no tiene repercusión importante sobre las emisiones de óxidos de nitrógeno, sólo se encontraron efectos significativos modificando el % de EGR y la relación aire - combustible de la mezcla. - Los resultados demuestran que se pueden reducir las emisiones de humos y partículas, si se reduce el contenido de compuestos aromáticos del combustible. - El diesel estándar es el que tiene peor comportamiento respecto a las emisiones de humos y partículas. La causa de estos resultados es el efecto conjunto del alto contenido de hidrocarburos aromáticos, densidad y viscosidad elevadas, así como su menor volatilidad y número de cetano (índice que evalúa la inflamabilidad de los combustibles diesel) que el resto de combustibles evaluados. Los resultados obtenidos con los combustibles de igual formulación base, demuestran que es posible reducir las emisiones contaminantes realizando pequeñas modificaciones en las propiedades físico-químicas de cada combustible. RECONOCIMIENTOS Los autores desean agradecer a la Consellería de Cultura, Educación y Ciencia de la Generalitat Valenciana, por la financiación del proyecto GV00116-11, dirigido al estudio de las emisiones contaminantes de los motores Diesel de automoción. 24 BIBLIOGRAFÍA 1. Michael P. Walsh., “Global Trends in Diesel Emissions Regulations –A 2001 Update” SAE technical paper 2001-01-0183, 2001. 2. Heywood, J.B., “Internal combustion engine fundamentals”. Mc Graw Hill, New York, 1989. 3. Baumgard, K. y Johnson, J., “The effect of fuel and engine design on Diesel Exhaust Particle Size Distribution”. SAE technical paper 960131, 1996. 4. Arcoumanis., “Evaluation of A Cyclone-Based Particulate Filtration System for High-Speed Diesel Engines”. 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En este trabajo se presenta un programa de cálculo en el lenguaje Turbo Pascal que calcula, en función del tiempo, entre otros parámetros, la temperatura de la superficie de fricción de la rueda (xR = 0) y la temperatura de la rueda a distintas distancias. (xR = 5; 10; 15 mm). Resultados obtenidos con este programa han permitido observar que a la misma carga por rueda el aumento de la velocidad inicial de la frenada conduce a un incremento de la temperatura. PALABRAS CLAVE Freno con zapatas, temperatura, programa de cálculo. ABSTRACT During high speed braking, by means of the sabot brake, the running wheels (especially their running surfaces) are subjected to thermal dutycycles, which give raise to stresses the can be harmful for traffic safety. The present paper introduces a computer program, written in Turbo Pascal which, computes parameters, such as the temperature of the wheel friction surface (xR = 0) and the temperature at spots located at various distances from this surface (xR = 5; 10; 15 mm). It is shown that for the same wheel load, the increase of the starting braking speed leads to an increase in the wheel temperature. KEYWORDS Sabot brake, temperature, computation programme. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 25 �Programa de cálculo de la temperatura en ruedas de ferrocarril durante la frenada / Liviu Sevastian Bocîi INTRODUCCIÓN El continuo aumento de la velocidad de marcha de los vehículos ferroviarios ha representado un reto para los científicos. Los ensayos experimentales efectuados en ferrocarriles a alta velocidad han demostrado que el freno con zapatas necesita distancias de frenada muy grandes y por lo tanto para mantener la misma distancia entre señales, es decir el mismo espacio de frenada, se requiere desarrollar nuevos sistemas de freno y al mismo tiempo perfeccionar el freno con zapatas aumentando su desempeño. La mejora de la eficacia del freno con zapatas se ha logrado por los siguientes métodos: • La utilización de zapatas de una construcción especial; 5, 7, 9 • La optimización de los tiempos de frenada; • El montaje de dispositivos antibloqueo en cada vehículo. El perfeccionamiento del freno con zapatas se ha realizado mediante la introducción de controles eléctricos y distribuidores modernos que aseguran unas mejores características de frenada. La principal desventaja del freno con zapatas es la gran cantidad de calor producido por fricción, mismo que no puede ser disipado por los elementos del acoplamiento de fricción. En este trabajo se presenta un programa (no comercial) de cálculo, elaborado en el lenguaje TURBO PASCAL (Windows 98), que después de Freno de ferrocarril primitivo. La bajas velocidades establecían menos requisitos al diseño. 26 El uso de trenes de gran velocidad TGV se incrementa a nivel mundial gracias a su mejoramiento tecnológico. introducir como datos iniciales la carga por rueda, GR [daN]; el factor de masa γ [no dimensional]; la velocidad del principio de frenada V [km/h]; la longitud de la zapata [m]; el ancho de la zapata [m]; la desaceleración [m/s 2 ]; el coeficiente de conductividad térmica de los dos elementos del acoplamiento de fricción λR , λ K [W/(m°C)]; la densidad de los dos materiales ρ R, ρ K [kg/m3 ]; el calor específico cR, cK [J/(kg °C)] calcula, entre otros parámetros, la temperatura de la superficie de fricción de la rueda (xR = 0) y la temperatura de la rueda a distintas distancias (xR = 5; 10; 15 mm). MODOS DE TRANSMISIÓN DEL CALOR EN LOS ELEMENTOS DEL ACOPLAMIENTO DE FRICCIÓN RUEDA-ZAPATA DE FRENO Después de un análisis, mediante el microscopio, de las superficies de fricción de los elementos del acoplamiento del freno con zapatas que están en contacto directo, se ha constatado que están formadas por “micro picos” y “micro valles” (ver la figura 1). Fig. 1. Aspecto microscópico de la superficie de fricción de los elementos del acoplamiento del freno con zapatas. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Programa de cálculo de la temperatura en ruedas de ferrocarril durante la frenada / Liviu Sevastian Bocîi Asimismo, se puede observar que la superficie efectiva de contacto (Se) de los dos elementos es sólo una parte de la superficie nominal, la cual es determinada por la suma de las “micro picos” en contacto: n Se = S1 + S2 + .. . + Sn = ∑ Si i =1 (1) En la figura 2 se ha representado la zona de contacto de los dos cuerpos sólidos, distintos desde el punto del material y propiedades físico-mecánicas, poniendo en evidencia las líneas de flujo térmico. Fig. 2. Zona de contacto de los dos cuerpos sólidos poniendo en evidencia las líneas de flujo térmico. La transmisión de calor entre dos cuerpos sólidos de materiales distintos (λ1 ≠ λ2 -los coeficientes de conductividad térmica de los dos cuerpos sólidos) tiene lugar mediante un mecanismo combinado, es decir: • La conducción entre las zonas de contacto real; • La conducción por el fluido (aire) de los intersticios; • La convección y la radiación por el mismo fluido (aire). Considerando que la superficie de contacto efectiva es inferior que la nominal, la transmisión de calor se lleva a cabo en forma casi total, a través de las ”micro montañas” de las dos superficies de fricción. Los intersticios entre las zonas de contacto tienen formas más o menos reguladas (en estos hay aire). Debido a las dimensiones reducidas de los intersticios y a la gran presión de contacto, el efecto de la convección en el aire que está entre estos intersticios puede ignorarse. Asimismo, la existencia de una diferencia pequeña de temperatura entre las dos superficies de fricción produce una radiación térmica también despreciable. Puede decirse entonces que en el caso de la frenada de parada de los vehículos ferroviarios equipados con freno de zapatas, el principal fenómeno de transmisión de calor que tiene lugar entre la rueda de rodadura y las zapatas de freno es la conducción. FÓRMULAS UTILIZADAS PARA CALCULAR LA TEMPERATURA MEDIANTE EL PROGRAMA En la frenada de parada de vehículos ferroviarios provistos de freno con zapatas, la variación de la temperatura en puntos situados a una distancia xR (vea la figura 3) de la superficie de fricción de la rueda, en función de la temperatura ambiente (∆T), para un tiempo inferior a la duración de frenada (t < tb ) está dada por la relacion:2, 3, 8, 13, 14, 16, 17 x  − R 4⋅aR ⋅t  2⋅ t ⋅e qa ∆T (t < tb , 0) = ⋅ λ ⋅ρ ⋅c π ⋅ λR ⋅ ρ R ⋅ cR 1 1+ ⋅ K K K  f Fo λR ⋅ ρ R ⋅ cR  2 2  2 t  xR   − ⋅ 1− ⋅ ⋅ 1+   3 tb  4 ⋅ aR ⋅ t  (2)  xR   t  2 xR   xR   ⋅ 1− ⋅ 1+ ⋅  ⋅ 1− Φ    tb  3 4⋅ aR ⋅ t   λR  4 ⋅ a ⋅ t R        2 − Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 [°C] 27 �Programa de cálculo de la temperatura en ruedas de ferrocarril durante la frenada / Liviu Sevastian Bocîi El coeficiente de Fourier necesario para determinar el factor de corrección de la temperatura viene dado por la relación: y Rueda Zapata de freno x1 O O1 Fo(K, R ) = x aK ,R ⋅ t b b K ,R (5) λ es el coeficiente de difusividad ρ⋅c térmica [m2 /s], ρ es la densidad del material de los elementos del acoplamiento de fricción (ρ R -para rueda, ρ K – para zapata), λ el coeficiente de conductividad térmica (λR -para rueda, λK - para zapata), c - calor específico del cuerpo (cR -para rueda, cK – para zapata). donde: a = XR y1 Fig. 3. Esquematización de la rueda con la zapata aplicada para poner en evidencia la distancia xR Durante el enfriamiento (t > tb ) la correspondiente variación de la temperatura será dada por la ecuacion (3). El valor del flujo térmico específico que aparece al principio de la frenada (qa) es dado por la relación: qa = (1 + γ ) ⋅ GR ⋅ v2 g ⋅ SoR ⋅ t b [W/m2] (4) donde: ( 1 + γ ) es el factor de masa (experimental), v la velocidad [m/s], g la aceleración gravitacional [m/s2 ], tb la duración de la frenada [s], GR la carga por rueda [daN] y SoR la superficie de fricción de la rueda [m2 ]. PROGRAMA DE CÁLCULO La interpretación de los resultados El programa de cálculo de las temperaturas en puntos situados en rueda a la distancia xR desde la superficie de fricción de los elementos del acoplamiento de fricción del freno con zapatas, en el caso de la frenada de parada, ha sido elaborado en el lenguaje TURBO PASCAL conteniendo las siguientes instrucciones:2, 3, 6 INTRODATEINITIALE (la introducción de los datos iniciales) CALCULEPREG (cálculos preparatorios) CALCULULTEMP (cálculo de la temperatura) GRAFICA (gráfica) RESULTATE (resultados) xR2   −  2 t  xR2  qa 2  4⋅aR⋅t  − ∆T(t <tb, 0) = ⋅ ⋅  t ⋅e ⋅1− ⋅ ⋅1+  3 t 4 ⋅ a ⋅ t 1 λK ⋅ρK ⋅cK  π ⋅ λR ⋅ ρR ⋅cR   b  R     1+ ⋅ fFo λR ⋅ ρR ⋅cR  t  xR2  xR     xR  xR −Φ  ⋅  − ⋅Φ ⋅1− ⋅1+       tb  4⋅aR ⋅t  λR   4⋅ aR ⋅(t −tb)   4⋅aR ⋅t   t  2 xR2   [°C] ⋅ 1− ⋅1+ ⋅  t 3 4 ⋅ a ⋅ t R    b  x2 − R 4⋅aR⋅(t−tb ) 2 − ⋅ t −tb ⋅e 3 28 (3) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Programa de cálculo de la temperatura en ruedas de ferrocarril durante la frenada / Liviu Sevastian Bocîi Los datos iniciales necesarios para calcular la temperatura (también la representación gráfica de la variación de temperatura): • La carga por rueda GR [daN]; • El factor de masa γ [no dimensional]; • La velocidad del principio de frenada V [km/h]; • La latitud de la zapata [m]; • El grueso de la zapata [m]; • La desaceleración [m/s2 ]; • El coeficiente de conductividad para los dos elementos del acoplamiento de fricción λR, λK [W/ (m°C)]; • La densidad de los dos materiales ρ R, ρ K [kg/m3 ]; • El calor específico cR, cK [J/(kg °C)]. Los principales resultados de este programa son: • La duración de la frenada tb [s]; • La superficie de fricción S [m2 ]; • El flujo térmico q [W/m2 ]; • Las constantes de material de los dos elementos del acoplamiento de fricción: 300 300 272 244 216 f1( x ) 188 f2( x ) 160 f3( x ) 132 f4( x ) 104 76 48 20 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 3 6 9 12 15 18 21 24 27 x 30 30 Fig. 4. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 7000 daN, a = 1,3 m/s2, V = 160 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). 400 400 362 324 286 f1( x ) 248 f2( x ) f3( x ) λ K ⋅ ρK ⋅ c K • La difusividad térmica de los dos elementos: a R, aK [m2 /h]; • El coeficiente de Fourier Fo , no dimensional; • El factor de corrección fFo no dimensional; • La temperatura [°C]. El programa calcula y presenta en forma sintética (tablas) los resultados enumerados, también mediante el procedimiento GRAFICA representa la variación de la temperatura en puntos situados a una distancia xR desde la superficie de fricción de la rueda en función del tiempo (la duración de frenada). A continuación, a manera de ejemplo, se analiza un caso mediante el programa, en coordenadas temperatura (f(x) sobre las figuras) – tiempo (x sobre las figuras). En este análisis ha representado la variación de la temperatura en puntos situados a una distancia xR (xR = 0; 5; 10; 15 mm) de la superficie de fricción de la rueda se han considerado la velocidad del principio de la frenada: V = 160; 200 km/h, dos cargas por rueda: G R = 7000; 9000 daN en las figuras 4 a 7 y cuatro desaceleraciones (a = 0,8; 1,0; 1,2; 1,3 m/ s2 ) - las figuras 8 a 13, para una carga de 10000 daN. 0 0 f4( x ) λ R ⋅ ρ R ⋅ cR 20 210 172 134 96 58 20 20 0 0 3 6 9 12 15 x 18 21 24 27 30 30 Fig. 5. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 7000 daN, a = 1,3 m/s2, V = 200 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). 400 400 362 324 286 f1( x ) 248 f2( x ) f3( x ) f4( x ) 210 172 134 96 58 20 20 0 0 3 6 9 12 15 x 18 21 24 27 30 30 Fig. 6. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 9000 daN, a = 1,3 m/s2, V = 160 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). 29 �Programa de cálculo de la temperatura en ruedas de ferrocarril durante la frenada / Liviu Sevastian Bocîi 550 550 400 400 497 362 444 324 391 286 f1( x ) f1( x ) 338 248 f2( x ) f3( x ) f4( x ) f2( x ) 285 210 f3( x ) 232 172 f4( x ) 179 134 126 96 73 20 58 20 20 0 3 6 9 12 0 15 18 21 24 27 x 0 30 Fig. 7. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 9000 daN, a = 1,3 m/s2, V = 200 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). 350 20 30 350 24 27 30 30 308 f2( x ) 185 f3( x ) f4( x ) 152 f4( x ) 260 212 164 119 116 86 68 53 20 0 0 3 6 9 12 15 x 18 21 24 27 20 0 30 30 Fig. 8. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 10000 daN, a = 0,8 m/s2, V = 160 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). 400 3 6 9 12 0 15 18 21 24 27 30 x 30 Fig. 11. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 10000 daN, a = 0,8 m/s2, V = 200 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras) 550 550 497 362 444 324 391 286 f1( x ) f1( x ) 338 248 f2( x ) f2( x ) 210 f3( x ) 285 f4( x ) 172 f4( x ) 232 134 179 96 126 73 58 20 20 0 0 3 6 9 12 15 x 18 21 24 27 30 30 Fig. 9. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 10000 daN, a = 1,0 m/s2, V = 160 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). 30 21 356 218 20 18 x f1( x ) f2( x ) f3( x ) 15 404 251 400 12 452 f1( x ) 20 9 500 500 284 20 6 Fig. 10. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 10000 daN, a = 1,2 m/s2, V = 160 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). 317 f3( x ) 3 0 20 0 0 3 6 9 12 15 x 18 21 24 27 30 30 Fig. 12. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 10000 daN, a = 1,0 m/s2, V = 200 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Programa de cálculo de la temperatura en ruedas de ferrocarril durante la frenada / Liviu Sevastian Bocîi 575 hasta a = 0,8 m/s2 conduce a una disminución de la temperatura desde aproximadamente 310°C hasta 270°C, pero, al mismo tiempo, requiere una mayor distancia de frenada. • Asimismo, al aumento de la velocidad de principio de frenada (por ejemplo, desde V = 160 km/h hasta V = 200 km/h), a la misma desaceleración (a = 1,0 m/s2 ) y a la distancia xR = 15 mm, produce un aumento de la temperatura de la rueda desde 190°C hasta 270°C, considerando una carga por rueda GR = 10000 daN. 575 519.5 464 408.5 f1( x ) 353 f2( x ) f3( x ) f4( x ) 297.5 242 186.5 131 75.5 20 20 0 0 3 6 9 12 15 x 18 21 24 27 30 30 Fig. 13. La variación de la temperatura de la rueda (f1 (x) →xR = 0 … f4 (x) → xR = 15 mm) para GR = 10000 daN, a = 1,2 m/s2, V = 200 km/h vs el tiempo (la duración de la frenada – x en las figuras). DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES El programa de cálculo presentado en este trabajo pone en evidencia, mediante el método iterativo, la temperatura de la corona de la rueda de rodadura, estableciendo la variación de este parámetro vs el tiempo (la duración de frenada). Del análisis de los diagramas presentados en las figuras 3 a 12 resultan las siguientes conclusiones: • A la misma carga por rueda, un incremento de la velocidad del principio de la frenada (desde 160 km/h hasta 200 km/h) produce un incremento de la temperatura en el interior de la rueda (especialmente en la corona) alcanzando valores de aproximadamente 267°C a una distancia xR = 10 mm de la superficie de fricción de los elementos del acoplamiento de fricción. • Para valores xR > 0 se observa una disminución de la temperatura de la rueda, pero hay que remarcar los valores de la temperatura. Por ejemplo, se obtiene el valor de aproximadamente 250°C a un régimen caracterizado por: GR =9000 daN, a = 1,3 m/s2 , V = 200 km/h, xR = 15 mm, valor que será transmitido por conducción en el disco de la rueda conduciendo, en él más desfavorable caso, a una rotación de la rueda sobre el eje. • A la misma velocidad de principio de frenada y la misma carga por rueda, la disminución de la desaceleración, por ejemplo desde a = 1,2 m/s2 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 BIBLIOGRAFÍA 1. Adamsen, J. “Heating and cooling of Friction Brakes” Seminar on Braking , London 1986. 2. Bocîi, L.S. “Contribuciones a la frenada de los vagones de viajeros de alta velocidad” Tesis doctoral, Timisoara 1997. 3. Bocîi , L.S. Dungan , M. C. “Sistemas de frenada sobre los vehículos ferroviarios de velocidades grandes y muy grandes” Sesión de Comunicaciones Científicas de la Universidad “Aurel Vlaicu” Arad , mayo 1994. 4. Bocîi , L.S., Lammert , F., Dungan , M. 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Bele, I “Disposítifs pour la mesure de la capacité de freinage pour les wagons équipés de frein á disque” Buletinul ªtiinþific al Universitãþii, Politehnica” din Timiºoara secþiunea Mecanica, TOM 44(59), pag. 127-130, 2000 20. Bocîi, L. S. Bele, I “Influenþa forþei de apãsare asupra uzãrii elementelor cuplei de frecare ale frânei cu disc” Analele Universitãþii “Aurel Vlaicu” din Arad, Fascicola Mecanica, Seria: Material Rulant, Rezistenþa Materialelor, Fizicã, noiembrie 2002, pag. 63 - 68, ISSN: 1582 - 3407. