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���Editorial:
Cómo hacer rentable el
quehacer de científicos,
tecnólogos y académicos
César A. Leal Chapa
Titular del Centro de Inovación y Transferencia de Tecnología
de la FIME-UANL
cleal@mail.uanl.mx
Cuando se lee un título así, es inevitable el surgimiento de una verdadera avalancha de preguntas: ¿y... entonces el quehacer de estos tres roles, no es rentable?,
¿cuáles son los criterios que determinan esta rentabilidad?, ¿está entendida la
rentabilidad como el concepto tradicional de generar utilidades o riqueza?, ¿se
aplicarán los mismos criterios económicos para determinar dicha rentabilidad,
con respecto a otros roles sociales?, ¿deberán ser rentables estas actividades?,
¿estamos hablando de instituciones públicas o privadas?
Para iniciar pudiéramos intentar dar respuesta a la siguiente pregunta, ¿y por qué
hasta ahora surgen estos cuestionamientos?
Una de las principales causas que mueven a estos cuestionamientos es sin duda
de carácter económico, dado que son cada vez menores los recursos con los que
la Federación está comprometida a financiar a las instituciones públicas de educación superior.
Independientemente del desenlace de estos cuestionamientos, es oportuno echar
un vistazo al interior de las instituciones donde se desenvuelven los científicos,
tecnólogos y académicos, a modo de un análisis de la situación actual.
ESTRATEGIAS DEL PASADO, ESQUEMAS PREVALECIENTES
Las estrategias diseñadas en el pasado y acordadas como lineamientos a seguir,
que determinaron en su tiempo la razón de ser del sector de la educación superior y de la investigación científica en México, no han sido renovadas.
Y así es común ver que se siguen empleando en instituciones y grupos de investigación objetivos como, “investigar y formar recursos humanos de alto nivel”, sin
que se explique qué significa “alto”, o también “investigar para sustituir importaciones”, en plena vigencia del TLC, o “disminuir la dependencia tecnológica del
extranjero”, cuando pudiéramos aspirar a venderles tecnología a estos mercados
y verlos como clientes.
Las estrategias actuales son realmente cuestionables, por ejemplo, los criterios
de evaluación del desempeño de académicos e investigadores, donde se privilegia entre otras cosas la cantidad de artículos publicados en revistas de difusión
internacional, aunque esto signifique poner en las manos del mercado internacional conocimientos en forma gratuita que seguramente aprovecharán para conIngenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI No. 18.
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�Editorial / César A. Leal Chapa
vertirlos en tecnología o servicios que para colmo adquiriremos algún día en la
cadena del comercio internacional, sin obtener a cambio una remuneración o
reconocimiento para el autor y alguna ventaja económica para el país. Otro criterio de evaluación similar es la obtención de patentes, que por lo general se tramitan sin condicionar su futura explotación o que tengan cliente.
Este fenómeno de establecer criterios de evaluación inadecuados se da en todos
los niveles, por ejemplo, en las instituciones públicas de educación superior se
utiliza el criterio de aumentar la eficiencia terminal, lo que mueve a académicos a
disminuir la reprobación de sus alumnos, sin garantizar la calidad del egresado, o
peor aún, la inexistencia de criterios para evaluar el desempeño de altos funcionarios
como directores o rectores.
Sería deseable analizar el por qué de la situación actual, efectuar un ejercicio a
nivel nacional para revisar y rediseñar las estrategias de fondo que permitan
redefinir objetivos fundamentales y que expliquen una nueva razón de ser de
estas instituciones, y cómo habrán de adecuarse para tiempos por venir.
Mientras esto sucede se pueden tomar algunas acciones correctivas de carácter
urgente.
ADECUANDO LEYES Y REGLAMENTOS
Pudiera decirse que en ninguna de las instituciones públicas de educación superior
del país, se incluyó en sus objetivos originales el de la generación de riqueza. De
aquí que leyes y reglamentos que las rigen se enfoquen a los objetivos tradicionales de educar, investigar, promover la cultura, extender actividades a la comunidad, atender el contexto laboral con sus empleados, etc., pero no al de regular la
generación de recursos económicos.
Y si bien en la mayoría de las instituciones no se limita esta función, tampoco se
prevee su regulación, dejándola al criterio y buena fe de funcionarios formados
para administrar el proceso educativo, pero no para la productividad económica.
¿Qué adecuar entonces? Habrá que iniciar integrando a los objetivos de la institución la función de la generación de recursos económicos, tendrá que regularse
también sobre la propiedad intelectual, la confidencialidad de la información
estratégica generada, el reparto de las utilidades, el uso de las utilidades
correspondientes a la institución, la relación contractual con los clientes, el manejo
transparente de los recursos, etc.
A todo lo anterior habría que agregar un cambio administrativo, en las instituciones públicas de educación superior, que tienda a asimilar, adaptar y adoptar la
metodología y el estilo administrativo de las empresas productivas.
El cambio de mentalidad de los cuadros académicos y administrativos será sin
lugar a dudas uno de los mayores retos.
ELIMINANDO LA BUROCRACIA
Un investigador, tecnólogo o prestador de servicios que ya vende el producto de
su trabajo al sector productivo, no requiere de más motivación que no ser
obstaculizado, y lo que menos necesita es quién le diga qué hacer, y cómo.
¿Pero cómo es que logran ser burocráticas las estructuras administrativas de las
instituciones públicas de educación superior?
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Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol VI, No. 18.
�Editorial / César A. Leal Chapa
Con el pretexto de vigilar la adecuada operación de la institución, se establecen
una serie de trabas que en vez de facilitar la actividad emprendedora la dificultan,
por ejemplo, estructuras organizacionales de múltiple nivel, procedimientos administrativos a base de memorándums impresos en papel y con múltiples firmas,
tiempos de gestión largos, negligencia o actitud dilatoria en cada etapa de un
trámite, difícil manejo de los recursos obtenidos, pésima relación con proveedores,
y la recientemente adquirida, o en vía de adquisición, burocracia de los sistemas
de calidad.
ANTE ESTO, ¿QUÉ SE PUEDE HACER?
Además de corregir las deficiencias antes mencionadas, habrá que entrenar a los
funcionarios administrativos, establecerles como misión la de facilitar sus procesos,
será necesario generar condiciones para poder recibir a los clientes en ambientes
y espacios adecuados, habrá que esmerarse por lograr servicios administrativos
eficientes y ágiles, que la seguridad, la energía eléctrica, la Internet, la telefonía,
no fallen.
Habrá que dar solución a un problema crítico, que consiste en la devastación o en
el mejor de los casos la pérdida de la continuidad de las actividades productivas
de individuos y grupos, que se presenta como un fenómeno posterior a un proceso
político, de cambio de directivos.
Habrá además que recordar constantemente, que las condiciones y el ambiente
de trabajo favorables, podrán retener a individuos y grupos productivos, de no ser
así, generarán estas condiciones por su cuenta fuera de la institución, o serán
atraídos por otras instituciones que hayan logrado realmente adaptarse.
FORMANDO LA CULTURA DEL TRABAJO RENTABLE
Cuando ya existen en la institución, investigadores, tecnólogos y prestadores de
servicios exitosos y rentables, las cosas pudieran darse en forma natural, el
problema surge cuando no es así.
Cómo convencer a un investigador que no se ha ganado el Premio Nóbel aún, o
que no ha podido aportar algo importante y positivo para la humanidad, que de
momento, le sería de utilidad cambiar el producto de su trabajo por un pago en
efectivo que mejore su estatus socio-económico, o cómo hacer para que todos
los investigadores y tecnólogos pudieran obtener un beneficio mayor que aspirar
sólo al estímulo económico que viene de SEP, CONACYT, SNI, etc.
Una posible solución es la de establecer la “Cultura del Quehacer Rentable”, la
cual se puede lograr difundiendo a nivel institución métodos y estrategias, estableciendo una relación estrecha con individuos, grupos e instituciones que lo estén
logrando, conocer al cliente estableciendo programas de acercamiento, evaluar
las capacidades internas y convertirlas en una oferta.
La formación de la “Cultura del Quehacer Rentable” deberá ser un proceso que
en forma continua forme nuevas habilidades y que adecúe actitudes con el fin de
compartir metas con el cliente, esto se vuelve difícil cuando la actitud prevaleciente es la de enseñar al que no sabe, o de buscar conocimiento como objetivo
en vez de aplicarlo, o buscar un conocimiento que sólo le interese al investigador,
o para el cual no exista cliente.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI No. 18.
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�Editorial / César A. Leal Chapa
Habrá que aprender además:
· Cómo el conocimiento concebido únicamente como un bien de la humanidad, se puede convertir en un bien privado, en una propiedad, que puede
protegerse, rentarse o venderse.
· Cómo determinar la rentabilidad de un proyecto, entender cuáles son las
variables involucradas en el cálculo de costos, fechas límite y tiempos de
entrega.
· Cómo codificar la información para entender qué es lo que quiere el cliente.
· Cómo planear un proyecto de investigación, desarrollo de tecnología o servicio, en función de los mismos criterios con que se planea un negocio.
· Que un proyecto exitoso puede hacer ganar en forma lícita a un investigador, tecnólogo o prestador de servicios, miles o cientos de miles de pesos y
que esto no está peleado con la misión de enseñar, investigar o aplicar el
conocimiento.
PROPAGANDO EL MODELO
Aunque se ha tratado de teorizar acerca de las causas que llevan a individuos o
grupos a ser exitosos y en nuestro caso rentables, la verdad es que no se ha
llegado a un procedimiento o modelo que garantice el éxito.
Sin embargo, seguramente en cada institución, existen algunos casos que lo han
logrado los cuales bien pudieran tomarse como ejemplo de un modelo a reproducir.
Para generar tales réplicas será necesario reproducir las condiciones que apoyaron
su desarrollo. Algunas de estas condiciones serán resultado de factores que
pudieran conseguirse sólo localmente.
No sería de extrañar que en algunos casos fueron y siguen siendo los perfiles de
las personas las que determinaron tan deseado éxito. Si es así queda todavía un
recurso para poder reproducir una réplica, regresar al antiguo modelo maestroaprendiz que permite cuando menos dos escenarios, uno en el que el aprendiz
asimila la mística del maestro, y otro en el que los individuos de la misma naturaleza
se identifican y empiezan a sumar esfuerzos formando una masa crítica en torno
a una actividad común.
A MODO DE CONCLUSIÓN
La situación analizada aquí, lleva ya mucho tiempo, corresponde a una visión de
la realidad de las instituciones públicas de educación superior y de sus profesores,
investigadores, tecnólogos y prestadores de servicios, que tuvo su razón de ser y
que creó hábito.
Si bien es cierto que por largo tiempo las condiciones del país no fueron del todo
propicias para efectuar cambios o adecuaciones, debemos reconocer que la
situación actual dista mucho de ser aquella de hace veinte o treinta años y que
este es el mejor momento para revisar, corregir y reorientar el rumbo de las
instituciones públicas de educación superior.
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Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol VI, No. 18.
�Efecto del hierro sobre
la síntesis del espinel
Juan A. Aguilar Garib, Ubaldo Ortiz Méndez, Moisés Hinojosa Rivera
UANL-FIME., Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, NL 66450, México
aaguilar@ccr.dsi.uanl.mx
Oxana V. Kharissova
FCFN-UANL
ovkharisova@ccr.dsi.uanl.mx
ABSTRACT
The influence of iron over the microstructure, order parameter and
morphology of the spinel in the Al2O3-MgO-Fe2O3 system is described in
this document. Spinel was produced by means of electric resistance at
1400°C and microwaves at temperatures over 2000°C. The obtained samples
were analyzed by means of X rays diffraction, X rays spectroscopy (EDX),
scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) in
contact mode. It was determined that iron in hematite promotes under certain
condition spinel MgAl2O4 formation and that the order parameter is modified.
Regarding morphology, the images show steps and flat zones that provided
information about the growth mechanism of the crystals.
KEYWORDS
Spinel, microwaves, iron, order parameter.
RESUMEN
Proyecto galardonado con
el Premio de Investigación
UANL 2001 en la categoría
de Ingeniería y Tecnología,
otorgado en la Sesión
Solemne del Consejo
Universitario de la UANL e
7 de Septiembre de 2002.
En este trabajo se describe la influencia del hierro sobre la
microestructura, el parámetro de orden y la morfología del espinel en el
sistema Al2O3-MgO-Fe2O3. El espinel fue producido calentando una mezcla
de los óxidos en un horno de resistencia eléctrica a 1400°C por 15 horas
microondas como fuente de energía lo que permitió alcanzar temperaturas
de más de 2000ºC y tiempos de procesamiento de tan solo 30 minutos. Las
muestras obtenidos fueron analizados mediante difracción de rayos X,
espectrometría de rayos X (EDX), microscopía electrónica de barrrido (MEB)
y microscopía de fuerza atómica (MFA) en modo de contacto. Se determinó
que el hierro agregado como hematita favorece en ciertas condiciones a la
formación de espinel MgAl2O4 y que modifica el parámetro de orden. Con
respecto a la morfología, las imágenes muestran escalones y terrazas, que
proporcionan una idea sobre el mecanismo de crecimiento de los cristales.
PALABRAS CLAVE
Espinel, microondas, hierro, parámetro de orden.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
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�Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al
EL SISTEMA MgO-Al2O3
El espinel magnesia-alúmina (MgAl2O4) tiene una
estructura cúbica que muestra semejanzas y diferencias con la magnesia (MgO) y la alúmina (Al2O3).
El MgO y el espinel tienen arreglos cúbicos en tanto
que la alúmina tiene un arreglo hexagonal. Los iones
Al3+ ocupan sitios octaedrales tanto en la alúmina
como en el espinel, mientras que los iones de Mg2+
ocupan lugares octaedrales en el MgO y tetraedrales
1
en el MgAl2O4 (figura 1).
Fig. 1. Parámetros de red de la estructura del espinel,
W. Kingery1
El espinel MgAl2O4 es el único compuesto en el
sistema MgO-Al2O3 y tiene un punto de fusión de
2135°C. Este espinel forma dos eutécticos, uno de
ellos a 45% (en peso) de magnesia con un punto de
fusión de 2030°C y el otro a 98% (en peso) de alúmina con un punto de fusión de 1925°C. Como ya se
mencionó, la estructura está determinada por la
configuración espacial de iones de oxígeno, que son
relativamente grandes, con cationes trivalentes y
bivalentes entre ellos. Debido al tamaño relativo de
los iones de oxígeno es posible tener cierta distorsión de la red sin cambios mayores en ella. Esta
situación da un amplio intervalo de composiciones
para el espinel magnesia-alúmina. En éste, la relación MgO/Al2O3 es de 1/1 (28.2/71.8 en peso) pero
varía en un rango bastante amplio. La mayoría de
las composiciones tienen aproximadamente el mis2
mo parámetro de red, el cual está en el orden de
0.8nm a 0.85nm. Los parámetros del espinel están
presentados en la tabla I.
Los iones de oxígeno en la red son equivalentes
y forman una estructura base, de manera que las
diferencias que se detectan mediante difracción de
rayos X son pequeñas en cuanto a la posición de los
8
Tabla I. La estructura del espinel: datos cristalográficos.
Grupo espacial: Fd3m, No. 227, cúbico centrado en las
caras. Coordenadas atómicas para el MgAl2O4.
Número de coordinación: Mg - tetraedral, MgO4: Al octaedral, AlO6: O - tetraedral, OMgAl3
Átomo Posición
Coordenadas
Fraccionadas
O
32e
uuu;`u`uu;u`u`u;`uu`u;1/4- u,1/4- u,1/4- u; 1/4+u,1/4u,1/4+u;1/4- u,1/4+u,1/4+u;1/4+u,1/4+u,1/4- u +
centrado en las caras
Al
16d
5/8 5/8 5/8; 5/8 7/8 7/8;
7/8 5/8 7/8;7/8 7/8 5/8; +
centrado en las caras
Mg
8a
000;1/4 1/4 1/4+ centrado
en las caras
picos, por lo que es necesario prestar mayor atención
a sus intensidades relativas.
El espinel es una solución sólida que se comporta
de acuerdo a la interacción de las especies presentes,
lo cual se considera cuantitativamente en termodinámica a través de la actividad. Lo que hace
interesante al hierro es que tiene dos valencias (2+ y
3+) y entonces podría ocupar los lugares del magnesio
o del aluminio. Es claro que las propiedades también
dependerían de los sitios ocupados ya que la presencia de este tercer elemento cambia además el
diagrama de fases de acuerdo a las nuevas
actividades de las especies, ya sea 2+ y 3+.
Un factor que complica la estructura del espinel
es que la distribución de cationes en los sitios
tetraédricos y octaédricos puede variar entre dos
casos extremos, los cuales dan lugar al espinel inverso y al espinel normal. Tales distribuciones se
describen mediante la expresión (1).
(1)
A2+ dB3+ 1-d[A2+ 1-dB3+ 1+d] O4
Aquí los iones localizados en los sitios tetraédricos
están escritos antes del paréntesis, mientras que
aquellos en los sitios octaédricos están adentro del
paréntesis rectangular. El parámetro d define el grado
de desorden, el desorden completo está dado por d
igual a 1/3, en el espinel normal d es 1, mientras que
para el espinel inverso d es cero. Los sitios
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al
tetraédricos en la malla cúbica centrada en las caras
de los iones de oxígeno tienen menor volumen que
en los sitios octaédricos. En realidad la estructura se
distorsiona por el movimiento de los iones oxígeno,
los cuales incrementan el volumen de los sitios
tetraédricos, pero disminuye el volumen de los sitios
octaédricos.
La distribución de los cationes A y B depende de
diferentes condiciones geométricas, radio atómico,
valencia, y el estado de las cargas en la malla. Los
sitios tetraédricos son más pequeños que los
octaédricos, así es de esperarse que los iones
trivalentes vayan a los sitios tetraédricos mientras
que los bivalentes, los cuales son más grandes, se
1
acomodan en los sitios octaédricos. La configuración
electrónica también juega un papel importante en la
distribución catiónica, ya que los electrones del metal
pueden dar lugar a enlaces direccionados los cuales
producen mallas con energía mínima.
La estructura del oxígeno que contiene sitios
tetraédricos y octaédricos, pues como ésta es
negativa, los iones metálicos con cargas positivas
pequeñas pueden ser rodeados por exactamente
cuatro iones oxígeno, mientras que los iones con
cargas más grandes pueden estar rodeados por seis
iones oxígeno. Esta es una manera de lograr la
neutralidad eléctrica local dentro de la malla. La
competencia entre el tamaño de los sitios
tetrahédricos y octahédricos y la presencia de los
iones divalentes y trivalentes, introduce restricciones
que producen espineles donde la regla de cuatro y
seis iones oxígeno arriba descrita no se sigue. Por lo
tanto el espinel ni es normal, ni inverso y tampoco
totalmente desordenado. La descripción de estos
diferentes espineles con la misma estequiometría está
3
dado a través de d. Jacob et. al. han demostrado
que las propiedades termodinámicas difieren de
acuerdo a la distribución de los cationes. Una
expresión de estos mismos investigadores para la
distribución de cationes como función de la
temperatura es:
2
x
= 25540
− RT ln
Joules/mol (2)
(1 − x )(2 − x )
donde: x= 1 - d
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
De acuerdo con Singh,4 el parámetro d depende
de las condiciones de preparación del espinel ya que
éste se relaciona con la cantidad de vacancias, las
cuales a su vez están relacionadas con la temperatura.
La ecuación (2) permite cuantificar la normalidad
del espinel, en esta ecuación cuando T disminuye
hasta el cero absoluto se tiene espinel normal y
cuando T tiende hacia el infinito, x tiende a 2/3, lo
cual implica que d es 1/3 cuando la malla está
totalmente desordenada.
PRODUCCIÓN DE ESPINEL
Tomando en cuenta las consideraciones termodinámicas la magnesia y la alúmina deben reaccionar
para formar espinel MgAl2O4. Pero en realidad es
necesario calentar la mezcla de polvos MgO/Al2O3
a temperaturas elevadas, frecuentemente por encima
de los 1200°C para tener una reacción a una rapidez
apreciable. Si la reacción se llevara a cabo en fase
sólida, la primera etapa sería la formación de un núcleo de MgAl2O4. Ésta es difícil por las diferencias
que existen entre los reactivos y los productos,
especialmente en lo que se refiere a la reorganización
que se requiere para llegar al espinel.
El espinel de MgAl2O4 se produce comúnmente
de dos maneras, mediante fusión y mediante
sinterización. La fusión permite tener fase líquida
que asegura la difusión de las especies. En el caso
del sinterizado las temperaturas son inferiores al
punto de fusión y solamente se logra obtener espinel
en ciertas regiones. El espinel se forma en el cuello
producto de la unión de dos granos, en donde la fuerza
motriz para la difusión es mayor.
En este caso es común agregar otros elementos
para reducir las temperaturas de procesamiento,
pero esto afecta las propiedades del producto final.
Para este fin se utilizan generalmente ZnO y SiO2
como impurezas. Cuando el Zn2+ está presente en la
matriz de Al2O3 las vacancias de Al3+ ú oxígeno se
incrementan. El Fe2O3 también puede reducir la temperatura de sinterizado, por ejemplo, si los cristales
de Al2O3 tienen 0.5 % (en peso) de Fe2O3 a 1500
o
C, entonces el spinel Fe (Fe1-xAlx)2O4 comenzará a
4
crecer. Es posible encontrar una proporción de
aditivo que proporcione las mejores propiedades a la
menor temperatura posible solamente cuando se
entiende la naturaleza del espinel. Las pruebas de
9
�Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al
difusión entre MgO y Fe2O3 para formar espinel
MgFe2O4 mostraron que las dos interfases se movían
a razón de 1:2.7, lo cual está cercano al valor ideal
3
de 1:3. Se ha establecido que la difusión de Al3+ en
el MgO a altas temperaturas está relacionado con la
presencia de vacancias y también se ha demostrado
que la presencia de éstas debido a la disolución de
Al3+ en MgO es directamente proporcional a la concentración de Al3+ entre los 1560 y los 1900°C.
se ha demostrado que es posible alcanzar tempera5
turas del orden de los 2000°C por este medio.
HIPÓTESIS
Basándose en las explicaciones dadas sobre el
sistema MgO-Al2O3 se propone que la presencia de
hierro favorece la producción de espinel a una temperatura de 1400°C, la cual es menor que la de fusión
del espinel magnesia-alúmina. Dado que el hierro
puede ser divalente (2+) o trivalente (3+), por lo que
puede tomar los sitios ocupados por el magnesio o
por el aluminio, se propone que el parámetro de orden
del espinel producido a 2000°C con hierro es similar
al que se produce a menor temperatura pero sin la
presencia de hierro.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Se preparó un conjunto de mezclas en el sistema
MgO-Al 2O 3-Fe 2 O 3. Debido a sus propiedades
higroscópicas el MgO fue calentado hasta 800ºC.
Los reactivos MgO, Al2O3 y Fe2O3 fueron mezclados
hasta obtener una mezcla homogénea de los polvos.
Las muestras fueron pesadas y compactadas antes de ser colocadas en un crisol. El horno se mantuvo a 1400ºC y el tiempo de exposición fue de 15 h.
Las composiciones específicas de las mezclas
utilizadas se presentan junto con los resultados con
la finalidad de poder relacionar el tipo de mezcla con
la muestra obtenida en cada caso.
Con respecto a las muestras procesadas mediante
microondas, el propósito era alcanzar mayor temperatura que en el horno convencional, sin considerar
ni excluir la posible influencia de éstas en el proceso.
En este caso el grado de dificultad para procesar las
mezclas es mayor y por eso se describe con mayor
detalle que la del calentamiento convencional. Las
muestras fueron colocadas dentro de un crisol y luego
colocadas en el interior de un horno de microondas
con un magnetrón a 2.45 GHz y 800W. Los reactivos
no absorben microondas a temperatura ambiente,
por lo que es necesario utilizar un agente que sea
capaz de absorberlas en esas condiciones y llevar
los reactivos hasta una temperatura de alrededor de
METODOLOGÍA
Dado que la hipótesis considera en uno de sus
puntos a la influencia del hierro, agregado como
hematita, en la formación de espinel mediante
sinterización, se requiere elaborar una serie de pruebas con diferentes composiciones en las que se compruebe que no se formó fase líquida, de manera que
efectivamente cualquier reacción se lleve a cabo en
estado sólido. También se debe confirmar que la
cantidad de espinel encontrado sea mayor que el
que se esperaría sin la presencia de hierro. En cuanto
a la influencia sobre el parámetro de orden y la morfología, es necesario que las reacciones se lleven a
diferentes temperaturas, incluso mayores que la de
fusión y para ese fin se utilizan microondas ya que
Fig. 2. Esquema del arreglo experimental mostrando la
ubicación del grafito que se utilizó como auxiliar térmico
en los experimentos con microondas.
OBJETIVO
El objetivo de este trabajo se centra en determinar
la influencia del hierro sobre la microestructura, el
parámetro de orden y la morfología del espinel magnesia-alúmina (MgAl2O4) producido en un horno convencional a 1400°C y mediante microondas a
2000°C.
10
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al
400°C en la cual la alúmina absorbe este tipo de
energía. De paso se puede comentar que aunque el
MgO no absorbe microondas el espinel que se forma
es mejor absorbedor que la alúmina, así, una vez que
la reacción se inicia puede proseguir sin la ayuda del
agente mencionado. De acuerdo a experiencias
5
previas con este tipo de material las mezclas fueron
expuestas a la energía de microondas por 30 minutos.
Al igual que en el caso de calentamiento
convencional, la composición de las mezclas se
presenta junto con los resultados para facilitar su
análisis. El arreglo experimental se presenta en la
figura 2.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Las condiciones y composiciones de las mezclas
se presentan en esta sección junto con los resultados
obtenidos, ya que como se mencionó anteriormente,
al tener en un mismo lugar las condiciones de preparación y las fases presentes se simplifica la discusión
de los mismos. El caso del procesamiento convencional a 1400°C se presenta en la tabla II.
Tabla II. Descripción de las mezclas utilizadas y las muestras obtenidas a 1400ºC. Los números romanos corresponden a las composiciones de las mezclas, mientras
que los números arábigos corresponden a la
composición (molar) de cada mezcla particular después
de ser procesada. La letra “E” es para el equilibrio
termodinámico y “D” para la composición estimada a
partir de la difracción de Rayos-X. Los compuestos que
no fueron calculados se indican con un asterisco.
Mezcla
I
II
III
IV
V
Fe2O3
3
5
8.8
10
20
Al2O3
50
50
50
50
50
MgO
47
45
41.2
40
30
Composición
de la muestra
1E 1D 2E
2D 3E
3D 4E 4D 5E 5D
MgO
10
11
5
7
0
6
0
3
0
Al2O3
14
13 16
7
20
0
21
0
30
0
MgAl2O4
70 64 67
57
60
0
57
0
40 0
30
*
56
*
58
*
Mg(Al,Fe)2O4 *
12
9
*
55
MgFe2O4
0.9 0
0.1 0
0.1 42 0.1 40 0.1 27
AlFeO3
*
0
*
1
*
2
*
2
*
0
Fe3O4
0.5 0
1
0
2
0
2.4 0
5
18
Al2FeO4
0.6 0
0.8 0
1. 1 0
1. 4 0
2
0
Fe2O3
4
6
10
12
20
0
0
0
0
0
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
En esta tabla, los números arábigos
correspondientes a las mezclas con las letras E ó D
significan respectivamente el equilibrio
termodinámico de la mezcla formulada y la composición real de la muestra obtenida a partir de esa
formulación. Los asteriscos muestran los
compuestos que no fueron calculados, ya sea porque
faltan datos termodinámicos o debido a la gran
variación en los datos existentes. Como ya lo dijo K.
Jacob et. Al.,3 a pesar del importante papel del
MgAl2O4 en la industria de refractarios, existe una
falta de datos termodinámicos confiable para este
compuesto. Es por eso que el equilibrio fue calculado
suponiendo un comportamiento ideal de los
componentes que forman una sola fase como Darken
6
y Gurry lo sugieren en el caso de gases. Este método
fue validado mediante comparaciones entre cálculos
y comparaciones para los gases presentado en la
referencia anterior, para algunos cerámicos
7
presentados en una compilación de F. Hummer y
1
los diagramas de Kingery et. al. Los datos fueron
8
obtenidos de las tablas de JANAF y O.
9
Kuwaschewski y C. Alcock con buenos resultados. Los datos que se presentan como calculados
en la tabla II son el resultado del modelo validado
por este método.
En el proceso de síntesis de espinel a partir de
los óxidos mencionados, los enlaces de los óxidos se
deben romper para permitir la migración de átomos
a distancias considerables (en escala atómica). Iones
tales como Mg2+ en MgO y Al3+ en Al2O3 se suponen
normalmente fijos en sus sitios en la red, de manera
que es difícil considerarlos en otras posiciones. La
presencia de un aditivo como la hematita puede disminuir la temperatura de procesamiento y hacer esto
posible, ya que sin éste solamente a altas temperaturas tales iones tienen la energía suficiente como
para dejar sus sitios normales y difundir a través del
cristal. El agregar un aditivo equivaldría entonces a
incrementar la temperatura.
La efectividad de la adición de la hematita
(Fe2O3) como un aditivo se puede apreciar en que
las muestras que fueron obtenidas a partir de mezclas
sin hierro presentaron entre 39 y 48% molar de espinel
MgAl2O4, dependiendo de la composición de mezcla.
Cuando se agregó 3% molar de hematita (Fe2O3)
el porcentaje de espinel obtenido se incrementó al
64% molar. Un incremento de hematita al 5% molar
11
�Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al
incrementó la formación de espinel al 76%, disminuyendo la magnesia (MgO) y la alúmina (Al2O3). Esto
significa que la presencia de hierro favorece la formación de espinel, aunque no toda la magnesia reaccionó con la alúmina (figuras 3 y 4).
Fig. 5. Patrón de difracción de rayos X de una muestra
con 10% molar de Fe2O3, 50% molar de MgO y 40% molar
de Al2O3.
Fig. 3. Patrón de difracción de rayos X de una muestra
con 5% molar de Fe2O3, 50% molar de MgO y 45% molar
de Al2O3.
Fig. 6. Una imagen de microscopía electrónica de barrido mostrando las diferentes fases sin y con hierro de
una muestra con 10% molar de Fe2O3, 50% molar de MgO
y 40% molar de Al2O3.
Fig. 4. Imagen de microscopía electrónica de barrido
de una muestra con 5% molar de Fe2o3, 50% molar de
MgO y 45% molar de Al2O3.
La presencia de menos de 9% molar de hematita
permite la formación de espinel aunque el hierro no
entra a formar parte de la estructura en general.
Forman AlFeO3 y no cambia su estado de oxidación
a Fe2+. En las mismas condiciones MgAl2O4, MgO,
Al2O3, y AlFeO3 están presentes.
Como resultado del incremento de hematita al
10% molar se forman dos tipos de espinel, el
MgAl2O4 y el Mg(Al0.91Fe0.09)2O4 (figuras 5 y 6).
12
Es importante observar que si la hematita no favoreciera a la formación de espinel, entonces se obtendría una menor cantidad de éste.
El MgO reaccionó totalmente de manera que se
puede decir que el Fe3+ entró en la red del MgAl2O4.
Entre 20 y 45 % molar de Fe2O3, los iones de Fe3+
forman Mg(Al,Fe)2O4 en una sola fase.
Se encontró hematita libre a composiciones bastante arriba de este rango (más de 60% molar), pero
observando cuidadosamente los patrones de
difracción de rayos X se encuentra que la fase estable
es maghemita (FeIII2O3).
Aunque la nucleación es complicada en las condiciones en las que se sinteriza el espinel, se puede
tener una serie de pasos sucesivos que den como
resultado final el crecimiento de espinel. La presencia
de Fe2O3 permite obtener espinel a temperaturas
tan bajas como 1400°C. Las imágenes obtenidas
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al
mediante microscopía de fuerza atómica (MFA) dan
mejor evidencia de este punto como se mostrará posteriormente.
La nucleación de MgAl2O4 está acompañada por
la reorganización de iones en los sitios en los que se
tiene intercambio de iones Mg2+ y Al3+ a través de
las interfases entre las partículas de MgO y Al2O3.
Un análisis más concienzudo hace notar que
cuando la temperatura es de 1400ºC (tabla II), concentraciones bajas de hematita producen espinel
cerca de lo previsto termodinámicamente, sin
embargo cuando se tienen 8.8% de hematita, el
MgAl 2 O 4 se forma en menor cantidad y los
principales productos son Mg(Al, Fe)2O4, AlFeO3 y
MgFe2O4, aún y cuando termodinámicamente la
producción del espinel no debería de disminuir con
pequeñas cantidades de hematita.
Las mezclas y las muestras obtenidas en las pruebas con microondas en las que se alcanzó una temperatura de 2000ºC se muestran en la tabla III (siguiendo las reglas dadas para la tabla II): En este
caso se puede decir que fue posible producir
MgAl2O4 cerca del equilibrio termodinámico, sin
embargo arriba de 15% de hematita, la cantidad de
MgAl 2 O 4 disminuye y ahora el principal es
Tabla III. Descripción de las mezclas utilizadas y las muestras obtenidas a 2000ºC. Los números romanos corresponden composiciones de las mezclas, mientras que
los números arábigos corresponden a la composición
(atómica) de cada mezcla particular después de ser
procesada. La letra “E” es para el equilibrio termodinámico y “D” para la composición estimada a partir de la
difracción de Rayos-X. Los compuestos que no fueron
calculados se indican con un asterisco.
Mezcla
Mg(Al0.91Fe0.09)2O4. Estas reacciones toman Mg y
Al de la mezcla y así evitan la formación de
MgAl2O4.
En la tabla IV se presentan algunas
características de los posibles compuestos en este
sistema. Es importante hacer notar que ninguno
de estos últimos estaba presente en las mezclas
al inicio, así si estos se formaron fue debido a que
son termodinámicamente estables en las
condiciones que impone la presencia del hierro.
Los cálculos fueron hechos bajo el supuesto de
un comportamiento ideal de los reactivos, sin
embargo las desviaciones entre los valores
calculados y los obtenidos son difíciles de explicar
a partir simplemente de los cambios en la actividad
de los reactivos.
Tabla IV. Parámetros de red de diferentes especies encontradas en el sistema MgO-Al2O3-Fe2O3. International
Centre for Diffraction Data.10 Los puntos de fusión provienen de las referencias 1 y 9
Parámetro de red (Å)
Punto de
Fusión (°C)
Óxido doble de hierro
FeAl2O4
y aluminio (hercynita)
Cúbica, a=8.1534
1780 [8]
Óxido de magnesio,
hierro y oxígeno
(ferroespinel)
Mg(al,Fe)2O4
Cúbica, a=8.1905
Óxido de magnesio,
hierro y oxígeno
Mg(Al0.91,Fe0.09)2O4 Cúbica, a=8.1
Óxido de magnesio y
aluminio (espinel)
MgAl2O4
Cúbica, a=8.08
(Preparada mediante
2135 [8]
reacción al estado sólido)
Óxido de magnesio y
aluminio (espinel)
MgAl2O4
Cúbica, a=8.0831
(Preparada en horno de
arco elétrico)
2135 [1]
Hematita
Fe2O3
Hexagonal, a=5.0317,
c=13.737
1594 [8]
Corundum
Al2O3
Hexagonal, a=4.751,
c=12.97
2054 [1]
Magnesioferrita
MgFe2O4
Cúbica, a=8.366
1700 [8]
1597 [8]
Nombre
Compuesto
VI
VII
VIII
IX
Fe2O3
5
8.8
15
20
Al2O3
50
50
50
50
Magnetita
Fe3O4
Cúbica, a=8.391
30
Periclasa
MgO
Cúbica, a=4.203
2825 [8]
Wustita
F eO
Cúbica, a=4.296
1400 [8]
MgO
45
41.2
Composición de
la muestra
6E
6D
35
7E
7D
8E
8D
9E
9D
MgO
13
22
11
4
7
4
6
3
Al2O3
18
14
20
2
24
2
27
0
MgAl2O4
61
28
56
48
47
47
40
0
Mg(Al0.91Fe0.09)2O4
*
30
*
36
*
36
*
53
MgFe2O4
0
0
0
0
0
0
0
0
AlFeO3
*
1
*
0
*
0
*
0
Fe3O4
3.5
0
6.6
0
12
0
15
0
Al2FeO4
3.5
6
4.8
10
7
11
9
44
Fe2O3
1.2
0
1.8
0
2.6
0
3
0
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
Es claro que los modelos cinéticos planteados
correctamente coinciden con la termodinámica
cuando éstos describen sucesos en tiempos muy
largos, infinitos para ser precisos. Sin embargo, lo
que pasa frecuentemente es que muchos de los
datos termodinámicos han sido obtenidos a partir
de experimentos realizados a escalas de tiempo
normales, y estas constantes incluyen aspectos
cinéticos.
13
�Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al
En otras palabras, si la difusión de un ión no es
posible debido a que la energía de activación es demasiado grande para ser alcanzada, entonces los experimentos que evalúan las constantes termodinámicas de este sistema particular incluyen criterios
de equilibrio que toman en cuenta esta dificultad.