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Cabina de investigación de corrosión para la industria electrónica en interiores Juan F. Flores Preciado, Benjamín Valdez Salas, Miguel W. Schorr Instituto de Ingeniería, Laboratorio de Corrosión y Materiales. Universidad Autónoma de Baja California, Mexicali. jffp_uabc@hotmail.com RESUMEN Los problemas de corrosión en componentes y equipos electrónicos en la industria electrónica de Mexicali, son ocasionados por la interacción de los factores climáticos y ambientales con los componentes electrónicos, presentes en el interior de las plantas industriales. Se diseñó y construyó una cabina para simular las condiciones del interior de planta y monitorear el comportamiento de los metales utilizados en la fabricación de componentes electrónicos: plata, cobre, acero al carbono, estaño y níquel. El diseño de la cabina sigue los lineamientos establecidos en el proyecto Iberoamericano TROPICORR-CYTED. PALABRAS CLAVES Corrosión, componentes electrónicos, TROPICORR-CYTED, contaminantes ambientales, condiciones interiores. ABSTRACT Electronic components and devices, produced by the electronics industry in the city of Mexicali, present severe corrosion damage. Due to the interaction between the metallic components, the climatic factors and the environment contaminants. A cabinet was designed to study the behavior of the metals used in the manufacture of electronic devices: silver, copper, steel, tin and nickel. The cabinet was designed in order to simulate the indoor conditions of the electronics industry following the rules of the Iberoamerica TROPICORR-CYTED project. KEY WORDS Corrosion, electronics components, TROPICORR-CYTED, environmental contaminants, indoor conditions. INTRODUCCIÓN El estudio de la corrosión de componentes electrónicos en interiores ha tomado importancia en varias zonas del país como Mexicali, Baja California, debido a problemas de manufactura ocasionados por corrosión en maquiladoras de la ciudad. Extensas zonas en el interior de plantas industriales no disponen ni de equipos de remoción de contaminantes: ácido sulfhídrico (H2S), polvo, bióxido de azufre (SO 2 ), Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 33 �Cabina de investigación de corrosión para la industria electrónica en interiores / Juan F. Flores Preciado, et al iones cloruro (Cl-), óxidos de nitrógeno (NOX), ni de equipos de aire acondicionado que controlen la humedad del ambiente. Los contaminantes que ingresan a las plantas se depositan sobre los componentes electrónicos, su higroscopicidad permite la absorción de humedad del ambiente, formándose un electrolito que facilita el proceso de corrosión. Incluso a baja humedad, el H 2S y el SO 2 provocan la sulfuración de plata y cobre originando problemas de soldabilidad. 1-3 Para investigar este problema de corrosión, se diseñó y construyó un sistema para monitorear el comportamiento de metales utilizados en la fabricación de componentes electrónicos: plata, cobre, acero al carbono, estaño y níquel, expuestos dentro de una cabina que permite la entrada de contaminantes y humedad como en un planta industrial. Este artículo analiza los factores que provocan la corrosión de los componentes electrónicos en interiores de plantas industriales, y las características de la cabina. CORROSIÓN EN EQUIPOS ELECTRÓNICOS La corrosión es la reacción de un metal o de una aleación con el medio y sus factores reactivos teniendo como consecuencia su deterioro o destrucción (4). En el equipo electrónico, la corrosión es definida como el deterioro de los componentes metálicos, resultado de una reacción con su ambiente. Gases corrosivos y vapor de agua, en contacto con los metales provocan el crecimiento de varios productos de la reacción química. A medida que la reacción química continúa, estos productos de corrosión forman capas insolubles sobre los circuitos produciendo fallas como cortos circuitos, picaduras, grietas y pérdida de masa del metal . Los contaminantes atmosféricos aceleran la corrosión a través de su acción sobre la conductividad eléctrica del proceso catódico y anódico. 5 Diseños actuales de equipos electrónicos requieren del uso de una gran cantidad de componentes y un rápido procesamiento de señales, resultando en componentes más pequeños y espaciamientos reducidos, así como elementos metálicos muy delgados. Niveles extremadamente 34 pequeños de contaminantes presentes en el ambiente donde se manufacturan estos equipos provocan problemas de corrosión. 5 Problemas de corrosión comunes en la manufactura de equipo electrónico son: la sulfuración de plata y cobre, el crecimiento de filamentos y cristales de sulfuro de plata y corrosión en recubrimientos metálicos. La figura 1 muestra un soporte de plata utilizado en la manufactura de microchips con productos de sulfuración que disminuyen la adherencia de la soldadura. Los zonas oscuras presentan sulfuros como productos de corrosión. 1 Fig. 1. Soporte de plata con problemas de sulfuración. La plata es muy sensible a la presencia de H2 S y SO 2 , formando sulfuro de plata (Ag2 S) en la superficie al reaccionar con H2 S presente en el ambiente, incluso en concentraciones menores a 1ppm. Estos contaminantes provenientes de emanaciones industriales y de los gases de escape de automóviles penetran a las plantas de manufactura (6) . Cuando hay una capa de Ag2 S suficientemente gruesa y una temperatura adecuada, comienza un proceso de crecimiento de pequeños filamentos de Ag2 S. Tal es el caso de filamentos de Ag2 S que provocan un sobrecalentamiento de un conector de plata. Los filamentos crecen en áreas expuestas al H2 S generando un aumento en la resistencia eléctrica del elemento originando sobrecalentamiento, interrupción en el flujo de la corriente y al final se produce una falla (figura 2). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Cabina de investigación de corrosión para la industria electrónica en interiores / Juan F. Flores Preciado, et al Fig. 2 Barbas de sulfuro de plata en conector. También el cobre es susceptible a este fenómeno originando sulfuro de cobre (Cu 2 S). Algunos componentes electrónicos son recubiertos en sus terminales con un mejor conductor como la plata pero si el recubrimiento presenta defectos, el vapor de agua y compuestos corrosivos penetran hacia el metal base ocasionando corrosión y desprendiendo el recubrimiento. 2 ACCIÓN DE LOS CONTAMINANTES EN EL INTERIOR DE PLANTAS INDUSTRIALES Los contaminantes y factores ambientales como la humedad, penetran a distintas zonas de plantas industriales (área de almacenaje, embarque y producción) por ventanillas y puertas. El ambiente corrosivo que se forma afecta a los metales con los que se manufacturan los componentes y equipos electrónicos. La presencia de humedad es crucial para inducir corrosión. La naturaleza electroquímica del proceso de corrosión implica la presencia de un electrolito proveniente de la atmósfera. La difusión del oxígeno proveniente del aire disuelto y de contaminantes a través de la capa acuosa es el factor que controla la velocidad de corrosión. 7 El electrolito formado por la humedad presente en el ambiente es un promotor de la reacción electroquímica; también proporciona una mayor velocidad de absorción de contaminantes y aumenta la corrosividad del electrolito. 7- 9 La velocidad de corrosión aumenta con la temperatura, por el incremento de la energía de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 activación de las reacciones químicas y electroquímicas acrecentando la velocidad de difusión en el electrolito. 9 Como resultado de los procesos de dilatación térmica que experimentan los metales ante los cambios cíclicos de temperatura, los óxidos que los recubren se rompen y desprenden. Así, una nueva superficie desnuda y activa se pondrá en contacto con el ambiente provocando una pérdida de masa.7 La sulfuración del cobre por acción del H2 S y SO2 ocurre incluso a baja humedad. El níquel en ambientes con ligera contaminación sufre poca corrosión visible; la intensidad de corrosión se determina por el contenido de dióxido de azufre y humedad. En la superficie del acero, aparecen óxidos y otros productos de corrosión en forma espontánea. El acero tiene una capacidad de protección limitada y es muy sensible a la humedad y al dióxido de azufre. La velocidad de corrosión de la plata en interiores y en exteriores está severamente afectada por la presencia de iones cloruro, H2 S y SO 2 . Los NOX aceleran el proceso de corrosión de la plata. El estaño rápidamente se cubre con una capa de óxido con buenas propiedades de protección, pero el contenido de cloro y cloruros en la atmósfera, ataca la capa pasiva y se incrementa la velocidad de corrosión, especialmente en combinación con una alta humedad (10) . En presencia de humedad iones cloruros reaccionan rápidamente con el cobre, estaño, plata y acero(6). Incluso en concentraciones muy bajas en el ambiente, estos gases corrosivos penetran la capa pasiva de ciertos metales y generan corrosión. Las partículas de polvo provocan un fuerte decaimiento de la resistencia a la corrosión de los metales por su adherencia en la superficie y su capacidad de absorber agua y ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ). Estas partículas contienen contaminantes adheridos como cloruros, que rompen la capa pasiva que protege la superficie iniciando procesos de corrosión. 7 CABINA DE SIMULACIÓN Identificada la relevancia de estudiar la corrosión en ambientes interiores de la industria electrónica, se diseñó y construyó un sistema para monitorear el comportamiento de metales utilizados en la fabricación de componentes electrónicos expuestos 35 �Cabina de investigación de corrosión para la industria electrónica en interiores / Juan F. Flores Preciado, et al dentro de una cabina, a la presencia de contaminantes atmosféricos y humedad, lo cual se realiza sin necesidad de transladarnos a las fábricas para colocar las probetas de estudio. Según sus dimensiones, (figura 3) y el material utilizado en su construcción (aluminio de 1/8 de pulgada), la cabina es un equipo liviano y de fácil manejo. Zonas que no cuentan con sistemas de filtración y purificación del aire interior, son críticas por la presencia de compuestos corrosivos provenientes de la atmósfera, que ingresan por ventanillas y puertas. La cabina cuenta con ventanillas en las paredes laterales que permiten la entrada de gases corrosivos y vapor de agua y al no contar con sistemas de remoción de contaminantes, se crea un ambiente corrosivo similar al de las plantas industriales (figura 4). Para el diseño del sistema, se consultaron las normas de la European Telecomunication Standar ETS 300 019 - 1-0, 1-3, que señalan las características de un sistema de estudio de ambientes donde se maneje equipo electrónico y de telecomunicaciones que no cuentan con equipos de control de temperatura, humedad y contaminantes. La tabla 1 presenta el equipamiento presente en el interior de la cabina para el monitoreo de contaminantes y factores climáticos, así como el funcionamiento de cada dispositivo. Otros Tabla I. Equipamiento para monitoreo de contaminantes y factores climáticos en la cabina. Fig. 3. Dimensiones de la cabina de simulación. Fig. 4. Cabina de simulación de condiciones de interiores. 36 DISPOSITIVO (Estandar) OBJETIVO FUNCIONAMIENTO Termohidrógrafo Medición de temperatura y humedad en el interior de la cabina. Registra la temperatura y humedad relativa en unas hojas especiales fijadas en un tambor accionado por un sistema de relojería. Plato de Sulfatación.ISO 9225-1992 Corrosion of metals and alloys - Corrosivity of atmospheres Measurement of pollution, (Sulfation plate). Exposición de una pasta de bióxido de plomo contenido en una caja de Medición del SO 2 Petri de área conocida. El presente en la SO 2 reacciona con el cabina. bióxido de plomo para formar sulfato de plomo. 12 Vela húmeda.ISO 9225-1992 Corrosion of metals and alloys - Determinación de Corrosivity of cloruros en la a t m o s p h e r e s - cabina Measurement of pollution, (Wet candle). Se recubre una superficie de área conocida con una gasa quirúrgica, inmersa en una solución fijadora de cloruros.La cantidad de cloruros depositados es determinada por análisis químico. 12 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Cabina de investigación de corrosión para la industria electrónica en interiores / Juan F. Flores Preciado, et al contaminantes como los NO X y polvo serán proporcionados por estaciones de monitoreo ambiental cercanas a las cabinas. En el estado de Baja California se instalaron dos cabinas; una en Mexicali (ambiente urbano-industrial) y otra en Ensenada (ambiente marino). La Figura 5 muestra la cabina instalada en Mexicali, en la azotea del Instituto de Ingeniería de Universidad Autónoma de Baja California. Como se observa no existen restricciones para el flujo libre de aire del exterior , se distingue en la parte inferior el termohidrógrafo y en la superior las probetas de estudio. CONCLUSIONES • Con la construcción e instalación de las cabinas de simulación en el estado de Baja California, se inicia un proyecto Iberoamericano que permitirá llevar a cabo una caracterización del ambiente que genera productos de corrosión en metales utilizados en la manufactura de componentes electrónicos, que han sido expuestos dentro de la cabina que por sus características simula las condiciones interiores de una planta industrial. • Las probetas de estudio están expuestos en el interior a corrientes de aire, humedad y contaminantes ambientales que circulan a través de las ventanillas instaladas con rejillas y malla para impedir la entrada de agua de lluvia o de basura. • Las cabinas están equipadas con una base para la colocación de equipo de medición de factores climáticos y de contaminantes, por ejemplo un termohidrógrafo para la medición de humedad y temperatura, una vela húmeda para la medición de cloruros y platos de sulfatación para la medición de sulfuros presentes en el interior de la cabina (Tabla I). Otros datos ambientales y meteorológicos serán proporcionados por estaciones meteorológicas de las ciudades donde se colocaron las cabinas. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 REFERENCIAS 1. B.Valdéz, N.Rosas G., M. Carrillo B.,A. Botello L., J. Sampedro G., L.Veleva M., II NACE Mexican Section Corrosion Congress, Simposium 4. Corrosión de Plata en la Industria Electrónica. México 2002. 2. J.F. Flores. Desarrollo de una Cabina para el Estudio de la Corrosión de Metales Utilizados en la Industria Electrónica a Condiciones de Interiores. Tesis de licenciatura en Ingeniería Mecánica. Universidad Autónoma de Baja California. México, 2003. 3. A.Ortíz – Prado, R. Schouwenaars y S.M. Cerrud – Sánchez. Metodología para la simulación acelerada del deterioro que por corrosión atmosférica se presenta en equipo electrónico. México, Ingeniería Vol.III – No. 4 2002, pp 145156. 4. 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Mecanismos de integración, compra, litigio y arrendamiento César Morado Macías Archivo General del Estado de Nuevo León cmorado@mail.nl.gob.mx LA VENTA DEL MINERAL DE SAN PEDRO EN MONTERREY A LA TRANSNACIONAL ASARCO Dentro de los centros mineros que surgieron en Nuevo León, durante la última parte del siglo XIX, el caso del de San Pedro -ubicado al sur de la ciudad de Monterrey es particularmente significativo por varias razones. Primero: Propició el establecimiento de toda una comunidad, cuyas vidas giraron en torno al mineral. Segundo: Patentiza el acaparamiento que de las minas hicieron grandes compañías. The Mexican Lead, compró el mineral en 1898 a Maiz Hermanos, en más de 2 millones de pesos mexicanos, convirtiéndose en la mayor transacción económica jamás realizada antes, en Nuevo León. Tercero: Su volumen de explotación motivó la construcción de un ferrocarril mineral, con una longitud de 16 millas, para trasladar los metales explotados a las plantas fundidoras de Monterrey. Cuarto: Empezó a trabajar desde los años 50’s del siglo XIX. En los 80’s, en pleno resurgimiento y como propiedad de Joaquín Maiz, tuvo una importante producción destinada a las fundiciones, que luego se exportó a Estados Unidos. Para construir el ferrocarril minero, José A. Robertson y otros inversionistas norteamericanos, organizaron The Monterrey Mineral Railway and Company, que entre otros fines, proponía adquirir minas o propiedades minerales en cualquier estado de la República, fomentar los negocios de mineros, fundidoras y empresarios interesados. Iniciaron con un capital de 65 mil pesos pero con el compromiso de aumentarlo 5 millones, suma jamás proyectada hasta Carta dirigida al Gobernador de Nuevo antes de esa fecha (1894) en Nuevo León. León en demanda de “protección y El mineral fue explotado sistemáticamente ayuda para la negociación” en el durante la segunda mitad del siglo pasaestablecimiento de fundición.(AGENL) do. Para agosto de 1899 y aprovechando 38 En los números 19 y 20 de INGENIERÍAS se publicaron las partes I y II de este articulo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Empresas mineras y metalúgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte III... / César Morado Macías el momento de expansión que en la región estaba ejerciendo la Mexican Lead Company - con sede en Nueva Jersey, E.U.A.- Joaquín Maiz, le vendió la mina. La transacción se realizó en Nueva York, E.U.A., el 24 de agosto de 1899. Robert S. Towne 32 entregó a Joaquín Maiz, un millón cien mil cuatrocientos setenta y ocho dólares, a cambio, éste cedió a la Mexican Lead, las 27 pertenencias de la mina de San Pedro -ubicada en el Cañón del Diente de la Sierra Madre al sur de Monterrey-, con grandes contenidos de fierro, plomo y plata. La venta incluyó: todos los metales en patio, edificios de la administración, planta eléctrica, tranvías, carros, herramientas y demás maquinaria.33 En propiedad de The Mexican Lead, tuvo San Pedro, una bonanza considerable y logró integrar una sólida comunidad minera enclavada en el Cañón del Diente, cuyo único contacto con Monterrey era el ferrocarril. Hasta entrada la década de los treinta ya en el siglo XX explotado por la ASARCO-, siguió enviando metales. Se había convertido ya en un importante centro de paseo para los regiomontanos. UN LITIGIO REPRESENTATIVO: La familia Milmo en la minería La importancia de la familia Milmo, en el proceso de desarrollo del capitalismo regiomontano es indiscutible, en particular de Patricio, su patriarca. Su presencia como inversionista minero adquiere relevancia si se considera su participación en la metalurgia, como elemento de desvinculación entre una y otra área. La Compañía Minera Fundidora y Afinadora de Monterrey, no fue la única plataforma desde donde irradió y convirtió capitales con el resto de los integrantes de la élite empresarial regiomontana. Su actividad empresarial y capacidad de asociación es verdaderamente titánica.34 En 1899, como gerente de la Compañía Minera de Fierro Mexicano, inició un largo litigio contra la Compañía Minera El Nilo, por posesión del fundo denominado «El Cinco de Mayo». Para noviembre de 1902, el Lic. Esteban Horcasitas, decidió editar el avance del conflicto durante los tres años que llevaba. Gracias a las 139 páginas de Horcasitas, abogado de la Cía. de Fierro Mexicana, entendemos la importancia jurídica y social de la contienda posesoria Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 Entrega del mineral a la fundición. sobre la mina «Cinco de Mayo», ubicada en el Cerro del Carrizal, jurisdicción de Lampazos, sostenida primero ante la Secretaría de Fomento en México y después en los tribunales del estado de Nuevo León. 35 Al abrir el interdicto, señaló como constitutivos de despojo los hechos siguientes: 1) Haber practicado la Compañía Minera demandada, cinco tiros mineros, sobre la base más alta del «Cerro del Carrizal», terreno correspondiente al fundo minero «El Cinco de Mayo»; 2) Llevar operarios a trabajar en la explotación de los dichos tiros; 3) Haber construido jacales, para su permanencia en el mineral; 4) Formar patios mineros y sacar metal de los nuevos tiros; 5) Haber abierto una vereda; para subir y bajar las mulas que acarrearon el metal a la Estación «Golondrinas» del Ferrocarril Nacional Mexicano, con objeto de embarcarlo en furgones y conducirlo a la fundición. 