Jacob et. Al.3 explican como los datos termodinámicos están afectados por la distribución catiónica
del espinel MgAl2O4, lo cual es precisamente el caso
11
aquí. Otro aspecto es que, como Zhang lo estableció, la difusión del Al3+ en MgO a altas temperaturas está relacionado con la presencia de vacancias
creadas por disolución de Al3+ en MgO, la cual es
directamente proporcional a la concentración de Al3+
en el rango de 1560 a 1900ºC. Por lo tanto, menos
MgO significa menos disolución (y difusión) de Al3+,
lo cual en combinación con más Fe, el cual puede
tener una valencia de 3+ o 2+, reduce aún más la
oportunidad del Al3+ para moverse dentro de la red.
Debido especialmente a que el punto de fusión
de la hematita y de los espineles de hierro es más
bajo que el de la alúmina, lo cual significa que a ciertas
temperaturas la difusión del hierro es mayor que la
difusión del aluminio. Estas interacciones entre átomos son las únicas posibles explicaciones, dentro de
este trabajo, por el hecho que los espineles de fierro
se producen en lugar de los espineles de magnesiaalúmina, lo cual se supone son los productos que
termodinámicamente deben aparecer. Hay que
insistir en que simples suposiciones geométricas no
son suficientes para explicar los cambios en la
difusión, pues el radio atómico del Al3+ es tan
pequeño, comparado con el de oxígeno, como el Fe+2
o F+3 (tabla V).
Si la explicación fuera la difusión y la distribución
catiónica, a altas temperaturas (2000ºC) existirían
más productos de hierro y menos contenido de
Tabla V: Radio Atómico de los diferentes iones12
Nombre
Ion
Radio Atómico
(Å)
Aluminio
Al+3
0.51
Hierro
Fe+2
0.74
Hierro
Fe+3
0.64
Magnesio
Mg+2
0.66
Oxígeno
14
-2
O
1.32
hematita. En otras palabras, a altas temperaturas
las composiciones de las muestras son más cercanas
al equilibrio termodinámico solamente si la
competencia para difundir del fierro y la alúmina es
la misma que a baja temperatura (1400ºC), lo cual
no es el caso ya que los espineles de hierro son
líquidos a la temperatura de 2000ºC y la difusión es
mayor. Por lo tanto, aun con esas condiciones los
resultados deberían mostrar menos espinel alúminamagnesia y más compuestos de hierro. En la tabla
III, a pesar de lo discutido anteriormente en este
documento, la fase líquida consume la mayor cantidad
de óxidos de magnesio y aluminio contenido a lo
esperado termodinámicamente. La descripción
fenomenológica de la síntesis de espinel a partir de
los óxidos precursores, tiene que ver con bandas de
óxidos que deben de quebrarse para permitir la
migración de átomos en distancias considerables (a
escala atómica). Tales iones como Mg2+ en MgO y,
Al3+ en Al2O3 son comúnmente determinados como
fijos en los sitios apropiados en las celdas, así es
difícil para ellos moverse a los sitios vacíos. Se puede
suponer que los iones Fe3+ no entran en la estructura del MgAl2O4, pero también que el Fe3+ cambia su
estado de valencia a Fe2+ y forma el FeAl2O4.
La hematita además es un aditivo que no sólo
disminuye la temperatura de reacción, especialmente
porque la distribución de cationes no es solamente
geométrica, también por la competencia entre el hierro y el aluminio por los sitios tetraédricos y
octaédricos, se crea una distorsión en la estructura
y el parámetro de red se ve modificado.
Se llevaron a cabo múltiples experimentos, además
de los de la tabla II, para probar lo anterior. La figura 7
muestra el amplio rango de composiciones que fue
empleado. Nótese la variedad de las posibles fases
producidas en el sistema MgO-Al2O3-Fe2O3.
De acuerdo a los patrones de difracción, el
parámetro de red es de 8.0831 Å tanto para el espinel
producido a 1400ºC en el horno de resistencia eléctrica, como para el obtenido a 2000ºC en el horno de
microondas. Este resultado sugiere que la energía que
entra en la muestra es muy similar en ambos casos.
La adición sucesiva de hierro (como hematita), reduce la cantidad de espinel MgAl2O4. Otro producto
es Fe2Al2O4, como se presentó en la tabla II.
Una observación importante fue que el espinel
MgAl2O4 que fue producido con una concentración
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al
Fig. 7. Diagrama ternario para el sistema magnesia (MgO)alúmina (Al2O3)-hematita (Fe2O3) en el que se muestran
las composiciones estudiadas y las fases encontradas.
alta de hematita cambia su parámetro de red desde
8.0831 a 8.08 Å, esto produce ligeros cambios en
los picos de difracción (Ley de Bragg). Otro aspecto
es que la intensidad de los picos también varía, por
ejemplo el plano (111) localizado a 19.028º (2q) que
tiene una intensidad relativa de 0.35 en el espinel
cambia a una intensidad de 0.04 y 18.987º. La
intensidad de los picos está relacionada al factor de
estructura, y este último a las coordenadas
fraccionales de cada átomo en la malla. Un aspecto
que debe ser tomado en cuenta es que el parámetro
de oxígeno, el cual corresponde a la distancia entre
el ion de oxígeno y el vértice a lo largo de las
diagonales, está afectado por la distorsión que se
introduce en la malla por los iones metálicos. Por el
tamaño de los sitios tetraédricos y octaédricos esto
cambia, y los cationes pueden cambiar sus posiciones
de tal forma que el parámetro de orden (d) del espinel
se modifique, dando lugar a un factor de estructura
que cambia los picos. La distribución de cationes
que ha sido presentada (ecuación 2) corresponde a
un espinel libre de hierro. La figura 8 muestra que la
relación entre d (calculado a partir de la ecuación 2,
parte baja de la curva) con respecto a la temperatura,
permite ver que el espinel no es normal (En el espinel
normal d es igual a 1).
El parámetro de red del espinel es 8.08 Å. En
este trabajo se muestra que el espinel normal no se
produce cuando la hematita está en pequeñas cantidades en la mezcla, también, a medida que la cantidad
de hematita aumenta el espinel “normal” fue producido en mayor cantidad. El efecto neto del hierro es
que la temperatura aparente aumenta cuando la
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
Fig. 8. Parámetros de orden d como función de temperatura.
hematita es parte del sistema, lo cual es razonable
debido a que el punto de fusión de los compuestos
de hierro son bajos. El efecto global está representado por la constante en la ecuación 2 (25540 J/mol),
lo cual está relacionada a la energía para el proceso
de difusión. De acuerdo a la explicación que relaciona las vacancias y puntos de fusión arriba descrita, más hierro implica que la difusión del aluminio es
más difícil. En la figura 8 hay otras dos curvas calculadas con la misma ecuación, pero considerando
1.5 y 2 (curva superior) veces el valor de energía
(38310 y 51 080 J/mol). La línea se mueve de tal
manera que se puede observar que el orden del
parámetro es casi el mismo a alta temperatura cuando el hierro está presente. Esto es, las curvas y los
resultados están en buen acuerdo. Esto está soportado sobre el hecho que el patrón de la difracción de
Rayos-X fue tomado a 25ºC a partir de muestras
obtenidas a partir de un horno de arco eléctrico, y el
10
exceso de MgO fue removido en HCI caliente.
El espinel obtenido a baja temperatura por procesos como los de reacción en estado sólido tienden
a tener estructura normal. En este patrón de
difracción, los picos no corresponden al espinel
normal. A bajas concentraciones de hierro, el espinel
que se obtiene es igual al espinel normal sin importar
si fue producido por calentamiento convencional a
1400ºC o a través de microondas a 2000ºC. Cuando
el proceso fue realizado en un sistema binario, la
fase formada es principalmente espinel. En la figura
9 se presentan varias composiciones donde el espinel
fue encontrado.
15
�Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al
Fig. 9. Patrones de difracción de rayos X de varias muestras obtenidas a 1400°C que muestran Mg(Al,Fe)2O4. Las
composiciones (% molar) son: Muestra 50) 35 MgO-55
Al2O3-10 Fe2O3: Muestra 46) 50-MgO-40Al2O3-10Fe2O3 :
Muestra 33) 40 MgO-55 Al2O3-10 Fe2O3: Muestra 32) 40
MgO-40 Al2O3-20 Fe2O3.
Con respecto a la presencia del espinel Fe
(Fe1-xAlx)2O4, este estudio está de acuerdo y amplía
13
los resultados presentados por Moon y Philips a
1500ºC.
Una vez que se ha comprobado la formación de
espinel se llevaron a cabo las observaciones mediante microscopía de fuerza atómica, para tratar de
describir las etapas posibles que intervienen en el
crecimiento de los cristales de espinel. Se aprecia
estructura celular para las dos rutas de producción
utilizadas (convencional y microondas) (figuras 10 y
11). Se sugiere que es resultado del sobre-enfriamiento constitucional del sistema reaccionando debido
a la acumulación de impurezas cerca de la superficie.
Fig. 11. Vista tridimensional (3D) de la superficie del
espinel mediante microscopía de fuerza atómica en modalidad de contacto. La muestra fue obtenida a partir
de una mezcla (% molar) de 50 Al2O3-35 MgO- 15 Fe2O3,
mediante microondas.
La distribución de las impurezas en los cristales
del espinel formado depende del gradiente de temperatura. En estos experimentos el calor fue extraído del centro de la muestra hacia el exterior en dirección perpendicular al frente de crecimiento. En
estas condiciones las impurezas se desplazan del
centro a la periferia y por lo tanto la concentración
de éstas es mayor en las fronteras que en el centro.
Se ha observado que en las muestras en las que se
utilizaron microondas como fuente de energía contenían cristales parecidos a dendritas en algunos lugares. Este hecho demuestra que la rapidez de enfriamiento se vuelve suficientemente alta en ciertos
lugares y la estructura celular de la superficie se
perturba con una tendencia a formar dendritas o
monocristales (Wiskers). Se encuentra que el cristal
crece mediante la formación sucesiva de escalones
Tabla VI. Análisis mediante EDX en diferentes puntos de
la frontera de los cristales de Mg(Al,Fe)2O4.
Muestra obtenida a partir
de una mezcla de
Elementos 50Al2O3-30MgO-20Fe2O3
(%molar) calentada
convencionalmente
Fig. 10. Vista tridimensional (3D) de la superficie del
espinel mediante microscopía de fuerza atómica en modalidad de contacto. La muestra fue obtenida a partir
de una mezcla (% molar) de 50 Al2O3-45 MgO- 5 Fe2O3,
mediante calentamiento convencional.
El análisis de las fronteras de los cristales se
llevó a cabo mediante espectrometría de rayos X
(EDX) pone en evidencia una mayor concentración
de hierro (tabla VI).
16
Muestra obtenida a partir
de una mezcla de
Composición
50Al2O3-40MgO-10Fe2O3 en el cristal
(%molar) calentada
tipo dendrita
mediante microondas
O
Mg
Al
Fe
59.2
5.26
32.06
3.51
64.37
4.74
24.11
6.78
62.44
26.1
5.23
6.18
O
Mg
Al
Fe
54
6.19
35.7
4.11
62.5
5.06
24.71
7.73
60
27.14
5.54
7.32
O
Mg
Al
Fe
56.68
5.95
33.22
4.16
62.59
3.9
25.36
8.15
58.93
28.15
5.35
7.57
O
Mg
Al
Fe
53.7
6.27
35.48
4.55
59.88
5.16
26.74
8.23
57.88
26.35
6.5
9.27
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al
Fig. 12. Ejemplo típico de la morfología de la superficie
clivada del espinel. Muestra de la Fig. 11.
(figura 12) vía la penetración de partículas en la estructura, pero solamente en sitios privilegiados para
el crecimiento, los cuales son la fuente de los escalones. En las condiciones de crecimiento, las secciones con escalones desaparecen, dejando una superficie regular en la cual se puede dar crecimiento de
nuevos escalones tan pronto como se presenten nuevas fuentes de escalones. Esto puede ser explicado
por diferentes velocidades de crecimiento, las cuales
dependen a su vez de la cantidad de materia llegando
desde la superficie mediante difusión. Se observan además terrazas amplias sobre algunos de los escalones,
las cuales sugieren crecimiento estable.
Algunos escalones muestran bordes redondeados (figura 13), lo cual demuestra que la difusión
superficial puede no ser uniforme, y que en algunos
casos lleva al empobrecimiento de soluto de un escalón y que en otros se den cristales elongados semejantes a dendritas (figura 14).
Fig. 13: Imagen de microscopía de fuerza atómica de
la frontera de los escalones en una muestra que fue
obtenida a partir de una mezcla (% molar) de 50 Al2O330 MgO- 20 Fe2O3, mediante microondas.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
Fig. 14. Imagen de microscopía electrónica de barrido.
La dendrita es más rica en Mg y Fe. La muestra corresponde a la de la Fig. 13.
El análisis (EDX) de los cristales en forma de
dendrita revelan una concentración mayor de hierro
y magnesio (tabla VI). Se observó un incremento en
el número de cristales presentes en las muestras que
fueron obtenidos mediante microondas. Esto podría
ser explicado por una interacción con el campo eléctrico que resulta en fluctuaciones de energía que contribuyen a la formación de microcristales estables.
Las observaciones realizadas mediante
microscopía de fuerza atómica (figuras 15 y 16) además evidencian que en las muestras obtenidas mediante microondas hay crecimiento orientado, posiblemente en la dirección del campo eléctrico.
Fig. 15. Vista tridimensional (3D) del crecimiento de un
cristal mediante microscopía de fuerza atómica en modalidad de contacto. La muestra fue obtenida a partir
de una mezcla (% molar) de 50 Al2O3-30 MgO- 20 Fe2O3,
mediante microondas.
17
�Efecto del hierro sobre la síntesis del espinel / Juan A. Aguilar G. et al
Fig. 16. Vista tridimensional (3D) del crecimiento de un
cristal orientado. La muestra fue obtenida a partir de
una mezcla (% molar) de 50 Al2O3-45 MgO- 5 Fe2O3, mediante microondas.
CONCLUSIONES
En este trabajo se demostró que la producción
del espinel magnesia-alúmina a 1400°C es posible
cuando se agrega hematita a la mezcla de magnesia
y alúmina. La presencia de hierro produce
compuestos tales como maghemita y magnesioferrita.
Por encima del 50% molar de hematita la muestra
no presenta más compuestos con hierro y la hematita
queda libre de la solución.
Un aspecto importante es que el hierro no es una
impureza, sino más bien un aditivo para disminuir la
temperatura de procesamiento del espinel.
Se presentan en este trabajo de manera general
las fases que pueden encontrarse en el sistema
alúmina-magnesia-hematita, que no ha sido
completamente reportado. Los cálculos
termodinámicos dependen de la consistencia de los
datos, y en este trabajo se muestra que hay diferentes
tipos de espinel, lo que explica el amplio rango de
valores de constantes termodinámicas. La adición
de hematita no inhibe la producción del espinel
alúmina-magnesia, a menos que alcance los valores
del 8% a 1400ºC o 15% a 2000ºC, valores para los
cuales el equilibrio promueve la formación del espinel
de hierro, este efecto no se reduce con la temperatura, lo que prueba que el cambio de fase al estado
líquido juega un papel en la difusión de los iones de
hierro sobre la de los iones de aluminio. La presencia
del hierro induce la producción del espinel magnesiaalúmina en la estructura normal a alta temperatura,
18
y la estructura tiene un parámetro de red de 8.0831
Å. El hierro induce el orden en el espinel alúminamagnesia, cuando el MgAl2O4 se obtiene con hierro
a alta temperatura, el orden es similar al preparado
por procesamiento en estado sólido a bajas temperaturas. Los resultados confirman que los iones de
aluminio reducen su movilidad cuando el hierro está
presente, lo cual explica porque el espinel MgAl2O4
no se produce arriba de los porcentajes de hematita
arriba mencionados.
Por otra parte la presencia de hierro altera las
propiedades estructurales de la superficie, tomando
en cuenta el método de procesamiento. En ambos
casos la difusión se vuelve no-uniforme. Se presentan
series de escalones y terrazas sucesivas que seguramente constituyen el mecanismo de crecimiento
del espinel. La interacción del campo eléctrico crea
fluctuaciones energéticas que contribuyen a la formación de microcristales estables. Se especula que
los cristales están orientados por el campo eléctrico,
lo que por supuesto requiere trabajo posterior.
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan su gratitud al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y al Programa de
Apoyo a la Investigación Científica y Tecnológica
de la UANL por su apoyo económico. Oxana
Kharissova expresa además su gratitud a la
Secretaría de Relaciones Exteriores de México.
REFERENCIAS
1. W. Kingery, H. Bowen, D. Uhlmann, “Introduction
to Ceramics”, John Wiley and Sons, (1976) pp.
64, 991
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19
�CIQA: El Centro de Investigación
en Química Aplicada
Eduardo Estrada Loyo
Asistente editorial de la revista CiENCiA UANL.
ciencia@ccr.dsi.uanl.mx
En el contexto mundial de la globalización cobra relevancia el desarrollo de la
investigación científica y tecnológica, al mismo tiempo que la formación de
profesionales y especialistas de altura.
Los Centros Públicos de Investigación Científica y Desarrollo Tecnológico
son un grupo de instituciones encargadas de cumplir con la tarea de crear y
transmitir a la sociedad la innovación y el desarrollo tecnológico. Así como el
fomentar la competitividad en la empresa y en la industria.
Estos centros son parte de un sistema creado por la Secretaría de Educación
Pública y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. En total son 28 centros
de investigación que abarcan los principales campos del conocimiento científico y
tecnológico.
Los Centros Públicos de Investigación Científica y Desarrollo Tecnológico
están orientados a cuatro áreas. Nueve a las ciencias exactas y naturales, 10 a
las ciencias sociales y humanidades, siete especializados en desarrollo e innovación
tecnológica y dos a la prestación de servicios. Estas instituciones tienen su sede
en dieciséis ciudades del país. Incluyendo unidades y subsedes; su influencia se
extiende a 42 ciudades, además de la de México, descentralizando, de alguna
manera, la actividad científica y tecnológica.
Otro aspecto fundamental de estos centros es su participación en la formación
de recursos humanos de alto nivel. 25 de estos centros cuentan con programas
de postgrado o participan en los mismos en combinación con otras instituciones
académicas, como la UANL. Dichos programas están integrados por cursos,
talleres, diplomados, especializaciones, licenciaturas, maestrías y doctorados. Los
cuales constituyen, hasta la actualidad, 34 programas de doctorado y 45 de maestría.
Uno de estos centros, (CIQA), del sistema SEP-CONACYT, se ubica en la
ciudad de Saltillo, Coahuila. Siete edificios albergan las distintas áreas del Centro,
donde se hallan: la administración, las aulas, los laboratorios y las pequeñas plantas de producción de polímeros con que cuentan.
Fundado en 1976, en un principio el CIQA se dedicó al estudio y
aprovechamiento de los recursos naturales de las zonas áridas, específicamente,
las propiedades del guayule, la candelilla, la palma, la lechuguilla y la gobernadora. Plantas de las cuales se obtiene hule natural, cera, fibras y extractos, respectivamente. El Centro se ocupó de esta actividad durante los primeros ocho años,
creciendo en torno a estos proyectos.
20
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�CIQA: El Centro de Investigacón en Química Aplicada / Eduardo Estrada Loyo
En 1984 la junta directiva del CONACYT requirió al CIQA para trabajar con proyectos que le pudieran interesar a la industria, así fue como el Centro
orientó sus objetivos al área de polímeros, o plásticos. Para entonces, ya existía el departamento de
polímeros, así como el de química agrícola, biología
vegetal y química analítica. Incluso existía un departamento de estudios socioeconómicos, que abordaba
los asuntos relacionados con las comunidades ejidales
ubicadas en las zonas donde abundan las plantas
arriba mencionadas.
El CONACYT también le solicitó al CIQA que
se dedicara a una sola área de investigación. La Junta
Directiva del CONACYT no quería que estuviera tan
disperso. El departamento de polímeros era el que más
había crecido, por lo que se tomo la decisión natural de
dedicarse a ello. Además se vislumbraba que el área
de plásticos estaba creciendo en nuestro país.
Fue así como el CIQA inició una ardua labor de
vinculación con la industria. En aquel entonces el
mercado de México era un mercado cerrado, es
decir, lo que producía una empresa mexicana, bueno
o malo, forzosamente se vendía en el país. Las
fronteras se encontraban cerradas a la competencia exterior. A las empresas en esas condiciones, no
les interesaba desarrollar tecnologías para mejorar
sus productos.
Por otro lado la vinculación de las universidades
e institutos de investigación públicos con las empresas, única y exclusivamente se realizaba a través de
la SEP, por lo tanto, era difícil, en cuanto a atajos,
relacionarse directamente con la industria.
Consecuentemente, la vinculación del CIQA con
la industria se vino fortaleciendo al firmarse el Tratado de Libre Comercio entre México, Estados
Unidos y Canada, dando fin al proteccionismo oficial
y fomentando la competencia.
Actualmente el CIQA continúa desarrollando y
fortaleciendo esta vinculación, haciendo investigación, creando tecnología, proporcionando asistencia técnica y capacitación, orientando sus proyectos
a la creación de nuevas tecnologías basadas en
productos ya existentes, con modificaciones ligeras
o fuertes, aunque también lleva a cabo sus propios
desarrollos.
Otra área que investiga el CIQA es la creación
de metodologías para la optimización de los proce-
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
sos de producción del plástico caracterizándolo con
nuevas propiedades, mejorando sus procesos de producción e incrementando la productividad.
En nuestro país, la gran y la mediana industria,
demandan a los Centros de investigación científica
como el CIQA, el desarrollo de tecnología.
La mediana y la pequeña industria, les requieren
asistencia técnica para mejorar su productividad, para
eficientizar sus procesos de producción, y para el
análisis y pruebas de materias primas.
LOS PLÁSTICOS
El CIQA trabaja, predominantemente, con los
plásticos del tipo Comodities, entre los que destacan;
el polietileno, el polipropileno y el PVC, los cuales
son los de más alto consumo. Respecto a los de Ingeniería, en el CIQA se investiga el nylon y el
poliéster, principalmente.
Aproximadamente un 90% de la producción de
plásticos en México pertenece a la categoría de los
Comodities, son los más baratos. México es un gran
productor de PVC y de polietileno. Produciendo, con
dificultad, el suficiente polipropileno y poliestireno para
satisfacer la demanda nacional. Actualmente, se está
empezando a producir poliéster y nylon en cantidades aceptables en plantas de tecnología extranjera
que se han venido instalado en el país en los últimos
cinco años. En el caso del nylon el productor más
grande se encuentra en nuestra ciudad: el grupo
AKRA de Monterrey.
De todo el plástico que se consume en México,
un 40% se destina al empaque envase y embalaje.
Es el tipo de plásticos que más servicios de desarrollo
tecnológico, o de aumento a la productividad,
demandan las empresas a los centros de investigación.
21
�CIQA: El Centro de Investigacón en Química Aplicada / Eduardo Estrada Loyo
El CIQA investiga poco, relativamente, con el
PVC, los adhesivos, y plásticos destinados al uso eléctrico, electrónica o la industria automotriz, comparado con los productos destinados al empaque, envase
y embalaje.
En cuanto a plásticos destinados para su uso en
el área médica, no se ha hecho en México mucha
investigación, aunque existe un mercado. En ese
campo el CIQA está desarrollando polímeros que
ayudarán al tratamiento de las fracturas.
PROCESOS DE PRODUCCIÓN
85% de los plásticos que se producen en México
se procesan a través de las técnicas de extrusión e
inyección.
El otro 15% corresponde a los plásticos procesados a través de los métodos de calandrado,
termoformado, vaciado y moldeo por compresión. El
proceso de calandrado o laminación se efectúa en
una maquina con dos rodillos, entre los cuales se
hace pasar el plástico que va saliendo en forma de
lámina.
A continuación exponemos las áreas de desempeño donde el CIQA ha centrado sus líneas de investigación y servicios.
Síntesis y modificación química de materiales
poliméricos
En los laboratorios y en las pequeñas plantas de
producción que tiene el CIQA, se realiza la modificación química y la caracterización de materiales.
Por ejemplo, el polietileno es una molécula compuesta
de carbono e hidrógeno, al agregársele anhídrido
maleico en un 3%, queda “injertada”, infiriéndole
ciertas características químicas.
Síntesis de aditivos especiales para polímeros
Existen dos tipos de aditivos; uno para reforzar
las características del plástico y el otro para protegerlo del ambiente.
El primero se utiliza para hacerlo más resistente
al impacto, que no se quiebre fácilmente. El otro
evita que se degrade, por ejemplo cuando se exponen al Sol continuamente por efecto de la luz
ultravioleta. Este tipo de aditivos forman una pantalla contra dicha radiación. El CIQA ha trabajado
constantemente en la síntesis de nuevos aditivos ya
que la mayor parte de los plásticos que se usan como
producto final los requieren.
22
Polimerización en emulsión y microemulsión
Este proceso se utiliza frecuentemente en la fabricación de pinturas y en la producción de plásticos como el PVC o el acrílico. Utilizando un reactor
químico para lograr la emulsión. En el CIQA se investiga, particularmente, con los reactivos que inciden
en el tamaño de las partículas del látex o emulsión, la
cual suele resultar en una pintura compuesta por partículas de plástico. Cuyo tamaño incidirá en las propiedades de la misma. De tal forma que se busca
predecir o dominar el tamaño de estas partículas, lo
cual incidirá en las características del producto final.
Mezclas y aleaciones de polímeros
En los plásticos, igual que en los metales, se recurre frecuentemente a la mezcla y la aleación de
polímeros. Las mezclas de polietileno y polipropileno,
son las más utilizadas en el plástico común y corriente, también existen mezclas de nylon y polietileno, en
fin; existen muchos tipos y variedades de mezclas
con grados y concentración diferentes. De lo que se
trata aquí es que el producto final reúna ciertas
características. Requiriéndose de compatibilidad
entre los productos plásticos a mezclar. El CIQA ha
estado trabajando en el desarrollo de los denominados compatibilizantes o procesos de compatibilización
de los polímeros.
Caracterización de materiales
El CIQA cuenta con instrumental y equipo para
analizar, caracterizar y determinar con exactitud, la
estructura química y la concentración de todos los
elementos que conforman los polímeros. En este
campo se han desarrollado metodologías para caracterizar y analizar los materiales plásticos, haciendo
algunas aportaciones tecnológicas, por ejemplo en la
agricultura, donde el CIQA ha realizado algunos proIngenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�CIQA: El Centro de Investigacón en Química Aplicada / Eduardo Estrada Loyo
yectos de investigación que se han aplicado
exitosamente.
Es en el sistema de riego por goteo, donde el
CIQA ha caracterizando plásticos para la fabricación de mangueras, goteros, y acolchado para cubrir
surcos. Esta tecnología mejora la calidad de los
productos agrícolas, aumenta la productividad y
ahorra agua. El CIQA ha diseñado algunos tipos de
materiales plásticos que reúnen las propiedades y
los efectos requeridos en el cultivo de las hortalizas.
También ha incursiónado en el diseño de plásticos
para invernadero.
Otra aplicación de los plásticos que el CIQA ha
desarrollado para la agricultura, es el uso del sistema de acolchado. Aquí se cubren los surcos con un
plástico, sembrando las plantitas en unas perforaciones hechas ex profeso, haciendo que se desarrollen
más rápidamente. Así, en vez de hacerlo en dos
meses, lo hará en mes y medio, pudiéndose levantar
la cosecha antes, y por lo tanto llegando más pronto
al mercado. Hay que subrayar que estas tecnologías
son altamente rentables cuando se utilizan en las
hortalizas. No así en los granos. En México existen
varios ranchos en donde se aplica este tipo de
tecnología que es cara pero muy rentable.
Procesamiento reactivo
La inyección del plástico consiste en introducir
gránulos de polietileno en una máquina inyectora. Ya
dentro, se calienta y se bombea a un molde donde se
enfría y se solidifica. Se requiere una máquina de
mucha fuerza para inyectar este plástico, ya que se
encuentra en un alto grado de viscosidad.
El procesamiento reactivo consiste en que, a través de una reacción química desencadenada por un
catalizador, se efectúa la polimerización dentro del
mismo molde. En la actualidad este procedimiento
se realiza únicamente con dos tipos de plásticos: los
poliuretanos y el nylon, que tienen las propiedades
para reaccionar en el molde, con la ventaja de que la
máquina es más pequeña porque no se necesita tanta
fuerza para inyectarlos.
continuación los mencionamos y exponemos el tipo
de actividad que desarrollan.
Plantas Piloto
El CIQA cuenta con plantas piloto donde, en
pequeños reactores de distintas características, de
aproximadamente veinte litros, llevan a una escala
un poco mayor que en el laboratorio, las reacciones
químicas.
En las plantas piloto se cuenta con equipos de
extrucción e inyección, se aplican los hallazgos del
laboratorio y se elaboran botellas, bolsas y empaques
de plástico. Otra pequeña planta está equipada con
moldeadoras de comprensión, donde también se hacen mezclas y aleaciones.
Laboratorio de análisis mecánico
Donde se efectúa el análisis de propiedades y de
resistencia mecánica, de resistencia al impacto y a
la tracción. Contando con área donde se realizan
pruebas de tipo realógico
Laboratorio de Química de Polímeros
En esta área se investiga el desarrollo de
monómeros, o de iniciadores para polimerizaciones,
buscando obtener algún producto útil. En este momento, el CIQA investiga el desarrollo de polímeros
que tengan una mayor resistencia al impacto. Trabaja
también en un nuevo tipo de catalizadores
denominados metalocenos, los cuales tienen la
propiedades para obtener polímeros altamente
regulares en su estructura química, lo cual mejora
las propiedades de resistencia a la tensión y de
resistencia a la abrasión.
LABORATORIOS
En el CIQA existen diferentes tipos de laboratorios de química y de física, con el equipo y la tecnología necesarios para efectuar caracterizaciones y
reacciones químicas en pequeña escala. A
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
23
�CIQA: El Centro de Investigacón en Química Aplicada / Eduardo Estrada Loyo
Laboratorio de Ingeniería de Reacciones de
Polimerización
Aquí se trabaja en el desarrollo de la denominada
micro-emulsión, para la obtención de bases para
pinturas de agua.
Laboratorio de Biopolímeros o de
Biomateriales
En esta área se investiga con seres vivos para
producir polímeros, por ejemplo: los biocementos los
cuales se desarrollan con el fin de sustituir partes
óseas dañadas o para implantes que deben de ser
biocompatibles con el organismo. Se buscan también
materiales que sean biodegradables como el
poliuretano biodegradable. Recientemente han estado desarrollando nuevos métodos para la obtención
de polímeros para su aplicación en electrónica o con
propiedades de foto o electroluminiscencia, orientándose a la síntesis, a la evaluación y a la caracterización de estos nuevos materiales.
Laboratorio de Análisis Térmico
Aquí se caracterizan las muestras de los polímeros
en función de la temperatura, y se cuantifican de
manera confiable los porcentajes de los componentes
principales. El área de caracterización físico-química cuenta con un equipo de calorimetría de Diferenciación de Barrido, con él se determinan propiedades
térmicas como: temperatura de fusión y cristalización
de oxidación, así como el curado y entrecruzamiento
de los polímeros. También se utiliza para determinar
la temperatura a la que se degrada un polímero y su
oxidación en una atmósfera oxidativa. Este laboratorio también cuenta con un equipo de Análisis
Termogravimétrico que mide la velocidad de pérdida
de peso de los polímeros en función de la temperatura.
CAPACITACIÓN
Existe un programa de cursos y diplomados destinados a las empresas y a las instituciones académicas. Asimismo una maestría y un doctorado en
tecnología de polímeros. El CIQA firmóun contrato
para realizar una maestría en colaboración con una
empresa del estado de Veracruz, y un equipo de científicos y catedráticos, se trasladó hacía aquel Estado
para impartirlos.
La maestría de polímeros consta de un programa
de nueve cursos, con duración de dos años, durante
los cuales los estudiantes llevan acabo una tesis en
los laboratorios con que cuenta el CIQA. También
se tienen convenios con algunas instituciones en donde
los estudiantes pueden desarrollar la tesis en su lugar de origen, ya sean instituciones académicas o
empresas que cuenten con laboratorios. Los
estudiantes que llegan con su grado de maestría, para
obtener un doctorado en el CIQA, desarrollan durante
tres años y medio, un proyecto de investigación complementándolo con algunos cursos dirigidos por uno
o dos directores de tesis.
Los estudiantes que sólo llegan con su licenciatura y quieren tomar el doctorado tienen que realizar
todos los cursos que el CIQA ofrece en su programa
de maestría, efectuando, posteriormente, durante tres
años y medio, su tesis de doctorado, con la diferencia
de que no hacen su tesis de maestría.
OTROS RECURSOS
El CIQA cuenta también con cuatro servidores
de informática. Uno que da servicio a el sistema de
Intranet, otro al Internet Inalámbrico, uno más para
los correos electrónicos y por ultimo, otro que se encarga de llevar los asuntos administrativos, con un
Centro de Información Gerencial donde se localiza
toda la información administrativa y de finazas del
Centro. Cuentan también con una Torre de Almacenamiento de discos compactos con una capacidad
de 48 unidades de CD.
En el CIQA existe una extensa biblioteca especializada en química y en polímeros, siendo la biblioteca más extensa sobre este tema en el país. Esta
24
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�CIQA: El Centro de Investigacón en Química Aplicada / Eduardo Estrada Loyo
El plástico a diferencia del vidrio o de cualquier metal, no se puede usar una y otra vez, sin que deje de
perder sus propiedades físicas químicas y mecánicas.
El plástico, cuando se usa para elaborar un producto
y se quiere reusar en otro, requiere de un re-procesamiento donde se funde nuevamente. Esto afecta
la composición de las moléculas, que en términos
generales se degradan, por lo que va perdiendo sus
propiedades físico-químicas y mecánicas, lo mismo
que sus características. En este caso lo que va
quedando del plástico se reusa en productos menos
demandantes de propiedades mecánicas y físicas.
biblioteca cuenta además con publicaciones periódicas en español y en inglés.
FUTURO DE LA INDUSTRIA DEL PLASTICO
El mercado de los polímeros es una industria que
va a seguir creciendo. Quizá con algunas limitantes,
como el aspecto de la contaminación. Aunque el
plástico por sí mismo no es contaminante, sí
contamina cuando se quema. Los vapores de algunos
de ellos son venenosos, como los del PVC, que
despide ácido clorhídrico. Lo que sucede con el
plástico es que tarda mucho tiempo en degradarse
por sí mismo. Este es uno de los retos que tiene la
industria del plástico. En muchas de sus aplicaciones,
sobre todo las que se refieren a envase empaque y
embalaje, deberá desarrollar productos que se
degraden más rápido, programándolos, por ejemplo,
para un uso de seis meses. Existen algunos avances
en este sentido, como el de los plásticos
biodegradables, los cuales se pretende se degraden
por medio de la acción de microorganismos. Existen
otros proyectos, como el de los plásticos fotodegradables, que pudieran degradarse por acción de
la luz ultravioleta del Sol.
De manera paradójica existen otras aplicaciones
en donde precisamente lo que se quiere es evitar la
degradación del plástico, como los utilizados en la
industria automotriz, en donde se requiere una mayor
durabilidad de los componentes.
El reciclaje es otro problema que la industria del
plástico se ha venido planteando desde hace tiempo.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
CONCLUSIÓN
El hecho de que en México exista ahora un mercado abierto, le ha traído al CIQA una mayor vinculación con la empresa. Por otro lado, el CONACYT
pretende la implementación de fondos que vendrán
a estimular la investigación, como lo son los fondos
sectoriales, donde la Secretaría de Energía y la Secretaría de Agricultura abrirán convocatorias para
los centros de investigación. Otros son los
denominados fondos mixtos, en ellos el CONACYT
junto con los Estados de la Federación, establecen
convocatorias para los centros de investigación. Otro
tipo de fondo con que los Centros de Investigación
Científica contarán en un futuro próximo, son los
fondos privados donde el CONACYT y las empresas
colaborarán en el establecimiento de un
financiamiento que fomentará la investigación en
las áreas que cada Centro elija. Por otro lado, el
CIQA tiene convenios con otras instituciones de
investigación científica o de corte académico. Con
la Universidad Autónoma de Nuevo León a pesar
de no existir algún convenio, el CIQA tiene una
colaboración muy estrecha. En algunos casos, colaboradores del CIQA han trabajado para la UANL, o
al revés. Existe una muy estrecha colaboración entre
ambas instituciones, específicamente con FIME y
con FCQ.
25
�Apuntes de historia de la química
industrial en México
Benito Bucay
Grupo Industrial Bre, S.A. de C.V.
Paseo de la Reforma 2360, Lomas de Chapultepec, México 11020, D.F.
Tel: 5596-5300 ext. 127
ABSTRACT
The practice of industrial chemistry in México stems directly from the
significant development of the mining industry during the Spanish Colony.
It took off during World War II and experienced its major expansion from
1960 through 1990. During the recent decade it has gone through a process
of consolidation derived from the opening of the domestic marked and the
shift to exports. All of this has resulted in a reduction of the number of
participants and facilities; only those with the proper size and up-to-date
technology remain.
KEYWORDS
Industrial chemistry, chemical industry, history.