36 La argumentación contraria, estuvo a cargo de Juan F. Burchard, destacado inversionista minero en la región apoyado por Ernesto de la Garza, que tampoco era novato en cuestiones de litigios. Para reforzar a Milmo, estaban sus conocidos Juan Weber y Eugenio Kelly. 3' Dada la dimensión de los intereses en conflicto, éste se prolongará toda la década para venir a concluir en 1908, con un acto cuyo lirismo quedó para la historia: la formación de la Compañía Minera Alianza y Concordia, S.A., concluyendo de esta manera diez años de lucha sin cuartel entre el carácter especulativo de algunos empresarios, en la lucha por reproducir sus capitales. Como era de esperarse, se impuso la lógica del capitalismo, ganaron los más grandes. 39 �Empresas mineras y metalúgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte III... / César Morado Macías Sobresalían como accionistas en la «Nueva Unión y Concordia», Eugenio Kelly, Daniel Milmo, Gustavo A. Madero por sí y por Francisco Madero, Alfonso de Tárnava, Andrés Farías y Hermanos.38 Al igual que la mayoría de las empresas mineras en que participaban socios que tenían inversiones en otros rubros, ponían de manifiesto -a lo largo de más de 100 artículos- en sus estatutos, la posibilidad de realizar transacciones económicas en actividades afines; es decir, eran entidades con gran tendencia especulativa, típica del desarrollo capitalista. CONTRATO DE ARRENDAMIENTO: Las familias Ferrara, Guggenheim y el Presidente Porfirio Díaz Los contratos de arrendamiento, fueron el mecanismo central de vinculación entre las grandes fundiciones y los propietarios de las minas, cuando éstos no accedían a su venta o cuando a aquéllos no les interesaba comprarlas. Para ilustrar este tipo de relaciones empresariales, he recogido varios casos representativos. En 1902, Arturo Longega, cedió a la Compañía Minera Fundidora y Afinadora de Monterrey, varias minas ubicadas en Güenaceví (de nombre Garibaldi, San Guillermo, Flora, Purísima, Remo y La Cumbre), totalizando más de 100 pertenencias mineras. La Compañía arrendataria se comprometía a entregar el 50% de las utilidades netas obtenidas en las minas. El proceso de negociación y los términos en que se cerró, dependieron de la perspectiva empresarial del presidente de la empresa: Vicente Ferrara, sin duda uno de los hombres que mejor conocía la dinámica del desarrollo capitalista regional; así lo manifestaron, por un lado su nivel de participación directa en varios rubros industriales y su papel de promotor general del proceso, ante las autoridades públicas correspondientes. Sin embargo, debemos evitar caer en la falacia de concebir al empresario como «motor del desarrollo»; si bien su iniciativa es incuestionable, no debe olvidarse la existencia de coyunturas políticas y económicas que se han señalado con anterioridad. Se ha reiterado también la vinculación de la minería neoleonesa con el mercado norteamericano, un 90% de este mineral tenía ese destino. Participaban 40 Meyer Guggenheim con sus 7 hijos, de izquierda a derecha, destra Benjamin, Murray, Isaac, Meyer, Daniel, Salomon, Simon y William. en el proceso compañías fundamentalmente extranjeras, la Mexican Lead es un caso representativo: el 3 de agosto de 1899 la Compañía Minera de San Pedro, de las de mayor producción en la entidad, cedió en arrendamiento a la Mexican Lead Company, por un término de 25 años, todas sus propiedades mineras totalizando pertenencias; incluidas instalaciones, maquinaria, cables para el transporte de metales, casas, oficinas y en general toda clase de edificios.39 De lo extraído de los fondos mineros de San Pedro por la compañía arrendataria durante la existencia del contrato, la arrendadora tendría el treinta y tres y un tercio por ciento; esta participación sería entregada al representante de la arrendadora semanalmente, libre de todo gasto de extracción. Como garantía, la arrendataria, aseguraba un producto de treinta y tres y un tercio porciento de su participación que no bajaría de cuarenta mil pesos anuales en los primeros dos años y de cincuenta mil pesos en los siguientes. En los años en que no llegasen a producirse los valores estipulados, tendría la obligación de completarlos en efectivo. Se obligaba a conservar en buen estado de servicio los socavones, tiros, cañones y obras principales. Pagaría las contribuciones, y respetaría el contrato de compraventa de metales de la arrendadora con la Gran Fundición Nacional Mexicana, vigente desde junio de mil ochocientos noventa y ocho. Igualmente el de exclusividad con Rafael García Galán, sobre la tienda de raya del Mineral de San Pablo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Empresas mineras y metalúgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte III... / César Morado Macías Los primeros dos años serían forzosos para ambas partes contrayentes. Vencidos éstos, podría la arrendataria en cualquier tiempo abandonar el arrendamiento devolviendo las propiedades, instalaciones y derechos expresados. La normatividad de éste y los demás contratos celebrados, no alteraban considerablemente el sistema de trabajo. Los objetivos continuaban siendo los mismos, aunque con un mayor potencial económico. Permanecería la «clásica» tienda de raya de los reales mineros, con que se abastecían de insumos, y las mismas deprimentes condiciones de trabajo para quienes arrancaban plata y plomo de las entrañas de la Sierra Madre Oriental. Otra gran empresa estadounidense, que enfocó su mirada y capital hacia Coahuila, fue la Kansas City Smelting and Refining Company, que venía trabajando desde 1880 los ricos distritos mineros de Sierra Mojada, y que constantemente remitía grandes remesas de minerales al otro lado del Bravo. Particularmente a la planta de los poderosos hermanos Guggenheim ubicada en Pueblo, estado de Colorado. Esta compañia americana dirigió su atención hacia la Compañía Minera La Camarguense, empresa fundada en 1893 por un grupo de siete grandes empresarios. Encabezaba la lista de accionistas el mismísimo presidente de la república, general Porfirio Díaz, representado por Gerónimo Treviño, quien además invertía por sí; le seguía Francisco Armendaiz, Manuel Z. de la Garza, Vicente Ferrara, Santiago Stopelli y José Visconti. Los dos últimos residentes en Santa Rosalía, Chihuahua, el resto en Monterrey, a excepción del presidente. Visconti, concentraba la mayor parte de las veinticuatro barras en que estaba dividido el capital de la compañía, destinada a explotar una mina del mismo nombre ubicada en la Sierra del Carmen, jurisdicción de la Villa de Múzquiz, perteneciente al distrito 40 de Monclova, Coahuila, con 26 pertenencias mineras. Para el mes de enero de 1895, Vicente Visconti y Manuel Z. de la Garza, en representación de la junta general de la compañía, la dieron en arrendamiento a la Consolidated Kansas City Refining Co; la arrendataria se obligaba a extraer todos los metales siempre que fuesen costeables. Ambas partes convenían en que la duración del contrato sería de doce años y que durante este período se dividirían los metales en los patios diaria, semanal o mensualmente, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 según su abundancia; con intervención de ingenieros de ambas compañías, en las proporciones de un tercio La Camarguense, y dos tercios para la Kansas City. Los metales cuyas leyes fuesen bajas y no pudiesen exportarse se pondrían aparte. La Camarguense, pagaría por cada onza de plata contenida en el metal, un peso cinco centavos; por cada libra de plomo, dos y medio centavos; y por cada onza de oro, diez y ocho pesos, basados en moneda de plata mexicana; en cuanto al oro, en moneda de igual denominación. Tenía además la ventaja de poder vender sus metales al mejor postor. Las compañías, en cualquier dificultad con motivos del contrato, se sometieron a jurisdicción de los tribunales del domicilio de La Camarguense. H. Huber, se obligaba a que la Kansas City con sede en New York, E.U.A., presentaría los documentos necesarios que justificaran haber llenado los requisitos Solicitud de Daniel Guggenheim al gobernador del estado de Nuevo León para establecer una empresa para beneficio de todo tipo de metales. (AGENL) 41 �Empresas mineras y metalúgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte III... / César Morado Macías que el código de comercio exigía para poder celebrar contratos en el país y tener representación jurídica en él. De esta manera, adquiría concreción una forma de participación económica con grandes especificaciones y detalladas expectativas, en torno al destino de los capitales. Por ese entonces, la familia Guggenheim, controladores en su momento del mercado del plomo en el mundo, se hicieron presentes en Nuevo León -además de la ASARCO- a través de The Guggenheim Exploration Company, empresa organizada en 1899, bajo las siglas GUGGEMEX, con el objeto de explotar y desarrollar propiedades mineras en «cualquier parte del mundo». Ésta, dirigió su atención hacia la ciudad de más tradición minera en la entidad: Villaldama. Así, consiguió que la Compañía Minera del Carmen, le rentara no sólo un total de 27 minas, con más de 330 pertenencias mineras, sino toda la maquinaria, infraestructura, implementos y demás; incluyendo el ferrocarril mineral que salía de Minas Viejas hasta la Hacienda de Guadalupe, recorriendo 24 kilómetros. El contrato de arrendamiento iniciaba el primero de mayo de 1900 y vencería el 30 de abril de 1910. La compañía norteamericana se comprometía a adquirir los metales y a deducir los gastos de sus operaciones, explotaban básicamente plata y plomo. El precio al que se pagarían los metales era el siguiente: plata, por noventa y cinco por ciento de su contenido, el equivalente por kilogramo del precio Western Unión en Nueva York por onza troy, en moneda norteamericana o bien su equivalente en Embarcadero de la Unidad Guadalupe, Nuevo León, México.(Tomada del libro Historia de un éxito. Centenario de Peñoles) 42 mexicana, al tipo de cambio vigente, un kilogramo sería equivalente a 32.15 onzas troy. Plomo, cinco y medio centavos moneda mexicana, por un noventa por ciento de su contenido. Fierro, en exceso de materias insolubles, diecisiete centavos, moneda mexicana por unidad. Enseguida se especificaron -no se incluye por motivos de espacio-, las deducciones que se harían por el flete y la maquila, por cada tonelada métrica del mineral.41 Como éstos, se suscribieron múltiples contratos en los que el capital extranjero tenía gran participación. Grandes problemas se generarán con el enfrentamiento entre estos capitales y el carácter nacionalista del movimiento revolucionario, que se vio apoyado en gran parte por la crisis minera de 1906-1908, y cuya implicación social debe ser objeto de otras reflexiones; sobre todo si se considera a la presencia extranjera en Coahuila, como elemento que coadyuvó en construir a esta entidad, en sólida vanguardia del cambio social. CONCLUSIONES: Auge y crisis de una actividad minero-metalúrgica de exportación La economía de exportación, que en torno a metales se había generado en Nuevo León y Coahuila aunque no sólo en ellos-, teniendo en Estados Unidos su principal mercado, tenía en la dependencia de las políticas económicas norteamericanas, un grado enorme de vulnerabilidad. Si en 1890, el Arancel Mckinley había sido detonante de un gran desarrollo, en este lado del Bravo, la crisis financiera del país vecino ocurrida en 1907, combinada con una baja de los metales industriales en el mercado mundial, vendría a echar por tierra las ilusiones de muchos pequeños y medianos empresarios tanto norestenses como extranjeros. Como todo trastorno en el sistema capitalista, el impacto de tal desajuste económico fue proporcional al potencial financiero de los inversionistas. La mayor parte de las minas quedaron paralizadas. Terminó todo intento de inversión en la región y las fundiciones tuvieron grandes problemas de solvencia económica y abastecimiento de minerales. En el estado de Chihuahua el caos fue casi total, cerrando incluso las minas de Santa Eulalia y Santa Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Empresas mineras y metalúgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte III... / César Morado Macías Paila desplantadora para separar el oro y la plata del plomo. Fundición 2, Monterrey, Nuevo León, México. (Tomada del libro Historia de un éxito. Centenario de Peñoles) Bárbara, trabajadas por la ASARCO. Anterior a esto había reducido considerablemente los salarios de los mineros. Para nuestra región el impacto no fue menos desastroso, cientos de minas se vieron paralizadas; como consecuencia de lo anterior, en 1908, la Fundición número dos pasó a ser arrendada por la ASARCO –que debido a su enorme capital logró mantenerse en pie, no sin serios problemas-. La número tres que era de su propiedad, al parecer continuó laborando. La Nuevo León Smelting, primera metalúrgica de las tres anteriores, ya había dejado de funcionar desde muy atrás. La que sí se vio afectada fue la Fundidora Monterrey, que tuvo que contraer varios préstamos con bancos de la capital del país, y disminuyó de manera considerable su producción ese año y los siguientes. Por si fuese poco, a la crisis minera vino a sumarse la de otro sector, también básico en la economía de la región: la agricultura. Desde 1906 y hasta 1909 se dejó sentir en Coahuila, Chihuahua y Nuevo León una gran sequía produciendo estragos enormes, particularmente en los campos algodoneros de La Laguna, y en el peculiar desarrollo alcanzado por la industria del guayule y textil en Coahuila. Cabe señalar la baja de plata, que afectó la zona minera de Sierra Mojada y la salvación del negocio del carbón, que logró sobrepasar el caos económico gracias a la demanda de las fundiciones que continuaron funcionando. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 En Nuevo León y Chihuahua además del fracaso de la actividad minera, escasearon los productos básicos y aumentó la inquietud social por el desempleo. En la primera de estas dos entidades, la Cámara de comercio actuó en forma prudente combatiendo el aumento desproporcionado de los artículos y con ello desórdenes mayores. La vulnerable economía del noreste mexicano, sucumbía ante el dinamismo del mercado internacional y la circunstancia norteamericana; transitaba de la ilusión al desencanto, a través de una coyuntural economía de exportación, responsable de su origen y final. En algunos distritos mineros empezaron la recuperación a partir de 1910. En la mayoría no llegó nunca. En otros, como Villaldama Nuevo León, el verdadero auge fue posterior. Para entonces, hartos de los bajos salarios y la explotación extranjera, los mineros y campesinos coahuilenses, van a incorporarse a la revolución. Al margen de los altibajos propios de los ciclos económicos, el saldo del proceso fue que algunos puntos geográficos de Nuevo León y Coahuila que durante tres siglos habían tenido poca relación con Monterrey, se incorporaron a su dinámica productiva configurando una red de relaciones que no sólo fueron económicas, ello según lo apuntamos al inicio de este ensayo, evidencia una configuración regional que algunos extienden a todo el noreste mexicano (Coahuila y Nuevo León ponen los metales, Monterrey las metalúrgicas, y Tamaulipas el puerto de Tampico para exportarlos a Europa); una región cuya ductibilidad no es fija ni permanece inmutable, pero que aquí hemos querido caracterizar como válida para el período porfiriano a través del ferrocarril. Casa redonda de la Fundición número dos de Monterrey, N.L., México. 43 �Empresas mineras y metalúgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte III... / César Morado Macías ANEXO II Glosario de términos Fuente: Sariego, Juan Luis et al. El Estado y la Minería Mexicana. Política, trabajo y sociedad durante el siglo XX. México, FCE/SEMIP, 1988, pp. 541-558. Afinación: Proceso metalúrgico para la obtención de metales de alto grado de pureza. Amalgamación: Proceso químico metalúrgico para recuperar mineral. Beneficio de minerales: Operaciones mineras y metalúrgicas tendentes a producir metales o concentrados en escala industrial. Concesión minera: Derecho que otorga el gobierno federal a personas físicas y/o empresas para explorar, explotar y beneficiar los minerales existentes. Cianuración: Proceso químico metalúrgico para beneficiar mineral. Concentración: Proceso metalúrgico para separar un mineral de la ganga. Depósito: Sinónimo de criadero o yacimiento mineral. Ensaye: Análisis químico por vía húmeda. Exploración: Investigación con objeto de descubrir yacimientos minerales. Ferrería: Fundición. Flotación: Proceso mecánico - metalúrgico para beneficiar mineral. Fundición: Instalación metalúrgica equipada con hornos para fundir mineral. Fundo: Propiedad minera. Góndola: Carro minero de carga que rueda sobre rieles. Hacienda de beneficio: Sinónimo de planta de beneficio. Lixiviación: Proceso químico - metalúrgico para recuperar mineral. Lote minero: Fundo o propiedad minera. Ley: Contenido de cierto metal en una tonelada métrica de un mineral determinado. 44 Metal afinado: Producto metálico final de alto grado de pureza, procedente de un tratamiento metalúrgico. Metales: Según la legislación minera, metales son todos los cuerpos simples que en química se dividen en metales y metaloides. Metales industriales: Antimonio, arsénico, bismuto, cobre, estaño, fierro, mercurio, manganeso, plomo, tungsteno, zinc (según la legislación minera). Metales preciosos: Oro, plata y platino. Mina: Conjunto de excavaciones con propósito de explotar minerales con valor económico. Minerales de alta ley: Mineral rico o de buena calidad. Pertenencia: Fundo minero. Lote minero. Medida equivalente a una hectárea en la superficie. Planta de beneficio: Instalaciones en donde se separan y recuperan metales. Planta metalúrgica: (Hacienda de beneficio) Establecimiento en donde se llevan a cabo procedimientos metalúrgicos. Precipitados: Productos resultantes de la precipitación en sistemas hidrometalúrgicos. Los obtenidos por el método de cianuración se llaman cianuros y por lixiviación, sulfuros. Tiro: Obra minera colada verticalmente. Pozo de entrada. Veta: Cuerpo mineral de forma tubular. Yacimiento: Depósito natural o asociación de minerales útiles con suficiente extensión y concentración de sus valores para ser objeto de una explotación. NOTAS Fundición 2. Monterrey, N.L., México.