RESUMEN
La química industrial en México desciende de las actividades mineras
de la época de la Colonia. Su despegue ocurre durante la Segunda Guerra
Mundial y tiene un fuerte desarrollo en varios frentes entre 1960 y 1990. A
partir de entonces, se ha dado un proceso de consolidación y reestructura
como consecuencia de la apertura económica, lo cual ha conducido a una
reducción en el número de participantes y actividades, quedando sólo
aquéllas que tienen una base firme de tecnología y capacidad que les permite
enfrentar a la competencia internacional.
PALABRAS CLAVE
Química industrial, industria química, historia.
INTRODUCCIÓN
Debo justificar la modestia del título pues el desarrollo industrial de la química
en nuestro país, como seguro ocurre con otras disciplinas, es más bien una historia
de hombres y mujeres -algunos visionarios, otros comprometidos, unos más parecen
cocineros o tintoreros juguetones- todos entregados con pasión y creo por eso,
que la historia debe escribirse sobre ellos y no tanto sobre el producto de sus
esfuerzos. Pero en fin...
26
Artículo publicado en la
Revista de la Sociedad
Química de México, Vol.
45, No. 3, Julio-Septiembre
del 2001. Reproducido
con autorización de la
Sociedad Química de
México.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay
También decidí hablar de la química industrial y
no de industria química, pues éste último término tiene
una connotación más restringida y es mucho más
reciente, en casi tres siglos; de ahí el título.
LOS COMIENZOS
Que México era una tierra rica, extensa y con
vocación minera lo descubrieron muy pronto los
conquistadores españoles. No en balde habla el poeta
de los veneros de plata. Desde la época de la colonia,
la explotación del oro y la plata (especialmente ésta)
fue una de las actividades más importantes para la
economía de la Nueva y de la vieja España.
Bernal Díaz narra cómo los habitantes de
Texcoco aprovechaban la época de estiaje para dejar
evaporar aguas de la parte remota del lago (hoy
Ecatepec), con lo que se formaba una costra de sales
(tequesquite) que los habitantes usaban como un
jabón mineral. Cuatro siglos después esto daría lugar
a una importante factoría, pero en la época colonial
ya se usaba esta sal como el álcali necesario para
producir jabón.
Pero la vocación minera dominó; fue en la
Nueva España que Bartolomé de Medina desarrolló
su “Método de Patio” (hoy lo llamaríamos tecnología),
con el cual fue posible extraer plata aún de minerales
de baja ley, y que fue tan efectivo que proyectó al
país como el mayor productor del mundo. Muchos
otros contribuyeron en los siglos 17 y 18 al gran
desarrollo de la industria minera y luego metalúrgica
(ya a finales del 18 operaba la primera fábrica de
pólvora de Hispanoamérica). Tal auge llevó en 1792,
gracias a las reformas borbónicas, a la creación del
Real Seminario de Minería donde se impartieron los
cursos formales de química (que se habían iniciado
en forma tentativa poco años antes). El Real
Seminario propició la investigación y el desarrollo de
procesos industriales, y en donde los grandes
científicos e investigadores como Fausto de Elhúyar
y Andrés Manuel del Río formaron numerosas
generaciones de profesionistas. Fue allí también
donde se constituyeron los primeros laboratorios de
química analítica cualitativa y cuantitativa, apoyo
esencial en la investigación.
La guerra de independencia y la sucesión de
conflictos externos e internos paralizó tal auge durante
décadas y fue hasta el último tercio del siglo 19
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
cuando el desarrollo industrial químico (y de proceso)
se reanudó. Aparecen así las primeras fábricas de
cemento, jabón y acabado de telas en México y
Puebla. Monterrey inicia en esta época su inagotable
desarrollo de estas industrias, empezando con la
cervecera, de la que se derivarían prontamente los
primeros adelantos nacionales en fabricación de vidrio
y cartón, pronto complementadas con el primer alto
horno de Fundidora de Hierro y Acero de Monterrey,
así como el primer convertidor Bessemer para
producción de acero en América Latina.
LA VISIÓN DE INDUSTRIA QUÍMICA
Aún en los países europeos más desarrollados, la
industria química en la última parte del siglo XIX no
es motivo de una visión de conjunto. Industrias tan
importantes como la de los álcalis (impulsada desde
Bélgica con la invención del proceso Solvay),
explosivos, y especialmente colorantes sintéticos
recién desarrollados, dan lugar a un crecimiento
vertiginoso de las empresas que después se
convertirán en los titanes de la industria: Bayer, BASF,
Hoechst, Imperial Chemical Industries, Dupont del
lado opuesto del Atlántico, y en una escala un poco
menor Ciba y Geigy. Sin embargo, los procesos
usados para fabricar cada uno de la vasta cantidad
de productos, se estudian y aplican como recetas de
cocina; maestros artesanales- cual “chefs”- guardan
celosamente sus recetas, sus diseños y sus métodos,
de modo que el quehacer de esta industria es en ese
entonces, mucho más arte que ciencia.
Es curioso observar aún este fenómeno en nuestro
días: la producción de whisky en Escocia dio lugar a
no menos de 50 diseños distintos de fermentadores y
27
�Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay
alambiques que continúan operando después de más
de 150 años (y que en la opinión de conocedores,
dan al producto alguna característica distinta a todos
los demás).
En medio de esta abrumadora diversidad, los
estudios empezaban a hacer converger conocimientos
de química, física, ingeniería mecánica y civil, etc.,
que aisladamente eran insuficientes para ayudar en
la comprensión de esta clase de procesos. Fue así
que George Davis -profesor en el Manchester
Technical College- acuña el concepto de ingeniería
química y escribe el primer texto de esta disciplina
en 1901.
Pocos años más tarde en el Tecnológico de
Massachussets los profesores Walker, Lewis y
McAdams le dan forma al concepto de operaciones
unitarias, que permite unificar -a la vez que dar
sustento científico y leyes generales- tan diversas
operaciones y procesos. Es válido decir que el
progreso de la química industrial no habría podido
continuar sin esta visión unificadora y generalizadora
que le da la ingeniería química.
Si lo anterior es cierto en el mundo, lo es más aún
al particularizar a nuestro país. Después de varios
años de esfuerzos sin mengua ni tregua, Don Juan
Salvador Agraz presenta al Presidente Madero en
1913 una solicitud de apoyo a su proyecto para crear
una Escuela Nacional con vocación de la química.
La benevolencia con que fue vista esa petición no
fue suficiente, especialmente por los fragores de la
Revolución, así que fue hasta 1916, después de
peregrinar por oficinas de varios funcionarios que se
sucedían de manera vertiginosa, que el maestro Agraz
obtiene el apoyo necesario del gobierno de Venustiano
Carranza y se inaugura el 23 de septiembre la Escuela
Nacional de Química Industrial.
Se le dotó de un viejo edificio en el pueblo de
Tacuba que en diversas épocas fue cuartel, escuela
y hospital que albergaría a la Escuela durante casi
40 años. Ahí iniciaron programas de las carreras de
químico industrial y peritos y prácticos industriales,
que incluían talleres de industrias específicas como
teñido y estampado textil, curtiduría, aceites
esenciales, hules, resinas, azúcar y alimentos, entre
otros; al fin la química tomaba carta de nacionalidad.
En el México de entonces cuya gestación no
acababa de completarse, muy poca cabida había para
28
los primeros alumnos de esta escuela, pues la
incipiente industria recurría a “técnicos” en su
mayoría europeos y que tenían, en el mejor de los
casos, conocimientos prácticos pero no teoría que
los sustenten. A pesar de ello la Escuela crecía y
diez años después contaba con laboratorios
especializados y hasta una pequeña fábrica de éter y
otra de jabón.
Todos estos avances, sin embargo, eran aislados
uno del otro; la Escuela reflejaba la fracturación del
conocimiento industrial que obstruía el progreso de
conceptos científicos de amplio espectro, y que eran
indispensables para poder impulsar el desarrollo de
la industria.
Fue en 1927 cuando se incorpora a la Escuela
Estanislao Ramírez; ingeniero mecánico de
formación, se había graduado en Inglaterra y adquirió
experiencia en Alemania y los EUA donde se expuso
a la joven disciplina de la ingeniería química y con
entusiasmo la trajo a México, y empezó a impartir
las clases que fundamentaron el carácter industrial.
La escuela, que para ese entonces ya había
cambiado varias veces de nombre hasta el de Escuela
Nacional de Ciencias Químicas, albergó de esta
manera, y en el transcurso de unos pocos años más,
las carreras de químico industrial, ingeniería química,
química farmaco-biológica y química metalúrgica
(más tarde ampliada a ingeniería metalúrgica).
En el curso de pocos años se formaron primero y
luego se integran al personal docente, preclaros
maestros y grandes practicantes de la profesión como
Alberto Urbina, Antonio Guerrero Torres, Jorge Noé
Martínez, Pascual Larraza, Alfonso Graf y varios
más, quienes le dan el enorme auge a la Escuela a lo
largo de varias décadas.
A la par de lo que ocurría en ingeniería química,
tanto ésta como las demás profesiones que ahí se
cultivaban adquirieron una dimensión adicional con
el impulso a la ciencia química que le dan Ernesto
Ríos del Castillo, Fernando Orozco, Manuel Lombera,
Rafael Illescas, Ricardo Caturegli, y que se ve
reforzado ante el notable surgimiento de la industria
de las hormonas sintéticas.
Con esta estructura docente, creada a lo largo de
25 años, México llega al auge de la industrialización
bajo Miguel Alemán.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay
LAS PRIMERAS INDUSTRIAS
Las necesidades del país una vez restablecida la
paz, no pudieron esperar a que la infraestructura
científica y técnica se desarrollara, y una a una fueron
apareciendo industrias de proceso y químicas que
recibieron, años después, el empuje de mercado que
vino con la II Guerra Mundial.
A las primeras fábricas de cemento, hierro y
acero, cerveza, jabón y azúcar que ya existen al inicio
del siglo XX, se incorporan las primeras refinerías
petroleras en manos de las grandes firmas mundiales
a mediados de los años 20. Las refinerías son de
pequeña escala y de tecnología atrasada aún para la
época, pues a las empresas petroleras les interesaba
mucho más recoger el petróleo que refinarlo en
México.
Entre 1920 y 1940 proliferan diversas industrias
de proceso ocupadas de la fabricación de jabón,
papel, resinas artificiales derivadas de la brea y
usadas como primeros aprestos textiles y para papel.
De una extensión lógica de la industria jabonera, en
los años 30 se destila y refina glicerina e inicia la
hidrólisis de grasas para producir ácidos grasos por
primera vez en México. Los esfuerzos de ColgatePalmolive, La luz, la Corona y algo después Química
Michoacana, datan de esa época.
En otra área muy diferente del quehacer químico,
empieza a operar una empresa de origen alemán:
Beick-Félix-Stein, para producir grenetina y luego
ácido sulfúrico (primera unidad en el país y única en
emplear el proceso histórico de las cámaras de plomo),
superfosfato simple, algunos primitivos pesticidas
como el arseniato de cobre y sulfato de este mismo
metal.
Ya iniciados los años 40 se instala una fábrica
experimental de fibra artificial (cupro-rayón), que
años después sería la semilla de Celanese Mexicana,
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
por mucho tiempo la empresa química más grande
del país. También data de ese entonces la primera
unidad de producción de plásticos: películas de
nitrocelulosa producidas por solución y vaciado, y
precursora del gran auge de los plásticos 15 años
más tarde.
Pero decididamente, el elemento crucial para el
desarrollo de muchas otras industrias de proceso,
sería la expropiación petrolera. Aunque la industria
petroquímica no aparecería sino hasta 20 años
después, la necesidad de operar las refinerías que
estaban en deplorables condiciones a la salida de los
técnicos extranjeros amén de la necesidad de producir
ingredientes que se importaban desde siempre pero
que el boicot impuesto a México en los primeros años
cerró su disponibilidad (particularmente el tetraetilo
de plomo), obligó a los jóvenes egresados de la
Escuela Nacional de Ciencias Químicas a hacer un
inaudito esfuerzo por dominar, proyectar e improvisar.
El esfuerzo no fue en balde, y los químicos e
ingenieros no solamente superaron el reto sino crearon
escuela con su profesionalismo y entrega, que mucho
habría de valer en las décadas siguientes, no sólo en
Pemex sino en toda la industria de proceso.
INDUSTRIA QUÍMICA INORGÁNICA
La química inorgánica tiene una gran virtud
cuando se le compara con la orgánica: a pesar de la
gran variedad de átomos que pueden intervenir,
agradecemos a las propiedades cuánticas del átomo,
la definitud de los resultados.
Ajenos a la versatilidad difusa y temperamental
de los átomos de carbono, los demás actúan con
rigidez casi militar, lo que simplifica mucho la vida de
quienes la practican, pero siempre retienen algo de
flexibilidad para que el quehacer no sea tan monótono.
No es de extrañar, pues, que la química industrial
inorgánica suele ser la primera en desarrollarse; sus
procesos son más claros (aunque a veces más
agresivos) y hay poco espacio para reacciones
secundarias indefinidas.
La plataforma de desarrollo de este sector de la
industria parte de los productos más convencionales
de antaño; a principios del siglo XX ya existen en el
país dos factorías de cemento, varias no contadas de
yeso y cal y una instalación donde se producen
pequeñas cantidades de litargirio pigmento. Después
29
�Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay
del gran hiato que produce la Revolución aparece la
primera unidad de ácido sulfúrico que se menciona
arriba, y al contar con ella, sendas instalaciones para
producir sulfato de cobre y pigmentos de cromato de
plomo; éste es el panorama general en la década de
los años 30, al que habría que agregar por referencia
instalaciones de explotación de minerales que no se
procesaban más allá de molienda y clasificación, como
era el caso del caolín, grafito, etc., así como productos
de tostación y reducción como plomo metálico, óxidos
de cobre, plomo y zinc, etc., que dieron auge
especialmente a Torreón y Fresnillo.
La industria química propiamente dicha arranca
en 1938 cuando se incorpora la Compañía Industrial
de los Reyes, la que construye una planta primitiva
para producir carbonato sódico calcinando el
tequesquite del Lago de Texcoco. La baja
productividad y calidad del producto pronto llevó al
fracaso este primer intento, que sin embargo fue una
semilla fértil. En el curso de pocos años, los intentos
de remediar las tierras aledañas al lago para reducir
su salinidad convergían con los esfuerzos para
recuperar el contenido de carbonato sódico en la
solución que constituía el lago interior, y cristalizaron
en la creación de Sosa Texcoco en 1942 gracias al
esfuerzo e ingenio de Antonio Madinaveita, recién
llegado a México como parte de la inmigración
republicana española.
Con el auxilio de investigadores de la UNAM y
asistencia técnica de Imperial Chemical Industries,
se diseñó un proceso en el que se encadenaron:
evaporación solar en el muy conocido Caracol,
carbonatación de la salmuera así concentrada y
separación y calcinación de bicarbonato producido.
El ciclo se cerraba, a la manera de medio proceso
Solvay calcinando calizas para producir cal (que más
tarde se usaría para caustificar el carbonato) y bióxido
de carbono.
Sosa Texcoco empezó a producir 100 toneladas
diarias de álcalis en 1948 y pronto se convirtió en la
industria de álcali más importante de América Latina.
Llegó a expandirse hasta casi seis veces su capacidad
original, antes de cerrar 45 años después.
Al mismo tiempo que Sosa Texcoco iniciaba
operaciones, otra empresa-Alkamex-producía sulfato
de aluminio y luego ácido sulfúrico ( la primera planta
mexicana que usó el proceso catalítico, denominado
“de contacto”) en Tlalnepantla. Con estas unidades
30
el país ya disponía de los componentes inorgánicos
más básicos.
Pronto se le unieron varias otras instalaciones que
se desarrollan a ritmo vertiginoso a partir de 1950: la
primera planta de amoniaco sintético en México,
construida por Guanos y Fertilizantes en Tultitlán, y
ya con ella más ácido sulfúrico, sulfato de amonio y
superfosfatos simples.
En el poblado de Viesca, Coahuila, otra salmuera
desagradable se aprovecha para producir sulfato de
sodio, el cual se absorbía ávidamente en la naciente
industria de los detergentes sintéticos. La plantaSulfato de Viesca- fue una de las primeras diseñadas
y totalmente construidas en el país, con lo que dio
lugar al nacimiento de Bufete Industrial, la primera
firma de ingeniería de proceso que hubo en México.
Simultáneamente, y gracias a la disponibilidad de
las materias primas que recién se ofertaban, se eleva
considerablemente la producción de sulfato de cobre
(que poco tiempo después serviría de apoyo para la
producción de cobre electrolítico por Cobre de
México).
En paralelo con este desarrollo, se inicia la
explotación de los domos salinos del Itsmo para
extraer azufre mediante el proceso Frasch. Aunque
estrictamente esta es una operación minera, por su
tecnología es definitivamente una industria de procesomás asociada a la química que a la minería. Nacen
así Azufrera Panamericana y Cía. Azufrera del
Golfo, que eventualmente serían parte del sector
paraestatal.
De igual manera, y con el impulso que se da en la
industria petroquímica, se multiplica la producción de
amoniaco; de ácido sulfúrico y ya al iniciar la siguiente
década aparece Fertilizantes del Istmo (1962)
dedicado a la producción de ácido nítrico y nitrato de
amonio; de Fertilizantes Fosfatados Mexicanos
(1966) que produce-en escala comparable al resto
del mundo- ácido fosfórico y superfosfato triple, con
la consecuente producción de más ácido sulfúrico
necesario para ello. A la par, Pemex crece en la
producción de amoniaco; es interesante comparar la
capacidad de la primera planta de amoniaco de
Guanos y Fertilizantes (50 toneladas diarias) con la
que eventualmente Pemex alcanzó (solamente en
Cosoleacaque, Ver., más de 6000).
Nada de lo arriba descrito ocurre
secuencialmente, pues la explosión de industrializar
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay
ocurre en varios frentes: en 1959 se empieza a
producir ácido fosfórico de alto grado y fosfatos de
sodio por dos empresas: Monsanto Mexicana y
Química Hooker (más tarde Polifos); un par de años
antes Alfbeck producía ya algunos fosfatos de sodio
y calcio.
Al comenzar la década de los sesenta, se instalan
nuevas producciones en nuestro país: bióxido de
titanio en Tampico (Dupont), ácido fluorhídrico en
varias localidades y carbonato de sodio -ya no de
fuentes naturales como Sosa Texcoco, sino sintético
vía el proceso Solvay- en Monterrey (Industria del
Álcali). Mención especial merecen, por la innovación
que representaron dos instalaciones del Grupo
Peñoles: Química del Mar y Química del Rey,
orientadas a la producción de sales y óxido de
magnesio y sulfato de sodio, éste último en una escala
tal que pronto se convierte en exportador neto,
dejando atrás la más reducida producción de Sulfato
Viesca.
Por último es apropiado mencionar la industria
del cloro y sosa cáustica. Como muchas de las arriba
citadas, se inicia en 1949 con una producción muy
modesta para surtir a las papeleras de San Rafael,
Atenquique y Loreto y Peña Pobre; el desarrollo de
la industria papelera es importante, pero se superpone
a él las necesidades de la industria química y después
de poco tiempo aparecen nuevas plantas de Celulosa
y Derivados (luego Grupo Cydsa) en Monterrey y
en Coatzacoalcos (bajo el nombre de Sales y Álcalis,
que se origina como un proyecto del gobierno federal).
Hacia fines de la década de los 60, inicia operaciones
Cloro de Tehuantepec en Coatzacoalcos, principal
proveedor de cloro para el complejo petroquímico de
Pajaritos. La coproducción de sosa cáustica que
excede las necesidades, obliga a Sosa Texcoco a
cerrar su planta de caustificación al no poder competir
con la sosa electrolítica.
En los últimos años de esa década, todos los
grandes productores ya estaban posicionados en el
país, y aunque los volúmenes continuaron en ascenso,
la febril expansión que se reseña arriba disminuye su
ritmo. El auge expansivo del país, la estabilidad
económica sin inflación, la economía cerrada y los
programas de estímulo a nuevas industrias produjeron
toda esa febril actividad, que luego hubo de dar paso
a la eficiencia, la competitividad abierta (y a veces
despiadada), y la consolidación.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
Como quiera que sea, es claro que en un lapso de
escasamente 30 años (que van aproximadamente de
1936 a 1968), se creó la industria química inorgánica
de México. No es pequeño el logro.
PETROQUÍMICA Y PEMEX
Antes brevemente comentamos el papel de
Pemex, especialmente en sus primeros años, en la
formación y desarrollo de grandes cuadros de
profesionistas que superaron las carencias que el
boicot internacional primero, y la II Guerra Mundial
después, impusieron. Ahí se forjaron ingenieros
químicos, químicos industriales y petroleros que bien
habrían de servir a la química industrial pocos años
más tarde.
La industria petroquímica nacional nace en 1956
cuando Pemex inicia la producción de azufre
subproducto del tratamiento de gas amargo. Casi al
mismo tiempo Pemex también arranca la primera
unidad de dodecilbenceno (DDB) para su uso en
detergentes (mediante la conversión de una pequeña
planta de gasolina de alquilación). Estos, mezclas
equilibriadas del DDB sulfonado, polifosfatos de sodio
y sulfato o carbonato sódico como diluyentes se
habían empezado a producir tres años antes con
componentes importados.
En ese entonces, el desarrollo de la industria
petroquímica se encontraba en su fase de muy
intenso desarrollo; legos y expertos por igual se
asombran ante el alud incesante de nuevos productos
derivados de esta tecnología; desde fertilizantes hasta
plásticos y fibras sintéticas. En el espíritu nacionalista
de la época se manifestaba la preocupación de que
no bien había México superado los desafíos de la
nacionalización del petróleo y ya se la veía desvirtuada
31
�Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay
por el avance de muchas empresas extranjeras que
actuaban en el campo petroquímico.
Así pues, a fines de 1958 se promulga una nueva
ley que reforma al artículo 27 constitucional y crea
un campo petroquímico de acceso restringido a
inversionistas extranjeros. Quedaron incluidas dentro
del ámbito de la legislación (aunque salvaguardadas
de una aplicación retroactiva) varias industrias que
habían surgido a lo largo de la década.
Así, Celanese Mexicana inicia sus operaciones
en 1947 con la producción de rayón viscosa y algún
tiempo después acetato de celulosa. Union Carbide
inicia la fabricación de resinas ureicas y fenólicas en
1949 y un año después la misma, además de
Monsanto Mexicana arrancan la producción de
poliestireno, a la que después seguiría el cloruro de
polivinilo.
Celulosa y Derivados (más tarde Grupo Cydsa)
inicia el desarrollo químico del norte del país con la
fabricación de acetato de celulosa, rayón, cloro/sosa,
ácido sulfúrico y bisulfuro de carbono necesario para
las anteriores fibras. En el curso del tiempo, tanto
Cydsa como Celanese y otros continuarían el
desarrollo de las fibras sintéticas con la fabricación
de nylon 6, fibras poliéster y acrílicas y hasta –en
pequeña escala- elastoméricas.
Era pues apreciable el desarrollo del campo
petroquímico y sus derivados a fines de la década de
los 50; el debate entre los defensores y opositores de
las reformas al artículo 27 alcanzó un nivel febril y al
final, el tiempo le dio algo más de razón a los primeros
que a los segundos: el capital extranjero no abandonó
el país, pero tampoco capturó todo el desarrollo
previsto, sino que una proporción significativa de las
inversiones fueron hechas por el capital nacional.
Dado que la ley hacía recaer en Pemex la
responsabilidad exclusiva para la producción y venta
de un gran número de productos como el etileno,
propileno, benceno, polietileno, amoniaco, etc. (hasta
un total, en su caso extremo de casi 30 productos),
esta empresa inició un programa de expansión sin
precedente: plantas de olefinas, aromáticos, unidades
de gas de síntesis, etc., ocuparon su quehacer por
varios años. Pero no obstante esto, la tarea era mucho
mayor* que lo que los recursos humanos y financieros
podían enfrentar en un país que seguía creciendo a
32
tasas elevadas, y así la producción de Pemex se fue
rezagando frente a lo que el país necesitaba.
Con la publicación del reglamento de la ley en
1959, se estableció un sistema de permisos cuyo
objeto era, supuestamente, coordinar las demandas
privadas con la obligación pública que Pemex llevaba.
Acabó siendo un mecanismo para regular al
inversionista extranjero (por parte el Estado) y para
obtener casi patentes de corso por parte de
inversionistas para un producto determinado; la
perversión no se hizo esperar y durante algunos años
el usufructo y comercio de permisos fueron
actividades muy lucrativas.
Una consecuencia de lo anterior al superponerse
a una economía muy protegida, fue que proliferaron
las unidades pequeñas, antieconómicas y que
carecían de sentido estratégico. Por ejemplo, para la
década de los setenta se habían construido una
docena de plantas de formol, varias con capacidades
de no más de 300 toneladas anuales y solamente dos
con más de 4000; algo similar pasaba en materia de
plastificantes ftálicos. No es sorprendente que al
iniciarse la apertura en 1988, muy pocas pudieron
sobrevivir el embate de la competencia internacional.
A pesar de lo anterior, el proceso de desarrollo
condujo en no pocos casos a instalaciones de
tecnología, si no de punta, bien adaptada a la escala
y que estaban mejor preparadas para enfrentar,
décadas después, el reto de la competencia global.
El régimen de permisos se inicia con la producción
de negro de humo, por Negromex en 1961 (la que
pronto se seguiría con la fabricación de hule
polibutadieno y estireno butadieno por su competidor
Hules Mexicanos). Celanese reproduce en escala
un poco menor su muy notable complejo de Bishop,
Texas y en 1963 ya está produciendo en el estado de
Guanajuato una gama de productos derivados del
acetaldehido, como ácido y anhidrido acéticos, ésteres
de éstos, óxido de mesitilo, alcohol diacetona, etc.
Pemex, por su parte, inicia plantas de etileno,
polietileno y cloruro de vinilo creando su primer
complejo petroquímico en Pajaritos, Ver., y lo que
más tarde crecerá hasta ser el centro productor de
amoniaco más grande del mundo en Cosoleacaque,
al amparo de cuya primera planta nace Fertilizantes
del Istmo que produce nitrato de amonio, ácido nítrico
y fosfato diamónico.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay
La industria de los polímeros sigue un desarrollo
similar y al iniciarse la década de los 70 se incorporan
las primeras unidades de escala mundial que se
orientan por igual al mercado interno como al de
exportación: Petrocel en Altamira (para producir
Tereftalato de dimetilo o DMT), Tereftalatos
Mexicanos en Coatzacoalcos, etilenglicol en Tlaxcala
y luego Coatzacoalcos, fenol, acetona, y ésteres
acrílicos en Cosoleacaque, etc.
Igualmente se nota febril actividad en la producción
de tensoactivos no iónicos, resinas epóxicas y
acrílicas, hidrocarburos fluorados, derivados
aromáticos y del acrilonitrilo, anhídridos ftálico y
maleico, glicoles poliméricos, etc.
En 1981 se genera un nuevo impulso a este
desarrollo, cuando el gobierno federal -deslumbrado
por la aparente riqueza del boom petrolero de
entonces- decide crear estímulos fiscales de
consideración con la condición de que las nuevas
plantas exporten una proporción significativa de su
producción y se localicen en uno de los cuatro polos
de desarrollo designados en aquel entonces (y que
de facto se redujeron a dos: Altamira y
Coatzacoalcos). Nacen así modernas y avanzadas
instalaciones, que a medio camino sufren el severo
efecto del colapso financiero de 1982 y las crisis que
arrancó de ese punto. Al mismo tiempo, y para
enfrentar la demanda que esta nueva generación de
plantas acarreaba, Pemex crea los complejos de
Cangrejera y Morelos.
Lo azaroso de la época para esta industria, se
agrava aún más con la crisis global de la misma y
que cubre los años 1983 a 1987. Por vía de ejemplo
baste señalar que en 1979 habían en el continente
europeo 40 productores de resinas de PVC; para
1987 ese número se había reducido a 17. Una industria
cíclicamente asolada por capacidad excedente.
México no ha sido ajeno a este proceso de
consolidación que busca mejorar costos en toda la
gama de estos productos, que ya desde 1970 tenían
las características de ser genéricos (“commodities”):
parte de la razón de esto, así como de la ciclicidad
que tanto afecta a la industria (aproximadamente cada
8 años), estriba en que la tecnología no ha logradocomo en algunas otras industrias- superar la trampa
de la escala. Así por ejemplo, para producir en las
mejores condiciones de competencia mundial
productos como el polietileno, es necesario construir
plantas que individualmente representan del 1 al 3%
de la capacidad mundial. Es obvio que con dos o tres
que se construyan en un momento dado, el equilibrio
oferta / demanda se viene abajo y toda la industria
paga el precio hasta que el productor menos eficiente
desaparece. Mientras no seamos capaces de dominar
esta trampa, la industria seguirá expuesta a tales
vaivenes y la consolidación avanzará
progresivamente.
Pero al fin, la moderna industria petroquímica de
México ha logrado enfrentar este reto, igual que el
de la apertura comercial y el de las crisis recurrentes.
Con la mezcla de empresas extranjeras solas o
asociadas, de grandes grupos mexicanos en el sector
(como Alpek, Cydsa o Girsa), la industria
petroquímica mexicana al terminar el siglo, es ya
mayor de edad.
QUÍMICA ORGÁNICA Y FARMOQUÍMICA
Desde luego, las industrias ancestrales que pueden
denominarse orgánicas existen en México desde
principios del siglo XX, en cuyos albores ya
encontramos varias fábricas de extracción y
refinación de aceites vegetales, procesado de grasas
animales y jabón. No es sino hasta la década de los
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
33
�Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay
40 cuando las restricciones impuestas por la II Guerra
estimulan la producción de ácidos grasos
(principalmente esteárico) que se mencionó antes;
al terminar esa década se inicia la producción de
aceites hidrogenados en Monterrey (Anderson
Clayton en esa época).
En medio del desarrollo vertiginoso y no muy
ordenado en el sector petroquímico, más calladamente
se da otro poco llamativo pero no menos trascendente,
posible gracias a la afortunada coincidencia de
recursos naturales con mentes privilegiadas.
Al finalizar la Guerra Civil Española, México
acoge a un contingente muy significativo de grandes
científicos y humanistas republicanos entre los que
se encuentran los doctores Erdós, Krum Heller y
Francisco Giral. Este último se asienta en la Escuela
Nacional de Ciencias Químicas y pronto inicia sus
tareas de investigación y docencia que lo ocuparían
durante casi 50 años, y que formó a numerosos
químicos, tanto investigadores como practicantes de
la química industrial.
Casi simultáneamente llegan a México otros
preclaros investigadores: Marker, Djerassi,
Rosenkranz, Lehmann, Somlo y Zaffaroni, quienes
sintetizan y desarrollan los esteroides a partir de
diosgenina, la cual existe en concentraciones elevadas
en las plantas nativas conocidas como cabeza de
negro y barbasco.
Estas fuentes naturales se convierten pronto en
un recurso de gran valor que distingue a México del
resto del mundo. Los investigadores mencionados
desarrollan el complejo proceso que parte de
diosgenina y llega a progesterona y otros esteroides,
y pronto constituyen Syntex, que por muchos años
ostenta el primer lugar mundial en la producción de
estas substancias de gran importancia farmacológica.
Syntex decide apoyar fuertemente el desarrollo
del Instituto de Química en la Universidad Nacional,
tanto para conducir las investigaciones que se
requieren como para formar los investigadores
34
mismos. Herrán, Romo, Mancera, Iriarte,
Miramontes y muchos otros crean el gran cuerpo
tecnológico que conformó a la industria de los
esteroides. Pronto se agregaron a Syntex otras
empresas de menor importancia como Productos
Esteroides, Diosynth y otras.
Al mismo tiempo, y por iniciativa de varias de las
organizaciones mencionadas, el Gobierno Mexicano
decidió imponer controles rigurosos a la salida de
barbasco del país, tratando de evitar que otros países
pudieran reproducir el indudable éxito de este sector,
y por algo más de 20 años México mantuvo una
posición casi monopólitica de esteroides como
progesterona, estradiol, testosterona y cortisona
sintética.
Esta indudable ventaja natural, se viene abajo en
1974 cuando el gobierno mexicano (aparentemente
estimulado por el éxito de los países árabes que habían
logrado multiplicar el precio del petróleo de un
momento a otro), decide elevar en más de 10 veces
el precio de garantía del barbasco, con lo que muchas
empresas de todo el mundo prefieren buscar,
finalmente con éxito, fuentes alternas de esteroides
y con ello la posición privilegiada de la industria
mexicana se vino abajo en el curso de escasos tres
años.
Mientras esta historia de 25 años se desenvuelve,
hay avances industriales en otros campos de la
farmoquímica: en los años 50 ya se fabrican en México
sales poco comunes como el ascorbato de quinina
(Laboratorios Servet), alcohoilsulfatiazoles (Midy) y
algunas vitaminas fosforiladas del complejo B. En
1950, dos empresas: Pyrina y Salicilatos de México
establecen sendas plantas para la fabricación de ácido
salicílico y aspirina (hoy producida por Química
Monfel).
Las inquietudes de varios químicos formados bajo
el paraguas de Syntex y el Instituto de Química,
fomentan una década después la producción de
antibióticos penicilánicos semisintéticos como la
amplicilina, dicloxacilina y otros. De hecho éstas
requieren del ácido aminopenicilánico como
precursor, y en México se desarrolla un proceso de
cristalización directa a muy bajas temperaturas, más
simple que la ruta compleja desarrollada en Alemania
y Estados Unidos de América. Este esfuerzo, liderado
por Fermentaciones y Síntesis (Fersinsa) en Saltillo
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay
y Quinonas de México en Ecatepec, permite al país
convertirse en exportador neto de semi-sintéticos.
Pocos años después, Fersinsa -a través de una
empresa filial, Cibiosa- intenta producir penicilina G
por fermentación, proceso lleno de serios problemas
prácticos, por la dificultad de competir con muy
avanzadas tecnologías de fermentación sumergidafinalmente, después de muchos años logra alcanzar
los objetivos de calidad y productividad y para 1984
ya produce eficientemente penicilina G. Casi en
paralelo Fermic, con mayor suerte, inicia en 1980 la
producción de rifampicina y griseofulvina en la Ciudad
de México.
Así mismo, mientras esto sucede en el campo
farmoquímico, se dan otros desarrollos de interés en
otras áreas de la química orgánica. A través de una
empresa filial de Fertimex, en 1976 se inicia en
Cosoleacaque la producción de dl-metionina sintética
(y en pequeña medida, su hidroxianálogo), y para
1981 la misma organización, vía una subsidiaria
denominada Fermentaciones Mexicanas, produce llisina en Orizaba.
De igual manera, en 1968 se inicia en Guadalajara
la producción de sorbitol (por el grupo ahora conocido
como Arancia) y a partir de ahí varias empresas se
dedican a la fabricación de ésteres de sorbitan y
etoxilados de los mismos.
En otra área de interés se observa igual esquema
de desarrollo: los colorantes sintéticos, cuya
fabricación es impulsada por el crecimiento de la
industria textil: Bayer, Dupont, Pyosa, Química
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
Hoechst y BASF Mexicana participan en este
desarrollo que arranca desde 1965; en pocos años
observamos producciones de ftalocianinas,
antracénicos y algunas alizarinas.
Estas industrias, al igual que lo ocurrido en
petroquímicos, sufrieron después el embate de la
apertura comercial, que condujo a la consolidación
por fusiones, adquisiciones o de plano el cierre de
varias instalaciones, y el siglo concluye con menos
empresas de mayor trascendencia, como Arancia,
Fersinsa/Cibiosa, Química Bayer y algunas más.
Lamentablemente, por los errores señalados
anteriormente no podemos incluir en nuestra
consolidada lista la industria de los esteroides.
INGENIERÍA
No podemos pasar por alto el papel de las firmas
de ingeniería en el desarrollo de la química industrial
del siglo XX. Para nuestros fines, esta faceta arranca
en 1949 con la formación de Bufete Industrial; cuya
primera tarea es el diseño y construcción de la planta
de Sulfato de Viesca, antes citada. A ella se
agregarían en los siguientes quince años muchas más.
Especialmente dignas de citar fueron Ingeniería
Panamericana, Latinoamericana de Ingeniería e ICA,
la que aunque fue y sigue siendo la mayor firma en
el país, inició su actividad en el campo de la ingeniería
civil pero ya para 1959 contaba con una importante
división de ingeniería de proceso y detalle.
En el transcurso de los años el desarrollo de estas
empresas fue crucial para apoyar el crecimiento
industrial, que difícilmente habría podido darse sin
ellas. La importancia que tiene no ha disminuido, pero
este sector -más que ningún otro- ha sido gravemente
afectado por las variables antes citadas: ciclos
severos de la industria y apertura y competencia
externa, pero a éstas se suma otra variable perniciosa:
la extrema dependencia en la obra pública, que ha
sido tristemente la llave de relevo que los gobiernos
abren y cierran para enfrentar las recurrentes crisis
de los últimos 25 años.
Son las firmas de ingeniería las que han pagado
el mayor precio, como lo atestiguan las tribulaciones
actuales de la que fue la primera y la más
experimentada.