(Tomada del libro Historia de un éxito. Centenario de Peñoles) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Empresas mineras y metalúgicas en Monterrey, México. 1890-1908. Parte III... / César Morado Macías 32 Towne, junto con los Guggenheim, Robertson, y Flynn, es de los empresarios norteamericanos con mayor presencia económica en la región. Cabe recordar que hacia 1890 había organizado la Compañía Metalúrgica Mexicana propietaria de la fundición de San Luis Potosí. 33 AGENL. Fondo Notarios. Protocolo de Tomás Pacheco. Tomo 49, folios 660-666. 34 Mario Cerutti. «Patricio Milmo; Empresario Regiomontano del siglo XIX» en Formación y Desarrollo de la Burguesía en México. Editorial siglo XXI. México, 1978, pp. 231-266. 35 Conflicto de posesiones de fundos mineros. Alegato de buena prueba del señor licenciado Estaban Horcasitas, apoderado de la Compañía Minera de Fierro Mexicana en el interdicto de recuperar la posesión del fundo minero «cinco de mayo» contra la Compañía Minera el Nilo. Monterrey, noviembre de 1902, pp. 5 36 Ibídem. 37 La Compañía Minera de Fierro Mexicana se fundó en 1887, por Patricio Milmo, su futuro yerno Eugenio Kelly, Daniel Milmo, y Juan Weber. Patricio Milmo sería el gerente para México y Juan Weber para el exterior. 38 AGENL. Fondo Notarios. Protocolo de Crispiniano Villarreal. Tomo 2, folios 36-38. 39 AGENL. Notarios Protocolo de Tomás Pacheco. Tomo 49, folios 817-820. 40 AGENL. Notarios, Acta constitutiva de la Compañía Minera La Camarguense. Protocolo de Anastasio Treviño, Tomo 24, folios 149-152. 41 AGENL. Notarios, Contrato de arrendamiento de The Guggeheim Exploration Company con la Compañía Minera del Carmen. Protocolo de Tomás Pacheco, Tomo 50, folios 498-514. BIBLIOGRAFÍA -Benavides Hinojosa, Artemio. El general Bernardo Reyes. Vida de un liberal porfirista. Ediciones Castillo. Monterrey, México.1998. -Cerutti, Mario. Burguesía y Capitalismo en Monterrey, 1850-1910. México. Claves Latinoamericanas,1983. 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Haciendo historia regional. “Consideraciones metodológicas y teóricas”. Anuario del Instituto de estudios históricos sociales, No. 2. Universidad Nacional del Centro.Buenos Aires Argentina, 1987, p. 258. 45 �Complejos metálicos de fullerenos Boris I. Kharisov Facultad de Ciencias Químicas UANL. bkhariss@ccr.dsi.uanl.mx Miguel A. Méndez-Rojas Departamento de Química y Biología, Universidad de las Américas-Puebla. mendezm@mail.udlap.mx RESUMEN Se presentan las principales técnicas de síntesis de complejos de metales de transición y C60 , C70 y otros fullerenos mayores. Se presentan las cuatro clases generales de reacciones a través de las cuales pueden obtenerse los complejos metal-fullerenos se discuten también técnicas alternativas tales como la ruta electroquímica, la síntesis en fase gaseosa y el tratamiento con microondas y ultrasonido. PALABRAS CLAVE Fullerenos, ligantes, síntesis, complejos. ABSTRACT The main techniques for the synthesis of transition metal complexes of C60 , C 70 , and higher fullerenes are presented. It is shown that metal-fullerene complexes can be obtained by four general reaction types. The electrochemical route, gas-phase synthesis and treatment with microwaves and ultrasound as non-traditional synthetic techniques are also discussed. KEYWORDS Fullerenes, ligands, synthesis, complexes. INTRODUCCIÓN El carbono siempre ha sido uno de los elementos químicos más usados por la humanidad a lo largo de su historia. Desde hace muchos años se conocen tres formas alotrópicas del carbono, tales como el grafito, el diamante, así como el hollín, que es producido durante la combustión incompleta del carbón natural o de hidrocarburos. Sin embargo, a pesar de su larga historia, hace menos de 20 años fue descubierta otra forma alotrópica del carbono: el buckminsterfullereno o futboleno, también conocido en general como el fullereno C 60 , al cual se sumaron posteriormente otros ejemplos. Lo anterior abrió paso a numerosas investigaciones relacionadas a la química de los fullerenos y sus potenciales aplicaciones en la ciencia de los materiales. En este artículo se describen las propiedades estructurales y las principales técnicas sintéticas empleadas en la obtención de complejos metálicos entre algunos fullerenos y metales de transición. 46 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Complejos metálicos de fullerenos / Boris I. Kharisov, Miguel A. Méndez-Rojas ESTRUCTURA El C60 , como una molécula estable y única, fue inicialmente identificado en 1985. 1 Pocos años después estuvieron disponibles a los químicos, en cantidades útiles, otros fullerenos como, son el C70 , C76 , 2 C78 , C84 . La mayoría de los estudios sobre la química de los fullerenos han sido sobre el C60 , el cual es la especie más abundante formada durante el proceso de generación de fullerenos por vaporización de grafito en un arco eléctrico, un proceso ampliamente empleado. Además del C60 , este proceso produce cantidades significativas de fullerenos de orden mayor, de los cuales el C70 es la segunda especie en abundancia. Se forman cantidades aislables de C76 , C78 , y C84 (figura 1) junto con otros fullerenos mayores, en menor concentración. Fullerenos mayores que el C74 pueden existir en varias formas isoméricas (por ejemplo, 2 isómeros para el C76 , 5 para el C 78 , 7 para el C80 , 9 para el C82 , 24 para el C84 y 450 para el C100 ).3,4 C60 C70 C76 C78 (isómero 2) C82 (isómero Cs ) C84 (isómero D2 ) Fig. 1. Estructuras de algunos fullerenos. Se sabe que las cavidades de los fullerenos pueden alojar una amplia variedad de átomos en su interior: desde metales, los cuales transfieren carga a los carbonos de los fullerenos, hasta átomos altamente reactivos como nitrógeno, los cuales se protegen en el interior de la cavidad, e incluso, átomos muy inertes como los gases nobles. Este último tipo de compuestos ofrece la oportunidad de examinar los efectos de las fuerzas de Van der Waals sobre la jaula de carbonos (figura 2) 5 y resultan especialmente peculiares porque fueron descritos por vez primera por un investigador mexicano durante su postdoctorado en la Universidad de Yale (Hugo A. Jiménez Vázquez).6 La química estructural de los fullerenos y otros compuestos fullerenoides ha sido descrita por Balch. 7 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 Fig. 2. Perspectiva de la estructura de (0.09Kr@C60/ 5 0.91C60)·{NiII(OEP)}·2C6H6. La mayoría de los trabajos sobre complejos metálicos de fullerenos ha involucrado al C60 , pero un número sustancial de estudios se han llevado a cabo también con C70 . Debido a las limitaciones en disponibilidad de los fullerenos iniciales, sólo en unos pocos casos se han reportado reacciones entre complejos metálicos y fullerenos de orden mayor tales como el C76 , el C78 , y el C84 .2 La coordinación directa de centros metálicos a fullerenos, hasta el momento ha conducido casi exclusivamente al aislamiento de compuestos con coordinación tipo h2 -, incluso cuando se adicionan los metales en mayor proporción. 2 Se ha demostrado8 que el C 60 puede enlazarse a una variedad de cúmulos metálicos por medio de enlaces π tipo η2 -C60 , µ−η2 :η2 -C60 , y µ3 -η2 :η2 :η2 C60 (figura 3), actuando como ligantes donadores de 2e-, 4e-, y 6e -. Los complejos con cúmulos metálicos del tipo µ3 -η2 :η2 :η2 -C60 muestran una estabilidad electroquímica sorprendente y una comunicación electrónica inusualmente alta entre el C60 y los metales componentes de los cúmulos metálicos. En un estudio teórico sobre la formación de complejos metálicos con enlaces tipo η5 - y η6 -con C 60 y C 70 ,9 se propuso que ciertos fragmentos organometálicos podrían vencer las interacciones desfavorables que surgen de los orbitales π dispersos en los anillos de cinco y seis miembros del C60 y del C70 formando así los complejos deseados. Cálculos computacionales semiempíricos para una serie de complejos de C60 MCn Hn y C70 MCn Hn sugirieron que es posible estabilizar complejos η6 - de C60 y C70 47 �Complejos metálicos de fullerenos / Boris I. Kharisov, Miguel A. Méndez-Rojas Complejos π M M M η 2 - C60 M M µ-η 2 :η 2 -C60 M µ3 -η 2 -:η 2 :η 2 -C60 Complejos σ − π mixtos M M M M M µ3 -η1-:η 2:η1-C 60 M µ3-η1-:η1:η2-C60 Fig. 3. Modos de enlace en complejos de cúmulos metálicos con C60.7 utilizando los fragmentos organometálicos adecuados. Ecuaciones isodésmicas del tipo CmHmMCn Hn + Ck → Ck MCn Hn + CmHm, donde k = 60, 70, m = 5, 6, y n = 3-6, indican que C 3 H3 Co y C 3 H3 Rh son fragmentos ideales para estabilizar complejos de tipo η6 C60 . Aunque en comparación los complejos h5 - son menos favorables, recientemente Nakamura y colaboradores reportaron un método muy eficiente para llevar a cabo la síntesis de complejos con coordinación tipo η5 -, obteniéndose un “bucky-ferroceno”, un híbrido entre un ferroceno y un fullereno metálico (figura 4).10 M η5 - C60 Fig. 4. Modo de enlace η5- en complejos tipo “buckyferroceno”.10 48 La capacidad de los fullerenos de actuar como ligantes η6 en complejos con metales de transición ha sido examinada.11 Las energías para las reacciones de intercambio: (C 6 H 6 )M(CO) 3 + Cn → Cn M(CO)3 + C6 H6 ; n = 60, 70, 78, 84, M = Cr; n = 60, 70, M = Mo, W; (C6 H6 )M(CmHm) + C60 → C60 M(CmHm) + C6 H6 , m = 3, M = Co; m = 6, M = Cr fueron estimadas. SÍNTESIS La síntesis de complejos metálicos de fullerenos puede llevarse a cabo a través de cuatro clases generales de reacciones que son típicas en la química organometálica clásica: 1. Adición del metal al enlace C-C olefínico en uniones de anillos 6:6 para formar complejos de coordinación tipo η2 (un ejemplo: el tratamiento de C60 con OsO4 en presencia de piridina (py) produce C60 O2 OsO2 (py) 2 y C60 {O2 OsO2 (py) 2 }2 ). 2. Reducción del fullereno para formar la correspondiente sal de fullerido (un ejemplo: la interacción de C60 con {(η 5 -C 5 H 5 )Fe I(η 6 C 6 Me 6 )} produce [(η 5 -C 5 H 5 )Fe II (η 6 C6 Me 6 )+](C60 -), entre otros productos). 3. Adición de grupos ligantes al fullereno de forma que el centro metálico se una al fullereno a través de algún tipo de grupo puente (un ejemplo: C60 en tolueno reacciona con Fe 2 S2 (CO)6 dando C60 S2 Fe 2 (CO)6 ). 4. La formación de sólidos en los cuales el fullereno y un complejo metálico co-cristalizan (un ejemplo: se mezclan soluciones de C60 o C70 con el ferroceno, cristalizándose los aductos C60 .2{(η5 C5 H5 )2 Fe} y C70 .2{(η5 -C 5 H5 )2 Fe}, respectivamente).2 El último tipo de reacción puede involucrar cierto grado de transferencia de carga entre los componentes individuales. Las técnicas sintéticas para la obtención de complejos metálicos de fullerenos han sido revisadas.2,12 En particular, para los complejos 12 organometálicos de los fullerenos, la mayoría de éstos involucran enlaces π, y aparte de los fullerenuros de alquillitio, el área de síntesis de complejos σ no ha sido explorada, habiendo aquí un vasto potencial de exploración. Ejemplos selectos de compuestos sintetizados se presentan en las tablas I a III. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Complejos metálicos de fullerenos / Boris I. Kharisov, Miguel A. Méndez-Rojas Tabla I. Ejemplos selectos de complejos metal (o no metal)-fullereno C60. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 49 �Complejos metálicos de fullerenos / Boris I. Kharisov, Miguel A. Méndez-Rojas Tabla I. Continuación. Ejemplos selectos de complejos metal (o no metal)-fullereno C60. Además de las cuatro técnicas principales de síntesis mencionadas, los complejos metálicos de fullerenos puede producirse a través de una ruta 13 electroquímica. Así, ha sido reportada la metalación electroquímica y arilación de C 60 para producir complejos exohédricos del tipo C60 ML2 (M = Pd, Pt; L = Ph 3 P). El método se basa en la generación electroquímica de aniones de C 60 2- y su reacción subsecuente con complejos [M(Ph3 P)2 Cl2 , MCl2 ] de metales bivalentes. Las propiedades electroquímicas de los fullerenos y sus derivados en solución han sido revisadas.14 La síntesis en fase vapor también se usa en la producción de derivados de fullerenos, en particular sales de fullereno con metales de transición y lantánidos, MxC60 en forma de películas (M = Ag, Au, Al, In, Sn, Pb and Sm).15 El espectro de absorción UV-IR y el espectro de transmisión de IR del MxC60 sugieren que ocurre un proceso de transferencia de carga y que se forman enlaces entre los metales y el C 60 . Los átomos metálicos pueden estar puenteando moléculas de C60 formando un polímero lineal o puenteando complejos binucleares para M = Ag, Au, Al, In, Sn y Pb. Para las sales de fullerenos con lantánidos del tipo SmxC60 , los átomos de Sm 50 podrían estar enlazados a los anillos de cinco miembros de la jaula del C60 y complejos de SmxC6 0 , estructuralmente similares al ferroceno, podrían estar formándose. Una generalización de la técnica de vapor metá2 lico ha sido discutida en la referencia . Los vapores metálicos fueron obtenidos por desorción laser del metal en el interior de una celda de condensación y combinados con fullereno vaporizado proveniente de un horno calentado por resistencias eléctricas. La reacción en la mezcla fue inhibida por helio a baja presión y analizada empleando espectrometría de masas de tiempo de vuelo. Se hizo énfasis en el hecho de que este estudio por espectrometría de masas fue uno de los primeros en demostrar que los fullerenos son capaces de enlazarse a iones metálicos de transición. En particular, las reacciones en fase gaseosa entre un arreglo de cúmulos iónicos de carbono, C n +, y Fe(CO)5 demostraron que el C60 + y el C70 + muestran reactividades únicas las cuales llevaron a la abundante formación de iones C 60 Fe(CO) 4 + y C70 Fe(CO)4 +. A través de disociaciones inducidas por colisiones de C 60 Fe(CO)4 + se puede llegar a formar C60 Fe(CO)n + (n = 3, 2, 1, 0) mientras que reacciones secundarias de C60 Fe(CO)4 + con Fe(CO)5 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Complejos metálicos de fullerenos / Boris I. Kharisov, Miguel A. Méndez-Rojas Tabla 2. Ejemplos selectos de complejos metal (o no metal)-fullereno C70 . Tabla III. Ejemplos selectos de complejos metálicos de fullerenos de orden mayor. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 51 �Complejos metálicos de fullerenos / Boris I. Kharisov, Miguel A. Méndez-Rojas forman C 60 Fe 2 (CO)8 +, C60 Fe 3 (CO)8 +, C60 Fe 3 (CO)9 +, y C60 Fe 4 (CO)11 +. Complejos metálicos de C60 y C70 con una variedad de co-ligantes han sido reportados durante la última década. Entre ellos, algunos complejos de fosfinas como (h2 -C 60 )[Pt(PPh3 ) 2 ] 8 16 y h 2 17 C70 Pd(PPh3 )2 fueron recientemente descritos. La complejación de buckminsterfullereno C60 con metales de transición, en especial complejos del tipo MnC60 , ha sido discutida en la referencia 18 . En 1999 se reportó en la referencia 19 un método original para la síntesis de derivados y complejos metálicos con C70 al hacerlo reaccionar con reactivos organocuprosos, obteniendo productos como los que se muestran en la figura 5. Los complejos metálicos obtenidos pueden ser empleados como catalizadores para reacciones en química orgánica. R R R H M H R R R R R R - I Fig. 5. Derivados y complejos de C70 reportados en la referencia 19. R son grupos alquilo C1-10 o grupos alquilo C6-14 sustituidos o sin sustituciones, M es un metal del grupo de los alcalinos, de transición o lantánidos. Los detalles de varias técnicas sintéticas de complejos metálicos de fullerenos fueron descritos en la referencia 20 . Una serie de compuestos de fullerenos de orden mayor fue aislada y estructuralmente caracterizada. Así, el fullereno endohédrico Sc 3 N@C78 y Sc 3 N@C78 ×[Co(oep)]×1.5C6 H6 ×0.3CHCl3 (H2 oep = octaetilporfirina),21 Sc 3 N@C80 -C 10 H 12 O2 (un cicloaducto Diels-Alder de Sc 3 N@C 80 ) [22], Lu3 N@C80 ×5(o-xylene), y Sc 3 N@C80 ×5(o-xylene)23 fueron reportados. Sin embargo, el número de complejos de fullerenos mayores reportados es considerablemente menor en comparación a los derivados metálicos con C60 y C70 . COMPLEJOS DE LIGANTES CONTENIENDO FULLERENOS Los ligantes que contienen fullerenos (figura 6) incluyen moléculas relativamente simples, tales como fulleren-fosfidas, así como algunas otras 52 O P O R N OEt R1 O O N O H n N Fe N Me NM e O N H O O N O O N H N O Fig. 6. Algunos ejemplos de ligantes conteniendo fullerenos.2 estructuralmente más complejas que incluyen grupos polipiridínicos, metalocenos, éteres corona y porfirinas. La unión de estructuras más complejas se consigue por lo regular a través de ciclopropanaciones con diazometano o a través de la adición de iluro de azometina. Las fulleren-fosfidas se preparan por la adición directa de la fosfida al C60 con la protonación posterior del anión formado. Los ligantes polidentados de fósforo pueden ser obtenidos por series de reacciones a partir de C 60 (OH)x. Por ejemplo C60 (OH)12 reacciona con PClPh2 formando C60 (OPPh2 )12 que, a su vez, permite obtener complejos con metales de transición. Así, C60 (OPPh2 )12 {RhCl(CO)2 }6 {RhCl(CO)}3 fueron sintetizados a partir de C 60 (OPPh2 ) 12 y {RhCl(CO)2 }2 .2 Fullerenos químicamente modificados con grupos olefínicos o acetilénicos pueden actuar como ligantes a través de estas unidades extras. Ejemplos de tales compuestos son {2-H,1-(Me 3 SiCºC)C60 }Co (CO)6 24 2 y {2-H,1-(Me 3 SiCºC)C60 }Ni2 (η5 -C5 H5 )2 . Entre este tipo de complejos, es interesante mencionar la síntesis y caracterización de una díada uni25 da a través de un péptido al C60 (figura 7). En este trabajo, la síntesis y estudios conformacionales de la díada [Péptido = AibGlu(OR)-Ala-Aib-Glu(OR)-Ala; Aib = α-ácido aminoisobutírico; R = (CH2 CH 2 O) 3 Me] es descrita, en la cual una fulleropirrolidina y un complejo de trisbipiridinrutenio (II) (Ru-bpy) se localizan en los extremos terminales C- y N-de un hexapétptido helicoidal, respectivamente. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Complejos metálicos de fullerenos / Boris I. Kharisov, Miguel A. Méndez-Rojas 2 PF 6N N N N Ru O 2+ N Peptido N N Fig. 7. Una díada unida a un C60 a través de un péptido. GENERALIZACIÓN DE LAS TÉCNICAS SINTÉTICAS APLICADAS Al analizar los métodos sintéticos de los complejos de fullerenos en varios artículos de revisión y experimentales, se puede concluir que una gran variedad de las técnicas clásicas y de las poco comunes, utilizadas en la química organometálica y de coordinación, se aplican al trabajar con los fullerenos. En particular, las reacciones de adición y “redox”, aplicadas en la obtención de complejos “metal-fullereno”, son muy comunes en la preparación de compuestos organometálicos usuales y no usuales. Además, la habilidad de los fullerenos para co-cristalizarse con un gran número de diferentes moléculas incrementa considerablemente las posibilidades sintéticas en comparación con los compuestos organometálicos comunes. Sin embargo, desde el punto de vista de los autores, no todas las posibles técnicas sintéticas se han utilizado extensivamente para la obtención de nuevos complejos con fullerenos. En particular, aunque el uso de ultrasonido y microondas han sido aplicados en la preparación de fullerenos y nanotubos de carbono, la mayoría de los investigadores prefieren utilizar las técnicas tradicionales organometálicas en soluciones no acuosas para la obtención de sus complejos metálicos. Al respecto de las reacciones con uso de iones metálicos, producidos por la evaporación de metales elementales, esta técnica se está aplicando frecuentemente a pesar de las dificultades correspondientes (necesidad de alto vacío y equipo especial para la evaporación de metales, entre otras). La técnica electroquímica se utiliza no solamente para la obtención de los compuestos de fullerenos, sino también para la evaluación a fondo de las propiedades de éstos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 Debido a las limitantes de espacio de este manuscrito, sólo los resultados principales de cada técnica sintética reportada han sido presentados en esta breve revisión bibliográfica. Para aquellos interesados en obtener mayor información acerca de la química organometálica de los fullerenos, se recomiendan excelentes artículos de revisión, publicados recientemente en la revista Chemical Reviews, así como en otras revistas internacionales. CONCLUSIONES El número creciente de publicaciones en el área de compuestos entre los fullerenos y metales de transición, así como en áreas relacionadas a este nuevo alótropo del carbono, como el estudio de los nanotubos de carbono, muestra claramente que en menos de dos décadas los fullerenos C n han llegado a ser objeto de mucha atención para investigadores que trabajan en nuevos materiales y en la síntesis de nuevos compuestos químicos. El fullereno más sencillo, C60 , ya no se considera un ligando exótico, sino que es actualmente un ligando “regular” en la química de metalo-complejos. Una búsqueda exhaustiva para encontrar nuevas aplicaciones útiles, en particular como catalizadores en varios procesos químicos, está en proceso en laboratorios alrededor del mundo. Se espera que los fullerenos lleguen a establecerse como uno de los modelos principales en el estudio de procesos nanotecnológicos. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al Prof. Alan L. Balch (Universidad de California, USA) por el permiso de reproducir fórmulas estructurales, difundidas en sus publicaciones. REFERENCIAS 1. Kroto, H.W.; Health, J.R.; O´Brien, S.C.; Curl, R.F.; Smalley, R.E. Nature (1985), 318, 162. 2. Balch, A.L.; Olmstead M.M. Chem. Rev. (1998), 98, 2123-2165. 3. Olmstead, M.M.; Hon Man Lee; Stevenson, S.; Dorn, H.C.; Balch, A.L. Chem. Commun. (2002), 2688–2689. 53 �Complejos metálicos de fullerenos / Boris I. Kharisov, Miguel A. 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(2000), 122(49), 12220-12226. 55 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica Parte III Oscar Mauricio Barajas Pinzón Calle 155 No. 28-A-1º Interior Apto. 404 Bogotá, D.C., Colombia. oscar@impsat.net.co www.oscarbarajas.com LA ERA ESPACIAL A principios de siglo XX, el maestro de escuela ruso Konstantin Eduardovisch Tsiolkovski (1857–1935) era considerado como un excéntrico cuyas teorías apenas tenían relación con la realidad. Sin embargo, la era espacial había nacido en la humilde morada que habitaba ese maestro, por lo que fue llamado el “padre de la astronáutica”. Aunque jamás lanzó un cohete, las contribuciones de Tsiolkovsky a la ciencia de la navegación espacial fueron inconmesurables. Ya en 1883 expuso los principios que permiten el desplazamiento de un cohete en el vacío, y en “Sueños de la Tierra y el Cielo”, publicado en Moscú en 1895, enunció las posibilidades de un satélite espacial. Más tarde, en 1903, comenzó a publicar por capítulos su libro “Exploración del espacio interplanetario mediante aparatos a reacción” que sentó la teoría del vuelo de los cohetes y las perspectivas de la navegación espacial. La contribución principal de Tsiolkovski consistió en recomendar la utilización de propulsores líquidos, que además de permitir prestaciones mejores que los sólidos, podrían controlarse con mayor facilidad tras la ignición. Ello resalta el elevado nivel de las ideas de Tsiolkovski; no obstante sus cuadernos de notas y obras impresas fueron completadas más adelante con nuevos conceptos que, de una u otra forma, se plasmarían en realizaciones técnicas prácticas. Consideró la posibilidad de controlar el vuelo de los cohetes en el exterior de la atmósfera mediante aletas situadas tras la tobera, o mediante la inclinación de la propia tobera. Apuntó la posibilidad de emplear combustibles de distintos tipos, como gasolina, queroseno, alcohol y metano; ideó diversos métodos para regular el flujo de los propulsores de la cámara de combustión, con la utilización de válvulas mezcladoras y recomendó la refrigeración de la cámara de combustión y de la tobera mediante el paso de uno de los líquidos a través de una camisa de doble pared. En sus primeros diseños de cabinas para naves espaciales tuvo presente las necesidades de los organismos vivientes, e incluyó dispositivos para absorber el dióxido de carbono y los olores; por otra parte, reconoció la importancia de que la tripulación se mantuviera en posición tendida, con la espalda apoyada sobre los motores, durante los momentos de aceleración. El problema de la aceleración en el vuelo en cohetes le preocupó de tal modo que incluso recomendó la inmersión de los pasajeros en un líquido de densidad igual a la del cuerpo humano. Propuso también la construcción de naves espaciales de doble pared, 56 Tsiolkovsky En los números 19 y 20 de INGENIERÍAS se publicaron las partes I y II de este artículo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte III. / Oscar Mauricio Barajas Pinzón para conseguir protección suficiente frente al calentamiento y enfriamiento excesivos, y como medida de precaución ante la posibilidad de que un meteorito atravesara la pared exterior de la aeronave. Por otra parte, Tsiolkovski aconsejó aprovechar el oxígeno líquido de los depósitos de combustible para suministrar oxígeno gaseoso a la cabina presurizada, y también predijo que un hombre protegido por un traje espacial y sujeto por una especie de cadena podría salir al exterior de la nave y permanecer en el vacío. El precursor ruso consideró asimismo que podría aprovecharse el efecto giroscópico para estabilizar los cohetes en vuelo, y recomendó la utilización de cohetes de varias etapas o múltiples (que llamó “trenes de cohetes”), de modo que cada etapa se desprendiera del conjunto a medida que su combustible se agotara, como único medio para alcanzar la velocidad necesaria para el vuelo espacial. Tsiolkovski anticipó el desarrollo de estaciones espaciales y describió el traslado al espacio de componentes plegados para su posterior despliegue y montaje; asimismo predijo que llegaría el momento en que se contruirían estaciones espaciales en las cuales el oxígeno y la alimentación necesaria para los seres humanos se obtendría de la vegetación cultivada en las propias estaciones. En su escrito “El avión cohete” (1930) Tsiolkovski analizaba las ventajas e inconvenientes de los aviones cohete en relación con los propulsados a hélice para el vuelo de gran velocidad en la alta atmósfera. En 1909 el norteamericano Dr. Robert H. Goddard acometió una amplia investigación teórica sobre la dinámica de cohetes. Tres años después midió el empuje de un cohete de combustible sólido encendido en el interior de una cámara de vacío, con lo que probó la posibilidad de que los cohetes funcionaran en el espacio exterior. De este modo se abandonó definitivamente la creencia, hasta entonces muy arraigada, de que los Goddard en el lanzamiencohetes únicamente to de su primer cohete. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 podían funcionar en la atmósfera. Los trabajos posteriores del Dr. Goddard se orientaron al diseño de un cohete sonda práctico que permitiera obtener datos de las capas superiores de la atmósfera fuera del alcance de los aviones y globos sonda. Como Tsiolkovski, reconoció además las enormes posibilidades de los cohetes de combustible líquido. Su determinación le valdría un lugar imperecedero en la historia: el 16 de marzo de 1926 consiguió lanzar, en Auburn (Massachussets), el primer cohete de combustible líquido del mundo. Esta proeza fue superada, por un escaso margen, por el alemán Johannes Winkler, que el 21 de febrero de 1931 lanzó un cohete cerca de Dessau; estaba propulsado por metano y oxígeno líquidos. Aunque en esa ocasión apenas superó los 3 m de altura, tres semanas después alcanzó una altura de 90 Johannes Winkler. m, tras ser equipado con estabilizadores. El inventor alemán Max Valier, tras experimentar cohetes de combustible sólido en automóviles, trineos y vehículos en carriles, interesó en sus investigaciones al Dr. Paul Heylandt, dueño de una fábrica de gases industriales, que fabricaba oxígeno líquido. Aunque Valier no recibía un salario, fue autorizado a emplear un máximo de 6000 marcos en la construcción y experimentación de cohetes en dicha fábrica; no obstante, por razones de seguridad los ensayos únicamente tenían lugar de noche y en los fines de semana. Con la ayuda de Walter Riedel, uno de los ingenieros de la firma, Valier construyó y ensayó un pequeño motor con envoltura de Max Valier acero. 57 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte III. / Oscar Mauricio Barajas Pinzón Valier creía que el camino hacia los viajes espaciales pasaría por una evolución gradual del automóvil cohete al avión cohete y luego a la nave espacial. Ello explica que Valier no se convirtiera en el primer europeo en lanzar un cohete de combustible líquido en vuelo libre. Se había propuesto ensayar sus cohetes en vehículos tripulados. Hermann Oberth , el inspirador de los trabajos alemanes sobre cohetes, era profesor de física y matemáticas. Nació en 1894 en Transilvania, actualmente integrada en Rumania. En 1923 publicó un reducido volumen titulado “Die Ratete zu den Planetraumen” (“ El cohete en el espacio interplanetario”), en el que además de sentar las bases del funcionamiento de los cohetes en el vacío afirmaba que, si se dispusiera de empuje suficiente, podrían fabricarse cohetes capaces de dar la vuelta a la Tierra. Oberth experimentó diversas combinaciones de propulsores. Quizá más Hermann Oberth significativo sea el hecho de que describiera con cierto detalle la forma de un cohete (el modelo B) que creía capaz de explorar las capas altas de la atmósfera. Aunque nunca se construyó, el modelo B excitó la imaginación de otros adelantados, y en 1927 se formó un grupo de entusiastas conocido como “Verein Fur Raumschiffahert e. V.” Sociedad para la Navegación Espacial. La primera reunión tuvo lugar en una cervecería de Breslau y conduciría al desarrollo de técnicas que habrían de estremecer al mundo (pues la sociedad había de convertirse en la cuna de científicos que atravesaron por primera vez las fronteras del espacio). Entre los primeros miembros se encontraban Johannes Winkler, Max Valier, Willy Ley, Hermann Oberth, Rudolf Nebel, Walter Hohmann, Guido Von Pirquet, Eugen Sanger, Franz von Hoefft, Kurt Hainish, Klaus Riedel, Rolf Engel y Wernher von Braun quien ingresó en ella en 1930, a la edad de 18 años. 58 Hitler, que había llegado al poder de Alemania en 1933, comenzaba a extender su influencia, y las fuerzas armadas vieron sus presupuestos engrosados. La Luftwaffe estaba interesada en instalar motores cohete en sus aviones, y el ejército en Wernher von Braun sus cohetes balísticos como medio para ampliar el alcance de la artillería convencional. Así pues, se decidió establecer un centro de investigaciones de cohetes en las proximidades de la localidad de Peenemunde, en la costa alemana del Báltico, donde podían lanzarse con seguridad a distancias superiores a los 300 Km. El enorme centro, cuya construcción se prolongó durante dos años, contaba con instalaciones de ensayo y laboratorios perfectamente equipados, que poco tiempo atrás sus ocupantes no podían ni soñar. Von Braun reclutó a parte de los entusiastas que habían colaborado en los cohetes Mirak y Repulsor en el Raketenflugplatz. Fue en Peenemunde donde se completó el diseño del Cohete A-5 cuyos lanzamientos tuvieron lugar, sin sistemas de guiado, en 1938. El primer vuelo con control giroscópico completo tuvo lugar en el otoño de 1939 (al comienzo de la Segunda Guerra Mundial). Allí se probarían también los cohetes A-4, los cuales evolucionarían hacia los Cohetes V-1 y V-2, con los cuales se bombardeó Londres durante el conflicto bélico mundial. Cohete V-2 en vuelo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte III. / Oscar Mauricio Barajas Pinzón También los soviéticos progresaban en el dominio de la cohetería. El 17 de agosto de 1933 se lanzaba en Moscú el GIRD 09, que empleaba como propulsores oxígeno líquido y gasolina gelatinizada, y alcanzó una altura de unos 400 m. El GIRD X, primer cohete soviético de combustible enteramente líquido, alcanzó casi 80 m el 25 de noviembre Grid 09 de 1933. Debe señalarse que Goddard en Estados Unidos, a pesar de trabajar con fondos mucho más limitados, alcanzó también logros con cohetes girocontrolados, y resulta interesante comparar los progresos durante este periodo. El Ingeniero Norteamericano instaló en 1932 un giróscopo de 10,2 cm en un cohete, con su eje de giro en el eje longitudinal del segundo. El eje de giro del giróscopo permanecía vertical, y cuando el ingenio se desviaba 13 grados de la vertical se cerraban contactos eléctricos que desencadenaban una acción rectificadora: una de las cuatro aletas aerodinámicas se abría, y simultáneamente se interponía en el chorro de gases una de las cuatro aletas deflectoras. Aunque el primer lanzamiento, el 19 de abril de 1932, fracasó por la pérdida de empuje del motor, y, se alcanzó tan solo una altura de 40m aproximadamente, bastó para observar el efecto estabilizador del giróscopo. Cuando el equipo llegó al lugar en donde había caído el equipo, observó que los deflectores estaban intactos, indicio de que habían funcionado. Goddard junto a uno de sus cohetes experimentales. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 En los años siguientes Goddard realizó nuevos progresos con los estabilizadores automáticos. Uno de sus cohetes, lanzado el 8 de marzo de 1935, contaba con un sencillo péndulo en lugar del giróscopo, que emitía señales correctas cuando el cohete se desviaba más de 10 grados de la vertical. Este cohete alcanzó una velocidad de 700 millas por hora y cayó a 9000 pies de la torre de lanzamiento. Este precursor norteamericano de la cohetería llegó aún más lejos. En el verano de 1937 lanzó con éxito un cohete en el que el control se efectuaba mediante una junta universal, y que alcanzó una altitud de 626 m, aunque el vuelo se malogró por la apertura prematura del paracaídas. Su longitud era de 5.6 m y contaba con una pieza de cola móvil, depósitos de combustible sujetos mediante alambres y un barógrafo a bordo. A fines de la Segunda Guerra Mundial, los aviones polimotores alcanzaban un techo de tan solo 10 Km, y los globos sonda científicos eran capaces de elevarse, en el mejor de los casos, únicamente a 32 km (en 1952 y posteriormente durante el Año Geofísico Internacional, se lanzaron en Estados Unidos cohetes sonda con instrumentos desde una altitud de 30 km, a la que fueron elevados los globos; estos ingenios conocidos como rockoons, trasladaron cargas de 9 kg a altitudes del orden de 100 km). Al finalizar la guerra, los Estados Unidos y la Unión Soviética contaban ya con los medios necesarios para penetrar las capas superiores de la atmósfera y trasladar a ellas cargas de equipos científicos considerables. Naturalmente se trataba del cohete V-2. En los últimos años de la guerra los alemanes habían trazado planes para emplear el V-2 con esos fines. El Instituto de Investigación de Física Estratosférica había desarrollado y ensayado instrumentos de medidas especiales para registrar el espectro ultravioleta del sol, las presiones atmosféricas y las temperaturas a diversas altitudes, el flujo de radiación cósmica y de otros tipos, y también un dispositivo para recoger muestras de aire. Se lanzaron dos misiles sin instrumentos para verificar las características de vuelo en tales misiones. No obstante, las exigencias bélicas en las postrimerías de la guerra determinaron la suspensión de este programa planeado para el V-2. 59 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte III. / Oscar Mauricio Barajas Pinzón Con el fin de la guerra, los cohetes V-2 existentes y los componentes cayeron en manos de norteamericanos, soviéticos, franceses y británicos. Los primeros, y en menor medida los segundos, acometieron amplios programas para aprovechar el armamento capturado y alcanzar los objetivos que se habían trazado los alemanes: la investigación científica de la alta atmósfera mediante cohetes capaces de alcanzar grandes altitudes. En el otoño de 1945 se habían embarcado en Alemania, con destino a los Estados Unidos, componentes para la fabricación de más de 100 V2, que debían montarse y lanzarse en el nuevo campo de pruebas de White Sands, en Nuevo México. La finalidad primordial de estos misiles consistía en recoger datos sobre el entorno físico y las radiaciones de alta atmósfera, y en adiestrar a los norteamericanos, civiles y militares, en el montaje, comprobaciones y lanzamiento de cohetes de grandes proporciones. La familia de cohetes sonda engendrada por el V-2 de la Segunda Guerra Mundial fue la antecesora de proyectiles mucho más potentes, capaces de atravesar las fronteras del espacio y enviar robots de exploración. El año Geofísico Internacional vio nacer, además, un medio para estudiar el espacio fuera del alcance de los cohetes sonda y sus capacidades de carga. Se trata del satélite científico, capaz de orbitar a altitudes en las cuales la colisión con las escasísimas moléculas de aire produce una resistencia despreciable. Tales observatorios científicos podrían permanecer en órbita durante años, con la única limitación de la vida operativa de los instrumentos científicos, de sus sistemas de telemetría y del suministro de energía. El concepto de satélite artificial se había considerado en Estados Unidos años atrás. En 1945 el Bureau of Aeronautics (administración de la aviación naval norteamericana) emprendió el estudio de un artefacto de este tipo con la finalidad de situar instrumentos científicos en el espacio. Un año más tarde la USAAF estudió un informe análogo elaborado por la Douglas Aircraft Company. Este documento contenía el diseño preliminar de una “nave espacial circunterrestre experimental”. Ya el 4 de octubre de 1951 M.K. Tijonrakov, uno de los principales diseñadores de cohetes soviéticos, 60 afirmaba que la tecnología de su país estaba a la par con los Estados Unidos, y que era capaz de situar un satélite artificial en órbita alrededor de la Tierra. En el transcurso de la conferencia mundial para la paz que se celebraba en Viena, el 27 de noviembre de 1953 Alexander N. Nesmeianov, de la Academia de ciencias de la URSS declaró “ La creación de un satélite artificial de la Tierra constituye una posibilidad real”. Posteriormente, durante una conferencia del comité especial para el Año Geofísico Internacional que tenía lugar en Barcelona, el 11 de Septiembre de 1956 un delegado soviético declaró que su país situaría en orbita un satélite artificial ese mismo año. El 4 de Octubre de 1957 los Estados Unidos y el mundo entero constataron con gran sorpresa que no se trataba de propaganda, sino de una realidad. La URSS acababa de situar en órbita el Sputnik1, el primer satélite artificial de la Tierra. Se trataba de un satélite esférico con un diámetro de 58 cm y un peso de 83.6 kg. Contenía instrumentos para medir la densidad y la temperatura a lo largo de toda su órbita, que oscilaba entre 227 y 941 km. Por otra parte recogió datos sobre la concentración de electrones en la ionósfera. El 3 de noviembre los Soviéticos lanzaron el Sputnik 2. La capacidad de carga de 508 kg comprendía la perrita Laika e instrumentos para estudiar los efectos de la ingravidez en su cuerpo. Por otra parte portaba también sensores para medir el entorno de radiaciones en el espacio. El Sputnik de la antigua URSS. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte III. / Oscar Mauricio Barajas Pinzón Posteriormente los Estados Unidos lanzaron al espacio el Explorer 1, réplica norteamericana del Sputnik, un poco más pequeño y menos pesado. El valor científico del satélite radica en el descubrimiento de lo que luego se conocería como cinturones de Van Allen. Este episodio marcó uno de los hechos más interesantes de la Guerra Fría (y tal vez el verdadero legado de esa Guerra para la Humanidad), la Carrera Espacial entre los Estados Unidos y la Unión Soviética. Posteriormente se irían rompiendo marca por marca la salida del hombre al espacio y su llegada a la Luna, evento que divide la trascendencia tecnológica de la humanidad en dos, dando preponderancia a los desarrollos realizados por Estados Unidos a través de su agencia NASA. PROCESOS MODERNOS Y MATERIALES INTELIGENTES Históricamente, la mayoría de las aleaciones se preparaban mezclando los materiales fundidos. Más recientemente, la pulvimetalurgia ha alcanzado gran importancia en la preparación de aleaciones con características especiales. En este proceso, se preparan las aleaciones mezclando los materiales secos en polvo, prensándolos a alta presión y calentándolos después a temperaturas justo por debajo de sus puntos de fusión. El resultado es una aleación sólida y homogénea. Los productos hechos en serie pueden prepararse por esta técnica abaratando mucho su costo. Entre las aleaciones que pueden obtenerse por pulvimetalurgia están los cermets. Estas aleaciones de metal y carbono (carburos), boro (boruros), oxígeno (óxidos), silicio (siliciuros) y nitrógeno (nitruros) combinan las ventajas del compuesto cerámico, estabilidad y resistencia a las temperaturas elevadas y a la oxidación, con las ventajas del metal, ductilidad y resistencia a los golpes. Otra técnica de aleación es la implantación de ion, que ha sido adaptada de los procesos utilizados para fabricar chips de ordenadores o computadoras. Sobre los metales colocados en una cámara de vacío, se disparan haces de iones de carbono, nitrógeno y otros elementos para producir una capa de aleación fina y resistente sobre la superficie del metal. Bombardeando titanio con nitrógeno, por ejemplo, se puede producir una aleación idónea para los implantes de prótesis. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 La plata fina, el oro de 14 quilates, el oro blanco y el platino iridiado son aleaciones de metales preciosos. La aleación antifricción, el latón, el bronce, el metal Dow, la plata alemana, el bronce de cañón, el monel, el peltre y la soldadura son aleaciones de metales menos preciosos. Debido a sus impurezas, el aluminio comercial es en realidad una aleación. Las aleaciones de mercurio con otros metales se llaman amalgamas MICROMÁQUINAS Y NANOTECNOLOGIA El 29 de diciembre de 1959, el físico estadounidense Richard Feynman dio una conferencia ante la American Physical Society titulada “Hay mucho sitio en lo más bajo”. En aquella conferencia, Feynman trató sobre los beneficios que supondría para la sociedad el que fuéramos capaces de manipular la materia y fabricar artefactos con una precisión de unos pocos átomos, lo que corresponde a una dimensión de 1 nm, aproximadamente. Feynman pronosticó correctamente, por ejemplo, el impacto que tendría la miniaturización sobre las capacidades de los ordenadores electrónicos; también predijo el desarrollo de los métodos que se emplean Richard Feynman en la actualidad para fabricar circuitos integrados, y la aparición de técnicas para trazar figuras extremadamente finas mediante haces de electrones. Incluso planteó la posibilidad de producir máquinas a escala molecular, que nos permitirían manipular moléculas. Cuarenta años después de aquella conferencia, los expertos que trabajan en el campo de la nanotecnología están empezando a poner en práctica algunas de las ideas propuestas originalmente por Feynman, y muchas más que no se previeron entonces. Para captar intuitivamente la longitud de un nanómetro, consideremos un cabello humano. Típicamente suele tener un espesor de unos 100 micrómetros (µm). Una bacteria normal es unas 100 veces más pequeña, con un diámetro de alrededor de 61 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte III. / Oscar Mauricio Barajas Pinzón 1 µm. Un virus del resfriado común es aproximadamente 10 veces menor, con un tamaño de unos 100 nm. Una proteína típica de las que componen la envoltura de dicho virus tiene unos 10 nm de espesor. Una distancia de 1 nm equivale a unos 10 diámetros atómicos, y corresponde a las dimensiones de uno de los aminoácidos que componen esa proteína. Por tanto, puede verse que 1 nm supone una tolerancia dimensional extremadamente pequeña, pero ya hay varias tecnologías que están próximas a alcanzarla. El término ‘nanotecnología’ fue acuñado por Nomo Taniguchi en 1974 en relación con la fabricación de productos mediante métodos de mecanizado. Taniguchi mostró cómo la tendencia a aumentar la precisión de fabricación estaba llevando inexorablemente al punto en que, en el año 2000, las piezas fabricadas con un mecanizado “normal” tendrían una precisión de 1 µm, mientras que el mecanizado “de precisión” supondría una precisión de 10 nm y el “ultrapreciso” de hasta 1 nm. Sus predicciones demostraron en muchos casos ser correctas. Este tipo de nanotecnología forma parte de un grupo denominado a menudo ‘nanotecnologías de arriba abajo’, que se acercan a la precisión necesaria gradualmente, sobre todo mediante refinamientos de métodos de fabricación anteriores. En 1964, Gordon Moore, de la empresa estadounidense Fairchild Semiconductor Corporation, predijo que el número de transistores que se podrían fabricar en un chip se duplicaría cada año. La llamada ‘ley de Moore’ sigue cumpliéndose de forma aproximada, aunque en la actualidad el número se duplica cada dos o tres años. La última tecnología en chips comerciales, como el Pentium de Intel, tiene una anchura de línea de unos 300 nm, con aproximadamente 1,5 millones de transistores en cada chip. Algunos dispositivos especializados, como los chips de memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM), que pueden almacenar hasta 64 millones de bits de información, tienen más de 64 millones de transistores. En los primeros años del siglo XXI, las anchuras de línea mínimas de los chips comerciales deberían disminuir hasta 100 o 200 nm en componentes como los chips de DRAM, que podrían almacenar más de 1.000 millones de bits. 62 Algunos ejemplos de estos dispositivos, que se aproximan a la región de la nanotecnología, ya se han probado en el laboratorio. Y EL FUTURO... La problemática actual de la humanidad plantea grandes retos para la Ingeniería Mecánica. Por una parte, no existen procesos verdaderamente eficientes para tratamiento y manejo de agua potable, transporte de alimentos, manejo eficiente de energía eléctrica, hidráulica, eólica, térmica o generada por hidrocarburos. La Ingeniería Mecánica tenderá a asociarse con conceptos medioambientales y ecológicos para su desarrollo. La manipulación en las microestructuras de aleaciones producirá metales especiales, compuestos avanzados y materiales inteligentes que auto corrigen defectos, con grandes capacidades en resistencia mecánica, térmica y química. La corrosión se podrá manejar económicamente, y tal vez tienda a desaparecer. Se utilizarán nuevos combustibles, más económicos en su producción y menos contaminantes, lo que exige el desarrollo de motores adaptados para su uso. Las máquinas se asociarán más con el Ser Humano. El reemplazo de partes humanas como huesos por aleaciones especiales de Titanio, o cartílagos por mezcla de plástico y células vivas marcarán un hito en el desarrollo de la biomecánica. La exploración espacial seguirá a su ritmo, planteando más retos en cuanto al desarrollo de hábitats adecuados para la supervivencia de la humanidad en el espacio exterior. El uso seguro de la energía atómica y su masificación en todo el mundo será un hecho. La exploración y explotación del mar en todas sus dimensiones implica el desarrollo de artefactos y equipos capaces de trabajar sometidos a grandes presiones hidráulicas. El desarrollo de arcologías facilitará la construcción de colonias espaciales y submarinas. Nacerá la Industria de Gravedad Cero, la minería planetaria y de asteroides. Aprenderemos a manipular las estructuras atómicas de compuestos de diversos materiales para sacar de ellos el máximo provecho, hasta de la piedra misma. Tal vez volvamos al Sílex para transformarlo atómicamente y revelar su secreto, que fue el que nos sacó de las cavernas y nos impulsó al cielo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Breve historia de la Ingeniería Mecánica. Parte III. / Oscar Mauricio Barajas Pinzón BIBLIOGRAFÍA 1. Letis. Guía del Estudiante. 18a Edición 2000 2001. 2. Hancock, Graham. Las Huellas de los Dioses. Ediciones Grupo Zeta. Bilbao. 1998. 3. 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(81) 8865-2288 Fax: (81) 8865-2807 e-mail: mmolina@hylsamex.com.mx www.iss-mexico.org.mx Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 63 �ANFEI XXX Conferencia nacional de ingeniería: La eficiencia terminal en los programas de ingeniería Conclusiones y recomendaciones INTRODUCCIÓN El Comité Académico, después de analizar cada una de las ponencias que se presentaron, escuchar las exposiciones orales de las mismas, así como conocer los puntos de vista del auditorio sobre cada una de ellas, ha hecho una serie de reflexiones, que a manera de introducción de estas conclusiones se pueden resumir de la siguiente manera: La eficiencia terminal, este concepto final del proceso educativo, afecta económicamente a la sociedad y repercute en el seno de las familias, debido a la pérdida de oportunidades futuras de aquellos alumnos que no lograron terminar su carrera; por otro lado, señala fríamente a las instituciones educativas que se está fallando en dos de los tres conceptos medulares del Plan de Desarrollo Educativo Nacional: en la calidad y en la equidad. Sin embargo, todo proceso que no es eficiente es perfectible. ¿Qué hacer ahora que se tienen información y datos reales que antes sólo se intuían? ¿Qué hacer ahora que los datos muestran un fenómeno complejo, en el que aún no se ha llegado a un acuerdo de cómo medirlo? ¿Qué hacer ahora que cada día aumenta el compromiso de muchos directivos y docentes por encarar esta problemática? Es evidente que una buena eficiencia terminal proporciona en las Instituciones Educativas satisfacciones en el cumplimiento de su función so- cial, y en los alumnos, por el cumplimiento de su tarea de aprender. Sin duda alguna la Asociación Nacional de Facultades y Escuelas de Ingeniería tiene un reto aún mayor que el que representó hacer posible esta convocatoria, en la que se han escuchado valiosas sugerencias plasmadas en las originales ponencias. Para la ANFEI bien vale la pena asumir el reto y compromiso de convertirse en un vigilante continuo de la eficiencia terminal, parámetro de suma importancia en el proceso educativo. Pero se debe ir más allá del diagnóstico y del análisis que enseguida presenta. Como toda organización, la ANFEI debe proponer recomendaciones concretas que más adelante se comentan. CONCLUSIONES No hay un acuerdo en cuanto a la medición de la eficiencia terminal, lo que impide la realización de estudios comparativos y hacer generalizaciones de muchas de las conclusiones. Sin embargo, hay coincidencia, entre todos los ponentes, en el sentido La XXX Conferencia Nacional de Ingeniería, organizada por la Asociación Nacional de la Facultad y Escuelas de Ingeniería, se realizó del 18 al 20 de Junio de 2003, siendo la institución sede la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Chihuahua, en la ciudad de Chihuaha, México. 64 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �ANFEI XXX Conferencia nacional de ingeniería... Conclusiones y recomendaciones que el índice de eficiencia terminal refleja en cierta medida la calidad de los programas y las instituciones, ya que al analizar sus valores y comportamiento se está identificando una serie de evidencias directamente relacionadas con él, tales como rendimiento escolar, aprobación, reprobación, rezago, deserción, egreso y titulación. Se acepta como definición generalizada de la eficiencia terminal: “la proporción de estudiantes que concluyen un programa en determinado momento, frente al total de los que iniciaron un cierto número de años antes”. Esta definición requiere precisiones y acuerdos para que resulte de mayor utilidad. Sin embargo, según lo ha reportado la ANUIES en sus anuarios estadísticos para el área de ingeniería y tecnología tomando como base el primer ingreso del año 1996 y el egreso y la titulación del año 2001 se obtiene un índice de eficiencia de egreso del 61% y como índice de titulación del 39%. Para el conjunto de todas la áreas del conocimiento tomando como base el primer ingreso y los egresados y titulados en los mismos años los índices fueron 70% y 45% respectivamente. De acuerdo a las ponencias los principales factores que afectan la eficiencia terminal son: • Deficiente formación en los ciclos previos de estudio. • Falta de orientación educativa y falsas expectativas de lo que esperan de la ingeniería. • Limitaciones socioeconómicas y culturales de los estudiantes. • Distracción del estudio por necesidad de trabajar. • Falta de compromiso de algunos profesores sea por que ya no cambian, o por desconocimiento de la pedagogía y la didáctica. • Empleo de métodos de enseñanza obsoletos. • Rigidez excesiva en los planes de estudio. • Escasa vinculación entre teoría y práctica. • Inexistencia de programas integrales de apoyo a los estudiantes. • Falta de estímulos por la crisis de la profesión y la incertidumbre de su futuro. Existe un interés serio, comprometido y genuino por parte de los programas educativos de ingeniería; las acciones emprendidas y sus resultados en torno Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 al tema de la eficiencia terminal, constituyen un rico y variado mosaico de estrategias y acciones institucionales efectuadas, tendientes a mejorarla. Es un consenso generalizado el que las asignaturas correspondientes a las Ciencias Básicas son las que generan en mayor proporción el rezago, la deserción y como consecuencia, problemas en la eficiencia terminal. Se están llevando a cabo estrategias novedosas para mejorar la eficiencia terminal ya experimentadas en algunas instituciones, tales como la retroalimentación oportuna de deficiencias en la enseñanza, la búsqueda del mejoramiento de la acreditación de las asignaturas de matemáticas y la actualización y flexibilización de los marcos legales institucionales. La tesis como única opción para la titulación, está siendo cuestionada por la mayoría de los programas de ingeniería. Se vieron enriquecidos los trabajos novedosos expuestos en conferencias anteriores sobre la producción de apoyos o medios tecnológicos con base en la computadora; para hacer más amigable el aprendizaje, ofrecerles a los alumnos material digital de apoyo para sus clases, y para efectuar trabajos de clase desde su hogar utilizando la Internet. Las aportaciones presentadas sobre los índices, las metodologías y los modelos para evaluar la eficiencia terminal, constituyen un rico acervo que se ofreció a las instituciones de educación superior para utilizarlas en su propia autoevaluación. 65 �ANFEI XXX Conferencia nacional de ingeniería... Conclusiones y recomendaciones Existe una decidida voluntad por renovar, revisar, adecuar o crear planes de estudio que se abren decididamente a la flexibilidad y ofrecen a los alumnos nuevas y necesarias asignaturas, seminarios, talleres o actividades extracurriculares para contribuir a su formación integral en las facetas humana, social, artística, creativa e indagadora; también hay proyectos novedosos de programas que le brindan a éstos una vía amigable para conducirlo desde la licenciatura hasta el doctorado en tiempos adecuados, dando alternativas a través de salidas laterales. Se están llevando a cabo trabajos novedosos por parte de varias instituciones de educación superior en ingeniería, con los programas de educación media superior con objeto de buscar conjuntamente las causas y tomar acciones a fin de que los nuevos alumnos que reciben lleguen con mejores conocimientos, habilidades y actitudes para favorecer su ingreso, la aprobación en los primeros semestres, y como consecuencia, concluir exitosamente sus estudios. Ya se cuenta con medios que pretenden fortalecer y mejorar significativamente la eficiencia de los académicos por áreas del conocimiento; y múltiples acciones desarrolladas para coadyuvar a la formación integral de nuestros profesores, sobre todo para el mejoramiento de la práctica docente en lo concerniente a habilidades y actitudes en el aula; ya que las IES están concientes que su desarrollo depende también de los programas educativos de ingeniería. La orientación vocacional que se ofrece a los alumnos, debe ser oportuna, adecuada y pertinente desde el inicio o antes del bachillerato, y si es posible desde la primaria; por lo que se deben buscar mecanismos para fortalecerla. El nuevo paradigma educativo según el cual el profesor es una guía y facilitador de los aprendizajes significativos de los estudiantes va siendo ya una realidad en los programas de ingeniería. Sin embargo, todavía falta mucho por hacer para que sea una forma de aprendizaje consolidada en el las IES. El problema de la baja eficiencia terminal no sólo es atribuible a los alumnos, sino también a los profesores donde posiblemente sea mayor la responsabilidad. 