35
�Apuntes de historia de la química industrial en México / Benito Bucay
y deberá seguir por bastantes años en su fase
secundaria; esto augura una permanencia del
quehacer de la química industrial, sobre bases que
no se arrastran por el entusiasmo de antes, pero que
son bastante más firmes que en el pasado.
¿QUO VADIS?
Ya han quedado muy atrás los años de febril
crecimiento al que no se veía límite. Los nuevos
esquemas de comercio mundial, las demandas
considerables que impone el equilibrio ecológico y
que aún hoy apenas atendemos, y la sucesión de varias
crisis han dejado una industria más consolidadas,
menos eufórica y por fuerza más competitiva.
La plata ha sido reemplazada por el petróleo, con
lo que la vocación con la que referíamos a Bartolomé
de Medina y a Fausto de Elhúyar no ha cambiado. Si
a ello agregamos que mientras las grandes economías
han evolucionado a su etapa terciaria, México sigue
36
REFERENCIAS
1. Gamboa, A. “La industria química pesada en
México” Monografías del Banco de México.
México, 1948.
2. Garrido Asperó, M.J. “Historia de la enseñanza
de la ingeniería química en México”. UNAM,
Facultad de Química. México, 1998.
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J. Wiley & Sons. Nueva York, 1988.
4. Bucay, B.F. “Petrochemicals: Mexican
perspective”. En U.S.- Mexican Industrial
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A.D., editores. Westview Press. Boulder, 1991.
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University Press. Cambridge, 1986.
6. Anon. “Plan de desarrollo de la petroquímica”.
Secretaría de Energía, Minas e Industria Paraestatal
y Petroquímicos Mexicanos. México, 1989.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Diseño de un termo-actuador
basado en alambres con memoria
de forma
Jacinto Cortés Pérez, Hugo Becerril Cerón
Laboratorio de Mecánica, Centro Tecnológico Aragón, ENEP Aragón UNAM.
Av. Rancho Seco s/n, Col. Impulsora, Cd. Nezahualcóyotl, Edo. de México,
C. P. 57130.
jacop@correo.unam.mx.
Gabriel A. Lara Rodríguez
Departamento de Materiales Metálicos y Cerámicos, Instituto de Investigaciones
en Materiales. Circuito Exterior s/n, C. U., México, D. F., C. P. 04510,
laragab@yahoo.com
Horacio Flores Zúñiga
Centro de Investigaciones en Materiales Avanzados. Miguel de Cervantes No.
120, Chihuahua, Chih. Mex. C. P. 31109.
hflores@yakko.cimav.edu.mx
ABSTRACT
The design of a thermo-actuator based on shape-memory Ni-Ti wives
is presented in the work.
Our device is capable of continuous circular movement pulling a variable
load and is activated by thermal fluctuations of any source.
KEYWORDS
RESUMEN
Se presenta el diseño de un termo-actuador que opera con energía
térmica proveniente de cualquier fuente. El dispositivo está constituido
por los siguientes elementos: a) dos alambres fabricados con una aleación
con memoria de forma, b) un resorte helicoidal, c) un mecanismo
biela-manivela corredera acoplado aun cuadrilátero articulado. Cuando
los alambres con memoria de forma son calentados, por encima de su
temperatura crítica As, se contraen debido a que sufren una
transformación: martensita-austenita. Dicha contracción comprime el
resorte helicoidal y a través del mecanismo dicho desplazamiento es
convertido en un giro de 180º en el eslabón de salida. De manera análoga,
cuando los alambres son enfriados el eslabón de salida del cuadrilátero
completa un giro de 360º. Al comprimir el resorte, el dispositivo esta
convirtiendo energía térmica en trabajo mecánico.
PALABRAS CLAVE
NOMENCLATURA
T= Temperatura, e= deformación, s= esfuerzo, q= desplazamiento angular,
MS= temperatura de inicio de la transformación martensítica, Mf= temperatura a
la que finaliza la transformación martensítica, AS= temperatura a la que inicia la
transformación austenítica, Af= temperatura a la que finaliza la transformación
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
37
�Diseño de un termo-actuador basado en ... / Jacinto Cortés Pérez et al
austenítica, f= fracción volumétrica transformada, l=
longitud, A= área de la sección transversal, R= matriz
de rotación.
INTRODUCCIÓN
Los llamados materiales con memoria de forma
(MMF) han sido estudiados de manera importante
en los últimos 20 años, gracias a ello actualmente se
sabe que existen algunos metales puros, cerámicos,
polímeros y aleaciones metálicas que presentan este
tipo de propiedades. Entre las aleaciones con memoria de forma, que actualmente son fabricadas comercialmente, se encuentran las de Cu-Al-Ni,
1
Cu-Zn-Al y las de Ni-Ti. Según se ha reportado en
1
la literatura, los MMF presentan una serie de efectos
tales como: a) Efecto memoria de forma simple, b)
El doble efecto memoria de forma, c) El efecto
superelástico, entre otros. Dichos efectos están asociados con una transformación martensítica de tipo
termoelástica la cual puede ser inducida por enfriamiento (sin esfuerzo), por esfuerzo (a temperatura
constante) o por combinación de ambas (a tempera1,2
tura variable y esfuerzo constante y/o variable).
En la figura 1 se presenta un diagrama
Esfuerzo-Temperatura-Transformación donde se
pueden apreciar los tipos de transformación
martensítica citados anteriormente. En el caso en el
que la transformación se induce sólo por temperatura
(esfuerzo=0) la transformación inicia a una temperatura T=Ms y finaliza cuando T=Mf.
Así mismo, en consistencia con lo reportado en la
1, 2
literatura, en la figura 1 se puede ver que cuando
la transformación es inducida por esfuerzo (T=Cte),
la transformación inicia cuando el esfuerzo alcanza
un valor crítico s=sC y finaliza cuando alcanza el
valor de s=sCf. Como se puede ver en la figura 1 la
magnitud de sC corresponde con la intersección de
la isoterma Mss y la línea MS- cuya pendiente es
igual a la razón de Clausius-Clapeyron. Por otro lado,
en la figura 2 se presenta una curva esfuerzo deformación asociada al caso que se está discutiendo y
claramente se ve que el comportamiento es no lineal
y dependiente de la temperatura puesto que s C
depende de ella. Así mismo, se ha reportado en la
literatura que el comportamiento mostrado en la
figura 2 varía considerablemente con la orientación
3, 4
cristalográfica.
Fig. 2. Comportamiento Esfuerzo-Deformación observado en MMF.
Fig. 1. Diagrama Esfuerzo-Temperatura –Transformación
típico de MMF. a) Transformación a esfuerzo constante
y b) a temperatura constante.
38
Finalmente, se puede ver también en la figura 1
que cuando la transformación se induce por combinación de ambos, temperatura y esfuerzo, las temperaturas a las cuales inicia y termina la
transformación se deslizan hacia temperaturas
mayores y son llamadas MSs y Mfs. El deslizamiento
que sufren dichas temperaturas depende de la
magnitud del esfuerzo aplicado. Un parámetro
importante en este efecto es la deformación que sufre
el material, la cual se puede apreciar en la figura 3.
En la figura 3 se muestra una curva deformacióntemperatura a esfuerzo constante que presentan los
MMF. El comportamiento anterior constituye el prin-
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Diseño de un termo-actuador basado en ... / Jacinto Cortés Pérez et al
Fig. 3. Comportamiento Deformación-Temperatura, a
carga constante, observado en MMF.
cipal interés en nuestro trabajo, ya que el material
puede tomar dos formas predeterminadas al variar
la temperatura arrastrando una carga, es decir
realizando trabajo mecánico. Cabe mencionar que el
comportamiento mostrado en la figura 3 presenta variaciones importantes si la magnitud de la carga no
es constante y si se trata de materiales policristalinos.
El efecto mostrado en la figura 3 sugiere que es
posible realizar trabajo mecánico útil a partir de fluctuaciones térmicas del ambiente, lo cual resulta de
gran importancia sobre todo porque las variaciones
de temperatura necesarias para que esto suceda son
considerablemente bajas en comparación con las que
requieren las máquinas térmicas convencionales. De
hecho, es bien sabido que las temperaturas críticas
de los MMF (MS, Mf, AS y Af) dependen de su composición química y en algunos casos pueden ser
5
cercanas a la del ambiente.
Es importante mencionar que para diseñar un
dispositivo que aproveche las propiedades de los
MMF es necesario constar con modelos matemáticos
que simulen convenientemente su comportamiento.
A pesar de que se han reportado en la literatura una
6, 7 y 8
la mayoría de los
serie de trabajos al respecto,
modelos propuestos resultan muy complicados aún
para casos tan simples como los son la tracción, la
flexión y la torsión.
En el presente trabajo se propone el diseño de un
termo-actuador que aprovecha el comportamiento
de los MMF mostrado en la figura 3. El dispositivo
consta de un par de alambres fabricados con MMF,
sujetos a tracción mediante un resorte helicoidal
acoplada un mecanismo que permite convertir el
desplazamiento longitudinal del resorte en giros de
180°. Para calcular el comportamiento de
deformación-temperatura-esfuerzo de los alambres
se empleó un modelo desarrollado por uno de los
9
autores del presente trabajo.
DESARROLLO
Diseño conceptual
Un esquema general del termo-actuador que presentamos en este trabajo se puede apreciar en la
figura 4. Como se puede ver en la figura, el dispositivo consiste de en un par de alambres fabricados
con un MMF sujetos a tensión por medio de un resorte helicoidal que trabaja en comprensión; el conjunto resorte-alambre se acopla a la corredera de un
mecanismo biela-manivela-corredera, el cual a su vez
se encuentra acoplado a un cuadrilátero articulado.
Inicialmente el alambre se encuentra deformado
por la acción del resorte. Cuando el alambre es calentado por encima de su temperatura crítica (AS),
experimenta una contracción que comprime el resorte desplazando la corredera hacia la izquierda. El
mecanismo biela-manivela-corredera convierte el
movimiento longitudinal en un desplazamiento angu-
Eje de
salida
Resorte helicoidal
Mecanismos
acoplados
Alambres con MF
Fig. 4. Esquema general del termo-actuador.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
39
�Diseño de un termo-actuador basado en ... / Jacinto Cortés Pérez et al
lar de la manivela. Mediante el mecanismo de cuatro
barras articuladas, el desplazamiento angular generado es convertido en un giro de l80º. Cuando el alambre es enfriado la contracción desaparece, el resorte
se restituye y el mecanismo permite que se complete el giro del eje acoplado a la salida del cuadrilátero
articulado. La operación del dispositivo consiste
entonces, en ciclos continuos de calentamiento y enfriamiento.
El dispositivo que se propone puede ser considerado como una máquina térmica ya que convierte
energía térmica en trabajo mecánico al comprimir el
resorte durante el calentamiento. En este caso sólo
se requiere de una fuente de calor proveniente de
cualquier medio sólido, líquido o gas, cuya temperatura sea mayor que la temperatura de transformación
austenítica (As) del material. Así mismo, la temperatura de la fuente fría debe ser menor que la temperatura de transformación martensítica (Mf ) del
alambre. El consumo de energía se asocia a la transferencia de calor que se requiere para que el material se caliente y/o se enfríe.
Cabe mencionar que a diferencia de las máquinas
térmicas convencionales, que requieren de gases con
cierta temperatura y presión, el movimiento del termo-actuador está asociado a la transformación
martensítica del MMF y no a la expansión de gases.
Lo anterior, confiere a dispositivos como el que presentamos la capacidad de “recuperar” energía de
desecho de máquinas térmica convencionales.
CRITERIOS DE DISEÑO
Contracción de los alambres
El primer aspecto considerado para el diseño del
dispositivo fue la determinación del desplazamiento
de la corredera, la cual es arrastrada por el resorte
cuando los alambres con memoria de forma son calentados. Como se mencionó anteriormente, fue necesario emplear un modelo que permitiera conocer
el comportamiento carga-desplazamientotemperatura del alambre, para lo cual se empleó la
9
ecuación propuesta por Cortes :
1
σ
n
A
ε =
f k −k +k
2 1
1
(
40
)
f=
T − M·s − Tc
exp(
)
Ta
T − M − Tc
)
Ta
1 + exp(
σ
f
(1)
con
n
0.99k f − 0.01ki
k2 =
0.99 2 − 0.012
0.01k f − 0.99ki
k1 =
0.012 − 0.99 2
Tc =
σA
∂σ c
2
∂M σ
s
( )
E
1− n
σA
α
ki =
1−n
E σ
kf = A
α 2
n
σA
Ta =
2
∂σ c
ln (99 )
∂M σ
s
∂σ c
donde: sA es el esfuerzo aplicado, ∂ M σ es la
s
razón de Clausius-Clapeyron, E, n y a son parámetros
que se toman de la curva esfuerzo-deformación a
T>Af para el material empleado.
Dicho modelo aproxima el comportamiento de los
MMF mediante parábolas ajustadas con valores experimentales y permite simular el comportamiento
en estudio ya sea para carga, deformación o temperatura constante y/o variable. En dicha ecuación es
preciso determinar sA en función del desplazamiento, o bien de la deformación, ya que la carga aplicada proviene del resorte y, como se sabe, depende de
la compresión del mismo. Por otro lado, es preciso
tomar en consideración que el esfuerzo aplicado sobre cada alambre no debe exceder de 100 MPa y
que la deformación máxima recuperable depende del
1
MMF empleado.
Primero, es preciso tomar en consideración que
el alambre cambiará de forma siempre y cuando
esté sujeto a una precarga proveniente del resorte.
Es decir que los alambres estarán sujetos a un
esfuerzo inicial, y por tanto experimentarán una deformación inicial, y esta disminuirá conforme el resorte se contraiga. Lo anterior indica que los alambres estarán sujetos a un esfuerzo variable que dependerá de la deformación.
Considerando el esquema de la figura 5 tenemos
que, el esfuerzo aplicado en los alambres y la deformación del mismo pueden ser escritas como:
l − l
ε = 0
l0
(2)
Kl 0
σ A = σ =
ε
A
donde: l0 es la longitud del alambre sin carga.
l es la longitud del alambre al aplicarle un esfuerzo s
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Diseño de un termo-actuador basado en ... / Jacinto Cortés Pérez et al
K es la constante del resorte
A es el área de la sección transversal del alambre
Considerando las restricciones de esfuerzo y deformación máximas recomendadas, para nuestro diseño supusimos como conocidos la constante del
resorte y el área de la sección transversal del alambre
y así de las ecuaciones (2) determinamos la longitud
que deben tener los alambres (l0) y la contracción
máxima que sufrirán (lf.).
El esfuerzo y la deformación inicial de los
alambres(e0) pueden ser determinadas empleando las
ecuaciones (2) tomando una l1 como la longitud que
adquieren los alambres al ser aplicada la precarga (s1).
ε1 =
l0 − l1
l0
σ A = σ1 +
kl0
∆ε
A
(3)
kl
σ 1 = 0 ε1
A
donde:
∆ε=ε−ε1
Como podemos ver si e de la ecuación (1) es
igual con De de la ecuación anterior y tomado sA de
la ecuación (2) tenemos que (1) se convierte en una
ecuación algebraica no lineal. Si se conocen los
parámetos del material empleado, es decir: ∂σ σc MS,
∂M s
E, a y n, dicha ecuación puede ser resuelta para
De
en función de la temperatura empleando algún método
numérico conocido, como el de Newton-Raphson.
Conociendo De es posible determinar la longitud
que tomará el resorte para cada temperatura mediante
la ecuación:
l = l0 [1 − (ε 1 + ∆ε )]
(4)
Síntesis del mecanismo
La longitud del alambre l como función de la temperatura, proporciona el comportamiento
desplazamiento-temperatura de la corredera, por lo
que el siguiente paso fue determinar el desplazamiento
angular en la manivela. Para calcular dicho desplazamiento se empleó la siguiente ecuación propuesta
por Cuenca:10
r (T )
r (T ) = R1 ( p − o) + R2 R1 ( s − p) = 1
r2 (T ) (5)
donde: o, p y s son las coordenadas de las articulaciones en la posición inicial, como se puede apreciar
en la figura 6.
Cos(θ1 ) − Sen(θ1 ) 0
R1 = Sen(θ1 ) Cos(θ1 ) 0
0
0
1
Cos(θ 2 ) − Sen(θ 2 ) 0
R2 = Sen(θ 2 ) Cos(θ 2 ) 0
0
0
1
donde: q1, q2 son los ángulos que deben girar los
eslabones p-0 y r-p para pasar de la posición inicial
a una segunda posición.
Fig. 5. Conjunto: alambres-corredera-resorte del termo-actuador.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
41
�Diseño de un termo-actuador basado en ... / Jacinto Cortés Pérez et al
r1(T) y r2(T) son las componentes del vector r(T)
que representa el desplazamiento que sufre la corredera y en nuestro caso están dadas por (4).
La ecuación 5 representa un sistema de
ecuaciones no lineales y dadas las magnitudes de los
eslabones podemos resolver para q1, q2 empleando
algún método numérico; en nuestro caso el método
empleado fue el de Newton-Raphson.
Finalmente, considerando como datos: el máximo
valor de q1 de la solución de la ecuación 5 y el requerimiento de que el eslabón de salida del
cuadrilátero gire 180º, se procedió a determinar la
magnitud de los eslabones del cuadrilátero articulado.
Para realizar lo anterior se empleó nuevamente la
10
metodología propuesta por Cuenca con la siguiente
ecuación:
R1 ( s − 0) + R3 ( m − s ) − R4 ( m − n ) − ( n − 0) = 0
(6)
Cos (θ 3 ) − Sen(θ 3 ) 0
Cos(θ 4 ) − Sen(θ 4 ) 0
R3 = Sen(θ 3 ) Cos (θ 3 ) 0 R = Sen(θ ) Cos(θ ) 0
4
4
4
0
0
0
1
0
1
donde: s, m y n son las articulaciones del cuadrilátero articulado que se muestra en la figura 6, q3 y
q4 son los ángulos que deben girar los eslabones s-p
y n—m respectivamente; obviamente q4 debe ser
180º y q3 debe tomar el valor máximo de salida del
mecanismo biela-manivela-corredera (q1máx). Dado
lo anterior tenemos que deben darse las magnitudes
de dos de los eslabones del cuadrilátero articulado
para que el sistema sea consistente.
Una vez determinadas las magnitudes de los eslabones de los mecanismos: biela-manivela-corredera
y cuadrilátero articulado, es posible determinar q4
como función de la temperatura (T).
Prototipo
Empleando los criterios citados anteriormente, se
calcularon las dimensiones de un prototipo del dispositivo propuesto en el presente trabajo. Las dimensiones libres del dispositivo se dieron tomando en
cuenta que el prototipo sería con fines demostrativos,
sin embargo es posible escalarlas para una aplicación
determinada.