66 RECOMENDACIONES Tomando como base este concentrado de aspectos derivados de los conceptos vertidos de las ponencias y las conferencias magistrales, se presentan las siguientes recomendaciones: Es importante precisar las distintas maneras de evaluar la eficiencia terminal de los programas de ingeniería. Por lo tanto, se recomienda que al presentar los índices se indique con claridad en qué forma se están definiendo. De no ser así, la eficiencia terminal resulta irrelevante o se presta a comparaciones injustas. La forma de definir la eficiencia terminal debe estar vinculada al uso que se pretenda dar al índice correspondiente. Para comparaciones de tipo general puede ser suficiente el empleo de indicadores gruesos; en cambio, puede ser necesario llegar a estudios por cohorte generacional si se pretende analizar, por ejemplo, el impacto de determinadas acciones emprendidas por las instituciones para mejorar los índices. Es conveniente que la ANFEI difunda las características de los distintos índices de eficiencia terminal que se están empleando, y que con el consenso de las instituciones recomiende algunos índices comunes que permitan hacer evaluaciones a lo largo del tiempo, comparaciones entre tipos de instituciones, con los índices de otras carreras y con los índices de otros países. Cada institución deberá seguir elaborando índices complementarios según sus propios requerimientos internos de evaluación. La ANFEI deberá apoyar a las escuelas de Ingeniería en el desarrollo de algoritmos y técnicas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �ANFEI XXX Conferencia nacional de ingeniería... Conclusiones y recomendaciones para hacer estudios de eficiencia terminal de acuerdo a las necesidades de cada una, apoyándose en los avances que han tenido algunas instituciones afiliadas. Con el objeto de contar en el futuro inmediato con programas integrales, que atiendan a los alumnos desde antes de su ingreso hasta después de su egreso y aseguren su permanencia, buen desempeño y desarrollo integral, se recomienda procurar el establecimiento de sistemas de seguimiento longitudinal de alumnos con bases de datos en las que se incorpore información individual que cubra desde antes del ingreso y hasta después del egreso de cada estudiante. ANFEI deberá coordinar el desarrollo de un sistema nacional de información reflexiva que pueda proporcionar la guía necesaria para analizar las características de los estudiantes desde que ingresan hasta que se gradúan, para obtener evidencia de que los que ingresan a las carreras de Ingeniería no solamente progresan hacia la culminación de sus estudios, sino que lo hacen dentro de un tiempo razonable. Es absolutamente imprescindible disponer de suficiente información cuantitativa y cualitativa sobre la eficiencia terminal de cada IES, para fundamentar políticas al respecto y estar en condiciones de implantar medidas que mejoren la situación prevaleciente. Los cursos remediales, propedéuticos, semestres cero o actividades de este género se han visto ampliamente favorecidos como medio para nivelar los Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 conocimientos antecedentes y, aunque hay evidencias de que son eficaces, no son eficientes para las instituciones; por lo cual se deberá tener siempre presente que no son la solución definitiva del problema, sino que deberán seguir haciéndose esfuerzos para garantizar que los estudiantes que ingresen a los programas de ingeniería, tengan una muy alta probabilidad de egresar con éxito. Las acciones relacionadas con las tutorías ofrecidas a los alumnos, deberán ser planeadas integralmente. Las escuelas de ingeniería están llevando a cabo distintas acciones para mejorar la calidad de sus procesos y así elevar la eficiencia terminal, es importante que la ANFEI haga un seguimiento puntual de estas acciones y su correspondiente eficacia. La rica variedad de los procesos y productos didácticos que están desarrollando los profesores para apoyar el trabajo docente y el aprendizaje significativo de los alumnos en el aula; deberá ser fomentada en los estudiantes para propiciar que construyan su propio proceso de aprendizaje. La eficiencia terminal, con toda su importancia, no debe desvincularse del contexto general de cada institución. Depende de muchos factores endógenos y exógenos, algunos de los cuales no pueden ser modificados por lo que las instituciones educativas hagan o dejen de hacer. La eficiencia terminal no debe verse como una cifra a incrementar a toda costa, sino como un indicador que permita mejorar la calidad de los servicios educativos y formar de manera eficiente a los ingenieros requeridos para el desarrollo del país. 67 �Enredándose Netiqueta Parte II. Listas de discusión y de noticias Fernando J. Elizondo Garza Catedrático e investigador de la FIME-UANL fjelizon@hotmail.com LISTAS DE DISCUSIÓN Y DE NOTICIAS Es común que científicos y tecnólogos busquen comunicarse con sus pares para discutir aspectos de su área de interés. Antiguamente esto se realizaba en los congresos y en las revistas, pero implicaba el tiempo entre los congresos o la periodicidad de las revistas. Actualmente mediante las listas de discusión vía Email es posible mantener un intercambio de ideas prácticamente diario. Estas listas si no son bien manejadas, o si no se cumplen con las normas de Netiqueta, pueden volverse un problema por crecer demasiado en cantidad de mensajes, trivialidad de los mismos o por actitudes desagradables y fuera de lugar de algunos de sus miembros. A continuación se mencionan algunos de los aspectos básicos de Netiqueta a considerar en las listas de discusión. Se decidió incluir algunas recomendaciones ya comentadas en la parte I, pero aplicables al tema de esta entrega, con el fin de darle unidad. Darse de alta o baja Para subscribirse o anular una suscripción a una lista de interés, no envíe un mensaje a la dirección de Nota del editor: La primera parte de este artículo se publicó en el No. 20 de INGENIERÍAS. 68 la lista, sino a la dirección administrativa de la lista, de lo contrario, su solicitud llegará a todos los miembros, pudiendo causar molestias (piense que los mensajes a las listas son multiplicados tantas veces como personas inscritas hay en la misma, causando un aumento totalmente innecesario de tráfico en la Red). Antes de participar Algunas listas están moderadas, es decir, existe una persona que lee cada mensaje destinado a la lista y decide si lo deja pasar o no. Antes de escribir, obtenga y lea las reglas de moderación de la lista, y evite inconvenientes. Lea durante varios días la lista antes de escribir por primera vez. Las listas pueden poseer una FAQ (Frequently Asked Questions, preguntas más frecuentes), que contiene una descripción de los temas a tratar en la lista y sus respuestas más frecuentes. Es una buena idea leer la FAQ antes de escribir. No se salga de tema Envíe mensajes siempre dentro del tema que trata la lista. Generalmente queda totalmente prohibida la difusión de información que no esté relacionada con los objetivos de la lista de discusión. Los administradores se reservan el derecho de cancelar la suscripción de cualquier miembro en el caso que haya una violación grave de las reglas básicas de cortesía o de “Netiqueta”. Una lista de discusión no es una herramienta promocional, por lo que está prohibido el envío de información publicitaria sin el consentimiento de los moderadores de la lista. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Enredándose: Netiqueta. Parte II. Las listas de discusión y de noticias / Fernando J. Elizondo Garza Si desea responder a un mensaje, pero se trata de un respuesta privada, envíe un e-mail a l destinatario en lugar de a la lista completa. Normas generales de discusión Se recomienda que cada nuevo participante se dé a conocer ante los otros miembros de la lista por medio de una presentación concisa. La emotividad es una parte importante de cada debate, y cada persona tiene su propio estilo de redactar y presentar sus ideas, pero hay que ser cuidadoso con el humor, el sarcasmo y otro tipo de lenguaje que pueda ofender a otros miembros participantes de la lista. Cada miembro debe identificarse claramente (nombre, apellido, título profesional, país de origen) cada vez que envía un mensaje a la lista. Normalmente, su programa de correo electrónico le permite usar una firma automatizada al final de cada mensaje. Las firmas no deben sobrepasar las 4 líneas de longitud. Además del contenido, cuide su ortografía, es una manera de conservar el nivel profesional de la lista de discusión. Si usted usa ideas, comentarios o cualquier material que no es suyo, por favor indique la fuente y la procedencia. Cuidado con la utilización de siglas y abreviaturas. Por favor tenga la amabilidad de explicar su significado (no es necesario repetir los nombres completos cada vez; sólo es necesario escribir el significado la primera vez). Cuidado con la utilización de mayúsculas. En el Internet, ESCRIBIR EN MAYÚSCULAS significa gritar y debe usarse con mucha precaución. Cuidado con la utilización de signos que representan emociones, pueden malinterpretarse si no se han definido con anterioridad. Las siglas más comunes y aceptadas son las siguientes: :-) es una sonrisa (vista de lado); de la misma manera, :-( es un puchero, ;-) es un guiño de ojo, :-0 es una cara sorprendida, etc. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 Enviando mensajes a la lista de discusión Una de las reglas básicas de discusión en el Internet es decir algo interesante lo más pronto posible. No olvide que en este medio de comunicación, los lectores pueden fácil y rápidamente borrar su mensaje y pasar a otro. Así que, cada vez que envíe un mensaje a la lista: • Use títulos descriptivos en la cabecera del mensaje (“Subject”/Asunto). Esto le servirá de indicación a los miembros sobre el contenido de cada mensaje enviado. En otras palabras, como lector, usted va a poder elegir qué mensaje leer y cuál borrar sin necesidad de abrir individualmente todos los mensajes recibidos diariamente. • Sea breve de manera que mantenga la atención de su lector. En otras palabras, evite escribir largos párrafos o largos mensajes. Estos foros de discusión no son un lugar apropiado para publicar ensayos personales, tesis, y documentos completos. Si usted desea compartir alguna información más o menos densa y larga, envíe un resumen a la lista (por ejemplo, los resultados de un estudio científico) y ofrezca a los miembros la posibilidad de enviarles el texto completo. • No agregue documentos adjuntos (‘Attachments’) a su mensaje, a menos que lo permita la lista y sean imprescindibles. No anexe imágenes o fichas de cualquier tipo cuando envíe un mensaje a una lista de discusión. En el caso de que ésta sea su intención es mejor describir el material, ponerlo a 69 �Enredándose: Netiqueta. Parte II. Las listas de discusión y de noticias / Fernando J. Elizondo Garza disposición de los miembros de la lista y enviarlo individualmente a los interesados. Desde el punto de vista técnico y lingüístico hay que prestar atención a los siguientes puntos: • Respetar el idioma oficial del grupo. • Trate de no escribir líneas que contengan más de 80 caracteres, puesto que algunas personas que usen otros programas podrían tener problemas para leerlas. • En lo posible no use caracteres ASCII mayores a 127. Es decir, no use acentos, ni eñes, ni símbolos raros que no estén directamente en el teclado, ya que en el camino que recorre su mensaje pueden ser mal “traducidos” por otra computadora y transformarse en otro tipo de símbolos. • No envíe datos privados (como la dirección), salvo que fuera necesaria su difusión. Contestando mensajes de la lista de discusión No cambie nunca el asunto (‘Subject’) del mensaje al cual está contestando, de manera que se pueda mantener una lógica de discusión fácil de entender para todos los miembros. En la cabecera del mensaje, deberían normalmente aparecer las letras “RE” (de ‘Reply’) seguido del título del mensaje original. Por ejemplo, si usted está contestando a un mensaje sobre “sustitución de freon 12”, el asunto de su mensaje debería decir “RE: Sustitución de Freon 12”. No incluya el mensaje original (eso es, el mensaje al cual usted está contestando), ya que si todos los miembros repiten los mensajes anteriores al contestar (quoting), el tamaño de cada respuesta consecutiva a un mensaje sobre un tema preciso va a crecer y crecer. Si es necesario, solo repita algunas líneas sin las cuales sería difícil para un lector poner su mensaje en contexto. Por ejemplo, es recomendable repetir la pregunta a la cual usted está contestando. Las listas son técnicamente administrada por un programa automatizado, el cual redistribuye a todos los miembros los mensajes enviados a una lista de discusión. Así que es posible que algunas veces se pierda la lógica secuencial de las respuestas a un mensaje. Por ejemplo, es posible que usted reciba varias respuestas similares a una pregunta, o que reciba una respuesta a una pregunta que ya ha sido respondida. En ese sentido, lea todo los mensajes relativos a un tema particular antes de contestar. Frecuentemente, las preguntas sencillas son respondidas con bastante rapidez. Una lista de discusión es un foro público, así es que hay que evitar discusiones de tipo ‘uno a uno’, al menos en casos excepcionales en que el diálogo sea de interés general. Si su respuesta es personal, por favor envíe su mensaje a la dirección electrónica personal del individuo en cuestión. Es una costumbre de cortesía en listas como ésta de agradecer personalmente o de forma pública (en el caso que uno reciba muchas respuestas) a la lista a las personas que respondieron a una pregunta. En la medida de lo posible, si la respuesta fuera de índole privada responder los mensajes vía e-mail. COMENTARIOS FINALES Puede observarse de los listados anteriores que las reglas de Netiqueta se centran en varias líneas principales: • Evitar malos entendidos • Evitar pérdidas de tiempo • Optimizar los recursos computacionales • Ser éticos • Estar en contexto Cuando trabajamos en Internet es primordial nunca olvidar: • Que hay humanos más allá de la pantalla. 70 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Enredándose: Netiqueta. Parte II. Las listas de discusión y de noticias / Fernando J. Elizondo Garza • Y por supuesto no hacer a los demás lo que no deseamos para nosotros. Para los que usamos las opciones de comunicación que ofrece Internet como una herramienta de trabajo, las reglas de Netiqueta resultan de gran utilidad y hacen la comunicación ingenieril más eficiente y agradable. BIBLIOGRAFÍA 1. Victoria Shea. Netiquette, 1994, ISBN: 0-96370251-3. 2. Victoria Shea. Netiquette. Versión Online. http:// www.albion.com/netiquette/book/index.html. 3.- ¿Qué es la Netiquette? Guía de comportamiento según los diferentes servicios de la Red. http:// www.interhelp.org/netiquette.html. 4.- Netiquette. Reglas y normas para el usuario del correo electrónico. http://www.rompecadenas.com.ar/netiquette.htm. 5.- Netiquette - La Etiqueta en Internet. Normas generales del correcto uso de Internet. http://www.cepis.org.pe/eswww/listserv/ netiquette.html. 6.- Fernando J. Elizondo. Los emoticonos. Otro engendro del Internet. Revista Ingenierías, Vol. III, No. 9, Oct-Dic 2000, pp 59-60. 2003 Octubre 9 “Procesos de formación de pisos cerámicos” Ing. Mauro Suárez Gerente de tecnología, Vitromex Octubre 22 “Los ingenieros en materiales, ¿Somos importantes? ¿Tú qué piensas...?” Dr. Alberto Pecina Moreno Profesor investigador jubilado del Instituto Tecnológico de Saltillo Octubre 22 “Nanomateriales” Dr. Moisés Hinojosa Profesor investigador FIME-UANL Noviembre 19 “Educación y sociedad” Dr. Luis Córdova Alvelais Profesor, Facultad de Medicina, Universidad Autónoma de Coahuila Para más información Dr. Efraín Almanza Casas Jefe del Dpto. de Metal-mecánica e-mail: almanza@fenix.its.mx Tel. y fax: 01 (844) 4389-537 y 01 (844) 4389-515 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 71 �Eventos y reconocimientos I. XXX CONFERENCIA NACIONAL DE INGENIERÍA En la Cd. de chihuahua, Chihuahua, del 18 al 20 de Junio de 2003, en las instalaciones de la Universidad Autónoma de Chihuahua, que fungió como institución sede, se realizó la XXX Conferencia Nacional de Ingeniería organizada por la Asociación Nacional de Facultades y Escuelas de Ingeniería (ANFEI). El tema central de este evento fue “la eficiencia terminal en los programas de ingeniería” sobre el que se presentaron un total de 48 ponencias divididas en seis áreas: Cursos, aulas (número de alumnos por aula, tipos de aulas, aulas interactivas, etc); Índices (reprobación, materias, tutorías, asesorías), Generales Dr. Guillermo Fernández de la Garza, Presidente de la Asociación de Ingenieros Universitarios Mecánicos y Electricistas, recibe de manos del director de la FIME MEC Rogelio Garza Rivera un diploma por la conferencia magistral “la eficiencia terminal en su concepción integral. 72 (apoyo psicopedagógico, número de horas destinadas a materias básicas, etc.) Estrategias (qué se puede hacer para mejora de la educación) y Posgrado (titulación por posgrado). Al congreso asistieron más de 350 académicos y profesionales de la ingeniería pertenecientes a 192 instituciones de educación superior afiliadas a la ANFEI. Durante el evento también se llevó a cabo la Asamblea General Ordinaria de la ANFEI, en la que se analizó el ingreso de nuevas instituciones de educación superior a la Asociación y se definió la Bernando Fontana de la Cruz de la UNAM y Reyes Guadalupe Encinas Montoya del Tecnológico de Agua Prieta quienes participaron como conferencistas en la XXX Conferencia Nacional de Ingeniería Alumnos que se hicieron merecedores al Reconocimiento como Mejores Egresados de Ingenieria 2002 otorgado por la ANFEI. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Eventos y reconocimientos sede para la próxima Conferencia Nacional. Durante la Conferencia se entregaron reconocimientos a los mejores egresados de ingeniería en el 2002, además del Reconocimiento al Mérito Académico. II. RECONOCIMIENTO AL MÉRITO ACADÉMICO ANFEI 2003 Con el propósito de distinguir a aquellos académicos que están siendo actores para el logro de la excelencia académica, la ANFEI entregó dentro de su XXX Conferencia Nacional de Ingeniería el Reconocimiento al Mérito Académico ANFEI 2003. Esta distincion se entrega en base a la decisión de un jurado calificador integrado por distinguidos académicos de reconocido prestigio nacional e internacional quienes evalúan las propuestas enviadas por las facultades de ingeniería de todo México. Los profesores galardonados este año fueron el Mtro. Manuel Reyes Cortés de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Chihuahua, el M.C. Fernando J. Elizondo Garza de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, el Dr. Jorge Welti Chanes de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de las Américas, Puebla y el Ing. Jacinto Viqueira Landa de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México. El M.C. Fernando J. Elizondo (Der.), acompañado por el director de la FIME M.E.C. Rogelio Garza Rivera, despues de recibir el Reconocimiento al Mérito Académico ANFEI 2003, durante la XXX Conferencia Nacional de Ingeniería, en la Cd. de Chihuahua. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 III. INAUGURACIÓN DE OFICINA DE MARCAS Y PATENTES EN LA UANL El viernes 29 de Agosto del 2003 se inauguró la Oficina de Marcas y Patentes del Centro de Transferencia de Tecnología de la UANL ubicada en el sexto piso de la Biblioteca Universitaria “Raúl Rangel Frías”. Lic. Mayra Núñez titular de la oficina Regional Norte del Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial junto con el Dr. Luis J. Galan Wong, Rector de la UANL y el Dr. Rodolfo Quintero del CTT de la UANL cortan el listón durante la inauguración de la Oficina de Marcas y Patentes de la UANL. Los objetivos de la Oficina de Marcas y Patentes son facilitar la vinculación de la Universidad con la sociedad y los medios de producción, difundir el desarrollo tecnológico para generar recursos y emplearlos en la investigación, promover la protección de proyectos científicos y proteger e impulsar los proyectos científicos. Esta oficina cuenta con personal especializado en el área de biotecnología, química e ingeniería. Su desempeño profesional se desarrolla en búsquedas tecnológicas, redacción de patentes y como consultores en el ámbito de la propiedad industrial. De igual forma se brindarán servicios en las áreas de marcas y derechos de autor de usuarios externos. Para mayor información puede comunicarse a: E-mail: ctt@r.uanl.mx Tel: 8329-4248 Fax: 8331-9128 73 �Eventos y reconocimientos IV. XII CONGRESO INTERNACIONAL DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES La semana del 17 al 21 de Agosto de 2003 se llevó a cabo, en Cancún, Q.R., México, el XII Congreso Internacional de Investigación en Materiales organizado por la Academia Mexicana de Ciencia de materiales. Los 23 simposia que formaron esta edición del congreso cubrieron tópicos como: materiales nanoestructurados y nanotecnología, biomateriales, aspectos ambientales en ciencia de materiales, procesamiento de cerámicos, materiales estructurales y otros. Participaron en el evento alrededor de 400 investigadores. Además se presentaron nueve conferencias plenarias, una mesa redonda sobre nanotecnología, se ofrecieron cursos sobre temas como “simulación mediante dinámica molecular” y “celdas de combustible”. En este importante evento científico nacional, investigadores de la FIME-UANL organizaron el simposio sobre “Procesamiento de Cerámicos”, además se presentaron un total de 11 trabajos por parte de estudiantes y profesores de FIME. Entre los trabajos presentados podemos mencionar: - R. Cabriales, V. González. Aldol condenzation as a new rute to syntetise novel lumniscent polymers. - P. Zambrano, J. Villalobos, P. Tapia, D. Ledezma. Characterization of surface roughness parameters to evaluate quality in machining. - E. Zavala, U. Ortiz, J. Hernández, O. Kharissova. Influence of fused silicon based substrates on the growth of carbon nanotubes by microwave heating. - N. de la Garza, M. Guerrero-Mata, R. Colás, R. Viramontes, C. Lizcano. Microstuctural and surface characterization of hot and cold rolled low carbon steels. - J. Niño, M. Hinojosa, V. González. Título: Microstructure and self-affine fracture surface parameters in a hypoeutectoid steel. - J. Aguilar, A. Pérez. Microwaves as an energy source for producing zeoiltes. 74 Algunos de los participantes del Simposio sobre procesamiento de cerámicos (Ceramics processing) organizado por la FIME-UANL. De izquierda a derecha: A. Belén Cabrera, M. Domínguez, G. Domínguez, C. Long, J. Aguilar (Chairman) y M. Hinojosa (Cochairman). - J. Sánchez, M. Hinojosa, V. González. Scaling properties of the fracture surface of a crystalline polymer. - L. Chávez, M. Hinojosa, V. González. Self-affine crack propagation in opal glass. - M. Castillo, M. Hinojosa, V. González. Self-affine rupture lines, mechanical properties and the structure of paper. - M. Rodríguez, U. Ortiz, O. Kharissova, J. Aguilar. Synthesis of boron carbide sol-gel precursor. - A. García-Loera. Thermoset / thermoplastic submicrometer morphologies obtained by a reaction phase separation. Una participante entusiasta (Gloria Domínguez) muestra una imagen del número 15 de la Revista Ingenierías al final del evento. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Junio-Julio 2003 José Eulalio Contreras de León, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Investigación sobre el efecto de la Hercynita en la microestructura y propiedades de una combinación refractaria base MgO-CaZrO3 ”, 5 de Junio de 2003. Jesús Alberto González Rodríguez, M.C. Ingeniería de Manufactura con especialidad en Diseño de Productos, “Análisis de ruptura de parabrisas en el empaque y el transporte”, 06 de Junio de 2003. Jesús Alberto González Oliva, M.C. Administración con especialidad en Finanzas, “Ahorro en costo de manufactura por la utilización de recubrimientos superficiales en brocas para operaciones de barrenado de fundición gris”, 09 de Junio de 2003. Ángeles Máyela Toledo Borrego, M.C. Administración con especialidad en Finanzas, “Administración de tecnologías emergentes aplicado al comercio electrónico”, 30 de Junio de 2003. Fernando Morales Rendón, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de adhesibilidad entre una aleación de aluminio A319.0 y una camisa de aluminio base a i -si -cu -mg para aplicaciones automotrices”, 02 de Julio de 2003. Óscar Leonardo Hernández Espinosa, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Los sistemas de información como herramientas que ayudan a integrar información Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 del personal entre los departamentos de recursos humanos de una organización del ramo cervecero”, 07 de Julio de 2003. Verónica Medina Garza, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Pasado, presente y futuro de la biblioteca de la F.I.M.E.”, 09 de Julio de 2003. Gabriela Alfonso Morales, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Propuesta para mejorar los procesos administrativos en una institución educativa oficial de la ciudad de Monterrey, Nuevo León”, 14 de Julio de 2003. Miguel Ángel Cervantes Álvarez, M.C. Administración con especialidad en Producción y Calidad, “La tutoría académica como una herramienta para mejorar la calidad en la educación superior”, 14 de Julio de 2003. José Adrián Mendoza Liñán, M.C. Administración con especialidad en Finanzas, “Definición de estrategias fiscales con respecto al crédito al salario en una administración pública municipal”, 17 de Julio de 2003. Fernando Aranda Sánchez, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Aspectos cinéticos y morfológicos en la cristalización del polipropileno isotactico (i-pp)”, 18 de Julio de 2003. Nelson Federico Garza Montes de Oca, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caraterización microestructural y superficial de aceros laminados en caliente y en frío”, 25 de Julio de 2003. 75 �Titulados a nivel Maestría en la FIME Adanary Ponce Sánchez, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Factor de desarrollo en las organizaciones”, 28 de Julio de 2003. Ismael Uribe Méndez, M.C. Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Aplicación de cultura organizacional y cultura de calidad en la preparatoria No. 23”, 29 de Julio de 2003. José Alberto Nieto Martínez, M.C. Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Soldabilidad de aceros HSLA termo galvanizados”, 30 de julio de 2003. El INSTITUTO MEXICANO DE ACÚSTICA Invita al 10º CONGRESO INTERNACIONAL MEXICANO DE ACÚSTICA 26, 27 y 28 de Noviembre de 2003 Puebla de los Ángeles, Puebla, México. Instituciones colaboradoras: Cenidet, Colegio de Ingenieros en Comunicaciones y Electrónica, Centro Nacional de Metrología, Instituto Politécnico Nacional, Tecnológico de Veracruz, Universidad Autónoma de Nuevo León, Universidad de Guadalajara, Universidad de Guanajuato, Universidad Tecnológica Vicente Pérez Rosales (Chile), Universidad de Buenos Aires (Argentina). Temáticas: Acústica Arquitectónica, Audio, Educación, Instrumentación, Música, Normalización, Ruido, Tópicos Generales y Vibraciones. INFORMACIÓN Comité Organizador: Instituto Mexicano de Acústica. Coordinador General M.C. Sergio Beristain; sberista@hotmail.com Dra. Rebeca de la Fuente García; rdfuente@avantel.net Apartado Postal 12-1022, Col. Narvarte 03001 México D. F. Tel. (01 55) 5682-2830, 5682-5525, Fax (01 55) 5523-4742. Región Norte: M.C. Fernando Elizondo Garza; fjelizon@hotmail.com Región Occidente: Dra. Martha G. Orozco M.; morozco@maiz.cucba.udg.mx 76 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Acuse de recibo Revista de la SOMIM A través de la revista Ingeniería Mecánica, Tecnología y Desarrollo, la Sociedad Mexicana de Ingeniería Mecánica, A.C. , SOMIM, difunde los resultados de investigación y desarrollo tecnológico originales generados en universidades, centros de investigación y en la industria. Esta publicación arbitrada presenta semestralmente material de las diferentes áreas de la mecánica. En su número de mayo de 2003, en lo relativo a formato, presenta un nuevo diseño y estructura. En cuanto a artículos se incluye, entre otros, una propuesta de R. Chicurel y A. González de un sistema de recuperación de energía de frenado para un vehículo eléctrico, un estudio sobre intercambiadores para un ciclo Brayton irreversible realizado por G. Aragón et al. Con carácter de invitado se presenta un trabajo de J. Ángeles refente a un manipulador posicionador triaxial. La revista también incluye información de SOMIM, además de congresos. Para más información puede comunicarse con el Editor, el Dr. Francisco J. Solorio Ordaz, al teléfono (55) 5622-8101 o al e-mail: fjso@servidor.unam.mx (FJEG) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 Revista EL ASHRAE JOURNAL La revista de la Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE, por sus siglas en inglés) publica mensualmente artículos sobre los temas que dan su nombre a la asociación, pero con un enfoque que atrae el interés general. Un ejemplo de esto son los artículos que aparecieron recientemente sobre un aspecto que concierne a todos; el ruido. En este caso se tomó como medio ambiente el salón de clases y las razones por las que los niños requieren silencio (Febrero 2003). En un número más reciente (Agosto de 2003) se comenta la utilidad de un estándar sobre requerimientos de ventilación para mantener la calidad del aire en recintos cerrados, mostrando un balance entre el diseño y el control que puede tener aplicaciones en otras áreas. En el último ejemplar (Septiembre 2003) se aborda nuevamente al ruido pero en este caso sobre las medidas que se pueden seguir para disminuirlo. Para mayor información consulte la revista en la siguiente dirección. http://www.ashrae.org (JAAG) 77 �Colaboradores Barajas Pinzón, Oscar Mauricio Ingeniero Mecánico y maestría en Automatización Industrial por la Universidad Nacional de Colombia en 1995 y 2001 respectivamente. Cursos especializados en Manejo de Catástrofes Naturales en Francia, Holanda, Bolivia, Ecuador, Perú, Cuba y Colombia. Trabajó en la Cruz Roja Colombiana de 1997 al 2001. Actualmente es Ingeniero Supervisor de Facilidades (depuración del petróleo) en la Occidental de Colombia. Bermúdez Tamarit Vicente R. Ingeniero Mecánico por el Instituto Superior Politécnico José A. Echeverría en 1983. Doctorado en Ingeniería Industrial en la Universidad Politécnica de Valencia en 1995, donde actualmente es catedrático de tiempo completo. Sus líneas de investigación son: renovación de carga, combustión, emisiones contaminantes, técnicas experimentales. Tiene especialización en motores de combustión interna alternativos. Recibió el premio especial de investigación por el Ministerio de Educación Superior de Cuba en 1991. Bocîi, Liviu Sevastian Ingeniero Mecánico por el Instituto Politécnico “Traian Vuia” de Timisoara, Rumania. Doctor Ingeniero en Ciencias Técnicas, por la Universidad Politécnica de Timisoara. Fue Profesor Visitante en la Universidad del País Vasco/EHU, donde realizó especialización en el dominio de Relaciones Internacionales. Actualmente es Catedrático de la Universidad “Aurel Vlaicu” de Arad, en Rumania. Elizondo Garza, Fernando Javier Ingeniero Mecánico Electricista egresado de la FIMEUANL. Diplomado en Administración de Tecnología en el CINVESTAV del IPN. Maestría en Ingeniería Ambiental por la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. 78 Actualmente es catedrático y consultor de la FIME. Director de la revista Ingenierías. Flores Preciado, Juan F. Flores Ingeniero Mecánico con mención honorífica por la Universidad Autónoma de Baja California, México. Ha sido becario del Instituto de Ingeniería de la UABC y participa en el proyecto Iberoamericano TROPICORRCYTED sobre corrosión en la industria electrónica, coautor de un artículo internacional. Kharisov, Boris I. Estudió Radioquímica y Química Inorgánica en la Universidad Estatal de Moscú, Rusia, institución en la que obtuvo también su grado de doctor. Hasta 1989 trabajó en el Instituto de Tecnología Química en Moscú en el área de Radioquímica Aplicada. Desde 1994 labora en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Es autor de más de 25 artículos científicos publicados en revistas tanto del país como del extranjero. Martínez Martínez, Simón Ingeniero Mecánico egresado de la FIME-UANL, en el año de 1994. Realizó su maestría en Ingeniería Mecánica en la FIME-UANL en 1998. Actualmente realiza sus estudios de doctorado en Ingeniero Industrial en la Universidad Politécnica de Valencia. Méndez Ramírez, Ce Tochtli Ingeniero Civil por la Universidad Veracruzana, México, en 2001. Desde fines del 2001 trabaja con programas de análisis y diseño estructural, con los cuales ha elaborado proyectos estructurales en los puertos de Manzanillo, Colima y Veracruz, en México. Desde octubre de 2001 labora en la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Veracruzana, en Xalapa, como Técnico Académico de tiempo completo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 �Colaboradores Mendez-Rojas, Miguel Ángel Profesor del Departamento de Química y Biología e Investigador del Centro de Investigaciones QuímicoBiólogicas de la Universidad de las Américas-Puebla. Obtuvo su doctorado en Química (Ph.D.) en Texas Christian University, en el área de cristalografía de rayos X. Es Investigador Nacional Nivel 1, con 16 publicaciones internacionales arbitradas. Sus áreas de interés son la síntesis y caracterización de nuevos materiales para óptica no-lineal, electrosíntesis directa de compuestos inórganicos y el estudio de las interacciones metal-fármaco. Entusiasta divulgador, dirige el proyecto de divulgación científica ALEPHZERO. Morado Macías, César Licenciado en Filosofía y Maestro en Educación por la Facultad de Filosofía y Letras de la UANL, donde actualmente imparte cátedra. Coordinador del Archivo Histórico del Archivo General del Estado de Nuevo Léon. Autor de varios libros sobre historia regional del noreste mexicano. Doctorante en Ciencias Sociales por la Universidad de Guadalajara. Oller Martínez, Sergio Ingeniero Civil por la Universidad Nacional de Salta, Argentina, en 1979. Especialización en Análisis Estructural Avanzado en la Universidad de Roma, Italia, en 1983. Doctorado en Ingenieria Civil en la Universidad Politécnica de Cataluña, España, en 1988. Ha realizado numerosas publicaciones en prestigiosas revistas internacionales y congresos de la especialidad. Actualmente es Profesor de la Escuela de Ingeniería Civil de la Universidad Politécnica de Cataluña y Profesor Visitante del Laboratorio de Estructuras de la Universidad Nacional de Tucumán. Palomo González, Miguel A. Profesor en la Jefatura de Ingeniería Industrial, en la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Nuevo León, tiene estudios de Doctorado en “Estrategia Internacional de la Empresa” (I.A.E., Grenoble, Francia) y especialidad en “Administración de Tecnología” (Battelle Memorial Institute, (Columbus, Ohio, E.U.A.). Ruiz Sibaja, Alejandro Ingeniero Civil por el Instituto Tecnológico de Tapachula, México, en 1987. Maestro en Ciencias con especialidad en Análisis Estructural en el Instituto Ingenierías, Octubre-Diciembre 2003, Vol. VI, No. 21 Politécnico Nacional, México, en 1991. Master en Ingeniería Sísmica y Dinámica Estructural en la Universidad Politécnica de Cataluña, España, en 1997. Doctorado en Ingenieria Civil en la Universidad Politécnica de Cataluña, España, en 2001. Ha publicado en prestigiosas revistas internacionales y congresos de la especialidad. Actualmente es Profesor e Investigador de la Facultad de Ingenieria Civil de la Universidad Veracruzana. Schorr W. Miguel Licenciado en Química y Maestro en Ingeniería de Materiales por el Instituto Tecnológico de Israel. Su línea central de trabajo es el control de la corrosión en sistemas y ambientes industriales, y ha laborado en diversas universidades, instituciones de investigación y desarrollo, así como en empresas en México, Israel, Venezuela, Japón, Argentina, SudÁfrica, los Estados Unidos y Europa. Ha publicado 100 artículos. En los últimos años ha llevado a cabo estancias como profesor visitante en las Universidades del Mayab, de Baja California y de Campeche. Actualmente es asesor en el laboratorio de Materiales y Corrosión de la UABC. Es editor de la revista internacional “Corrosion Reviews”. Valdez Salas, Benjamín Ingeniero químico, maestro y doctor en química por la UAG donde fue investigador. Profesor-Investigador del Instituto de Ingeniería UABC, fundador/Coordinador de la Red Nacional de Corrosión. Ha publicado 35 artículos en revistas internacionales sobre corrosión, biodeterioro de materiales y medio ambiente, 55 artículos de divulgación en revistas y diarios, dos libros y capítulos en libro. Ha ganado premios nacionales en materiales y corrosión. Pertenece desde 1996 al SNI. Premio al mérito académico 1999 por la UABC en Ciencias e Ingeniería. Miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. Asesor para la industria. Vázquez Martínez, Ernesto Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones en 1988, y Maestría y Doctorado en Ingeniería Eléctrica en 1991 y 1994 respectivamente, en la Universidad Autónoma de Nuevo León, México. Desde 1996 es Profesor Investigador del Doctorado en Ingeniería Eléctrica de la UANL y es responsable del Laboratorio de Sistemas Eléctricos de Potencia y Protecciones. Es miembro del IEEE. Su área de investigación es la aplicación de técnicas de inteligencia artificial en sistemas eléctricos de potencia. 79 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2003 Volumen Volumen de la revista 6 Número Número de la revista 21 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2003, Vol 6, No 21, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2003 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020784 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores ANFEI Corrosión Gas-oil Ingeniería mecánica Metálicos de fullerenos Ruedas de ferrocarril