Los alambres empleados para construir el prototipo son de una aleación Ni-50%wtTi, aproximadamente, cuyo diámetro es 100mm y con una
42
Fig. 6. Mecanismo del termo-actuador.
temperatura de activación(AS) de 70ºC. Se trata de
alambres comerciales de los denominados muscle
wire fabricado por la empresa Nitinol. Cabe
mencionar que los alambres de Ni-Ti pueden ser
remplazados por alambres y/o cintas de alguna
aleación con memoria de forma que resulte más económica, como por ejemplo la aleación de Cu-Al-Be
5
que ya ha sido obtenida en nuestro país.
Las dimensiones de los alambres fueron calculadas considerando un 8% de deformación, lo que brindaría unos 5 cm de desplazamiento en el resorte, lo
cual es suficiente para ser percibido a la vista y es
menor del 10% recomendado como máximo por el
fabricante (Nitinol). Así mismo se consideró como
esfuerzo máximo aplicado sobre el alambre 100MPa.
CONCLUSIONES
Se obtuvo un dispositivo capaz de realizar un movimiento circular continuo arrastrando una carga variable.
El dispositivo obtenido, opera con fluctuaciones
térmicas provenientes de cualquier fuente (líquido,
sólido o gas) que se encuentre a una mayor temperatura que la de activación de los alambres.
Los criterios de diseño empleados permiten controlar la posición del eslabón de salida del
termo-actuador mediante la temperatura por lo que
el dispositivo puede ser empleado para otros fines
distintos al propuesto en el presente trabajo.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Diseño de un termo-actuador basado en ... / Jacinto Cortés Pérez et al
REFERENCIAS
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Transformations and Associated Transformation
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Tesis de licenciatura en Ingeniería Mecánica,
Facultad de Ingeniería UNAM (1998)
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Shape Memory Alloys. Proceedings of de III
European Symposium on Martensitic
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PLANES, (ed), J de Physique Colloque C-2, pp.
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Plasticity Like Model of Martensite Phase in
Shape Memory Alloys. Proceedings of de III
European Symposium on Martensitic
Transformations BARCELONA, SPAIN:
PLANES, (ed), J de Physique Colloque C-2, p.
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8. Y Gillet, M., A. Meunier, V. Brailovski, F. Trochu,
E. Patoor and M. Berveiller. Comparison of
Thermomechanical Models for Shape Memory
Alloy Spring. J de Physique IV Colloque C8,
supplément au Jounal de Physique III, volume 5,
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Pseudoelasticidad en Aleaciones con Memoria de
Forma. Tesis de Maestría. DEPFI, UNAM.
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10. F. Cuenca. Simulación de mecanismos empleando álgebra de números complejos. Reportes internos de investigación de la DEPFI UNAM (En
preparación).
43
�Medición de la conductividad
eléctrica de materiales cerámicos
en una guía de onda
Rubén Morones Ibarra, Eder Zavala López, Oxana V. Kharissova
Facultad Ciencias Físico-Matemáticas, UANL.
Ubaldo Ortiz Méndez, Zarel Valdez Nava, Juan A. Aguilar Garib
Facultad de Ineniería Mecánica y Eléctrica-UANL
ovkharisova@ccr.dsi.uanl.mx.
ABSTRACT
A method for measuring conductivity of materials exposed to intensive
electric fields is proposed in this paper. Previous measurements of
permittivity in a waveguide showed that it is possible to introduce
electrodes in such a way that they are not affected by the microwave energy.
Therefore in this work a similar device was employed. The energy was
supplied by a magnetron working at 2.45 GHz. Comparisons with
traditional impedance analyzer are also presented.
KEYWORDS
Electrical conductivity, microwaves, ceramics.
INTRODUCCIÓN
La conductividad eléctrica es una de las propiedades más importantes, desde
el punto de vista funcional de los materiales. La eficiencia con la que la energía
eléctrica se transmite depende de ella y se sabe que está relacionada con el
calentamiento del material. La necesidad de materiales superconductores también ha hecho que se preste cada vez más atención a esta materia. Los valores
de la conductividad para materiales típicos pueden ser encontrados en múltiples
referencias, pero se debe tomar en cuenta que aún pequeñas variaciones en la
composición afectan esta propiedad, de manera que los datos para los materiales
con los que un investigador trabaja en el laboratorio normalmente no están
disponibles. Dada su dependencia de la frecuencia, el equipo más común para
llevar a cabo estas mediciones es el analizador de impedancia. Sin embargo, éste
opera a baja potencia y por lo tanto no se pueden detectar cambios que puedan
ocurrir cuando el material se expone a un campo eléctrico intenso.
El objetivo de este trabajo está enfocado a explorar la posibilidad de hacer
mediciones de conductividad de materiales bajo un campo de microondas aprovechando la experiencia con la que se cuenta para hacer mediciones de
permitividad en esas condiciones. Se propone un método en que se utilizan
microondas para mantener el campo eléctrico a una frecuencia y una potencia
dadas, tal que la muestra sufra calentamiento.
44
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Medición de la conductividad eléctrica de materiales cerámicos ... / Rubén Morones Ibarra et al
CALENTAMIENTO DE LOS MATERIALES POR
MICROONDAS
La absorción de energía electromagnética por un
dieléctrico ocurre por el fenómeno conocido como
histéresis dieléctrica. Este fenómeno se debe a la
oscilación de los dipolos atómicos del dieléctrico los
cuales oscilan en fase con la frecuencia del campo
eléctrico externo.
Cuando se coloca un dieléctrico en un campo eléctrico externo sus átomos se polarizan. Si se somete
un material a un campo eléctrico oscilante, entonces
!
los dipolos p del material oscilan en fase (con !fre!
cuencia w) con este campo externo. Si p = qX es
el momento dipolar eléctrico, siendo q la carga eléc!
trica del átomo y X el desplazamiento del centro de
carga negativa respecto al núcleo atómico, entonces,
!
la oscilación del dipolo p cuando se coloca en un
campo electromagnético
! externo quedará descrita
por la oscilación de X (t ) que satisface la ecuación
del oscilador armónico forzado1.
mX ’’+γX ’+ kX = Fext
(1)
Donde m, y y k son la masa, la constante de amortiguamiento y la constante de tensión del dipolo, respectivamente y X(t) es el tamaño del dipolo.
El efecto del campo magnético sobre los átomos
es despreciable comparado con la interacción eléctrica, así que se toma Fext como la fuerza eléctrica
sobre la carga del átomo: Fext = qE(X,t), siendo q la
carga eléctrica de éste.
Vista del generador de microondas, el control y la pantalla
durante una prueba.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
Por otra parte, la longitud de onda de las
microondas de 2.45 GHz es de 12.5 cm en trayectoria
libre y 23.2 cm en la guía de onda utilizada en este
trabajo, así que la variación espacial del campo eléctrico en la región del átomo, cuyas dimensiones son
del orden de Å, es también despreciable.
Se tiene así que la Ecuación (1) puede escribirse
como
mX ’’+γX ’+ kX = qE0 Senωt
(2)
k
2
Donde se ha definido a ω 0 =
la cual es la
m
frecuencia natural de oscilación del dipolo.
Por otra parte la permitividad compleja se expresa
como:
(3)
ε = ε ′ + iε ′′
En donde ε ’ y ε ’’ son respectivamente la parte
real e imaginaria de la permitividad.
De la solución de estas ecuaciones2, se llega a la
conclusión de que estas componentes dependen de
la frecuencia w del campo externo.
Por otra parte, al incluir la permitividad compleja
en la ley de Ampere-Maxwell, y considerando a la
conductividad eléctrica del material (s) surge una
expresión que relaciona ambas contribuciones:
(4)
σ ’= (σ + ε ’’ω )
Con frecuencia se conoce a σ ’ como la
conductividad equivalente del material, aunque se
debe apreciar que solamente la componente s se
refiere al transporte de electrones o conductividad
eléctrica.
Así, la rapidez con la que se ganará calor por
unidad de volumen en el material está dada por:
(5)
P = σ ’E 2
Cuando se considera un material conductor, no
existe la polarización de los átomos, σ ’= σ entonces
en la ecuación (5) P = σE 2 y el calentamiento del
material es óhmico (efecto Joule), debido al paso de
una corriente a través del material.
Para el caso de un material dieléctrico (una cerámica, un vidrio o un plástico, por ejemplo), s = 0 y en
la ecuación (5) P = ε ’’ωE 2 y el calentamiento se
debe a la oscilación de los dipolos eléctricos del
material.
45
�Medición de la conductividad eléctrica de materiales cerámicos ... / Rubén Morones Ibarra et al
MIDIENDO LA PERMITIVIDAD
El método que se ha utilizado para medir la
permitividad fue propuesto inicialmente por Roussy
y Pearce3 y modificado para muestras con las propiedades de los cerámicos4. Este método consiste
en colocar una pequeña muestra cilíndrica en el
centro de una guía de onda (en x=a/2; siendo “a” el
ancho de la guía de onda) y estimar la impedancia
basados en el análisis de la onda estacionaria. Se
supone que la muestra es suficientemente pequeña
como para aceptar que se trata de una impedancia
en paralelo y que el campo eléctrico es constante
(figura 1).
Un aspecto importante fue la manera en que se
midió la temperatura, se utilizaron termopares blindados, colocados perpendicularmente al campo eléctrico tal como se sugiere en la literatura3 y que ya ha
sido probado en otros trabajos5.
En la figura 1 se observan dos electrodos que
están colocados perpendicularmente al campo
eléctrico dentro de la onda. En esa misma posición
fueron colocados los termopares de los que se hace
mención y de los cuales la confiabilidad ha sido
probada de diferentes maneras.
Debido a que en ese experimento se comprobó
que los termopares no eran afectados por las
microondas, se supone que en el arreglo experimental
del presente trabajo tampoco se verán afectados los
electrodos que se utilizan.
Fig. 1. Vista frontal de la guía de onda utilizada con la
muestra y los electrodos insertados. La guía mide 76
mm x 36 mm (denominación WR284).
46
Se encontró que para el caso de la alúmina, la
parte imaginaria de la permitividad ( ε ’’) aumenta
con la temperatura (figura 2), lo que estaría de acuerdo
con el hecho de que la conductividad equivalente ( σ ’)
aumentara.
0.025
Pe
rm 0.02
iti
vid
ad 0.015
(p
art
e
im 0.01
agi
na
ria 0.005
)
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Temperatura ( C)
Fig. 2. Estimación de ε ’’en una prueba de alúmina expuesta a 800 Watts y 2.45 GHz.
EXPERIMENTACIÓN
En este trabajo se pretende medir la conductividad
utilizando un arreglo similar al empleado para la
permitividad, colocando un par de electrodos en lugar de los termopares, como ya se mostró en la Figura
1, para que al igual que éstos no resulten afectados
por el campo eléctrico.
Las pruebas fueron llevadas a cabo en una guía
de onda WR284. La fuente consistió en un generador
de 2.45 GHz en el que se varió la potencia a valores
de hasta 1500 W. En la Figura 3 se puede observar
la guía de onda cerrada que contiene la muestra en
su interior, como muestra la Figura 1.
Fig. 3. Guía de onda cerrada en la que se muestran los
electrodos y un termopar de contacto para medir la
temperatura de la pared.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Medición de la conductividad eléctrica de materiales cerámicos ... / Rubén Morones Ibarra et al
RESULTADOS Y DISCUSION
Como se indicó anteriormente, una muestra de
alúmina fue probada con un analizador de impedancia
y se encuentra que la conductividad aumenta tal como
la permitividad lo hace. En la figura 4 se observa que
la conductividad (en Siemens) aumenta con la frecuencia, pero además se puede apreciar que alrededor
de los 500°C este valor se eleva y corresponde con
el comportamiento de la permitividad con respecto a
la temperatura.
Conductividad (S)
2.00E-04
1.60E-04
1.20E-04
8.00E-05
4.00E-05
0.00E+00
0
100
1kHz
Conductividad (S )
100kHz
500kHz
500
600
1000kHz
1.60E-08
1.40E-08
1.20E-08
1.00E-08
8.00E-09
6.00E-09
4.00E-09
2.00E-09
0.00E+00
0
1.00E-04
200
300
400
Temperatura ( C)
Fig. 5. Conductividad de la espinela con 9% molar de
hematita determinada en un analizador de impedancia
a diferentes frecuencias.
Conductividad (S)
Se utilizó además un termopar de contacto para
medir la temperatura de la pared, en este arreglo no
se puede medir la temperatura de la muestra.
El material que se deseaba probar es una espinela
que contiene 9% molar de hematita (Fe2O3). Sólo
para efecto de comparar las mediciones de
permitividad contra las de conductividad se analizó
primeramente la alúmina mediante un analizador de
impedancias en el intervalo de frecuencia de 1 KHz
a 1 MHz y a diferentes temperaturas en el intervalo
de 25°C hasta 500°C.
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Tiempo (s)
8.00E-05
Fig. 6. Resultados obtenidos en el dispositivo propuesto
en este trabajo.
6.00E-05
4.00E-05
2.00E-05
0.00E+00
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura ( C)
1kHz
100kHz
500kHz
1000kHz
Fig. 4. Conductividad de la alúmina determinada en un
analizador de impedancia a diferentes frecuencias.
Por otra parte, el material objeto de este trabajo
mostró un comportamiento similar. Se puede observar en la figura 5 que al igual que la alúmina, la
conductividad se incrementa de manera importante
a partir de los 500°C.
La figura 6 muestra un ejemplo de los resultados
que se obtuvieron típicamente en la guía de onda que
se utilizó en este trabajo.
Se observa que los valores obtenidos son más pequeños que los que se obtuvieron con el analizador
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
de impedancia, cuando deberían ser mayores ya que
la frecuencia de las microondas utilizadas es mayor
(2.45 GHz). Sin embargo debe considerarse que en
este caso existe incertidumbre con respecto al contacto eléctrico entre la muestra y el electrodo además de determinar las áreas de contacto. Por otra
parte, se estimó de las mediciones llevadas a cabo
sobre la pared de la guía que la temperatura que la
muestra alcanzó fue del orden de los 200°C. Dado
que no fue posible seguir la curva de calentamiento
a lo largo de la prueba, mejor se presentan los resultados graficados contra el tiempo de prueba (figura
6) y se observa que hay, en efecto, independientemente de la cuestión de los electrodos, un aumento
en la conductividad con respecto a la temperatura,
ya que la muestra se estaba calentando.
No obstante las limitaciones del método propuesto en este trabajo para medir la conductividad (s),
los valores se encuentran dentro del orden de
magnitud de los que se reportan con el analizador de
47
�Medición de la conductividad eléctrica de materiales cerámicos ... / Rubén Morones Ibarra et al
impedancias para la temperatura alcanzada por la
muestra (alrededor de 200°C), como se aprecia en
la figura 7.
Conductividad (S)
2.00E-07
1.60E-07
1.20E-07
8.00E-08
4.00E-08
0.00E+00
0
100
1kHz
200 300 400
Temperatura ( C)
500
100kHz
1000kHz
500kHz
600
Fig. 7. Sección de la gráfica de la figura 5.
En este trabajo solamente se estudió la posibilidad
de hacer las mediciones dentro del campo de
microondas como posibilidad adicional del analizador de impedancia en el cual el dispositivo de soporte de la muestra y los electrodos deben colocarse
dentro de un horno. Los hornos convencionales de
resistencia eléctrica no alcanzan más de 1800°C, y
aun así se darían casos en que los electrodos no resistirían.
La idea es que dependiendo del material que se
expone a las microondas es la temperatura que se
podrá alcanzar, sin embargo de tenerse un material
que sea buen absorbedor de microondas se podrían
alcanzar temperaturas tan altas como el punto de
fusión de algunos cerámicos. Por otro lado se trata
de calentar únicamente la muestra, aunque los electrodos se calentarían por conducción ya que en este
trabajo se corrobora que no se afectan más que los
termopares que fueron utilizados para la medición
de temperatura en el caso de la permitividad. Además, dado que la transferencia de calor no está gobernada por conducción, se puede proporcionar alta
potencia a fin de alcanzar las temperaturas deseadas
rápidamente, y registrar los datos necesarios para
calcular la conductividad antes de que los electrodos
se vean afectados.
48
CONCLUSIÓN
Comúnmente se puede medir la conductividad a
diferentes frecuencias utilizando un analizador de impedancia. En la actualidad el procesamiento de materiales mediante microondas ha ido tomando cada
vez más auge, por lo que la propuesta de medir esta
propiedad bajo estas condiciones de los materiales
con los que se trabaja en el laboratorio y que normalmente no aparecen en las referencias. Aunque en
este trabajo no se alcanzó alta temperatura si se pudo
confirmar que se puede llevar a cabo una medición y
que los electrodos no se vieron afectados. Se debe
trabajar aun más en lo que respecta al contacto y a
la medición de la temperatura, que se podría hacer
mediante pirometría óptica a través de una perforación
en la guía o bien, utilizar el blindaje de los propios
termopares como electrodos, y poder registrar aun
temperaturas bajas.
REFERENCIAS
1. Jackson, J.D.:Classical Electrodynamics, 2nd. Ed.,
John Wiley and Sons, Inc.,1975, p.285.
2. Griffiths, D.J.: Introduction to Electrodynamics,
2nd. Ed., Prentice-Hall.,1989, p.382.
3. Roussy G., Pearce J.: Foundations and Industrial
Applications of Microwaves and Radio Frequency
Fields, John Wiley and Sons, 1995.
4. Aguilar J, Pearce J.: Study of the thermal
behavior of materials exposed to microwaves
achieving temperatures over 650°C. 33 rd
Microwave Power Symposium, International
Microwave Power Institute, Chicago, ILL. Jul.
1998, pp. 47-50.
5. Aguilar J.:Termopares para medición de temperatura en materiales expuestos a microondas. Vol
1, 4, 1998, pp. 319-325.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen el apoyo otorgado por el
CONACYT y por la Universidad Autónoma de Nuevo León a través del PAICYT para el desarrollo de
este trabajo.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Estudio fractográfico de losetas
cerámicas
Leonardo Chávez Guerrero, Moisés Hinojosa Rivera,
Lourdes Peñaloza Peña
Programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales FIME-UANL.
hinojosa@gama.fime.uanl
ABSTRACT
This works reports the characterization of and the fractographic analysis
of commom ceramic tiles. Samples were fractured by three-point bend
testing and the fracture surfaces were analyzed both by SEM and AFM.
The heterogeneous microstructure accounts for the low weibyll Modulus
of the ceramic tiles.
KEYWORDS
Weibull modulus, fractography, fractometry.
INTRODUCCIÓN
La mecánica de la fractura ha tenido un gran auge en los últimos 20 años ya
que su conocimiento contribuye a la solución de un problema muy costoso tanto
económicamente como en vidas humanas.
Mientras que la mecánica de la fractura se encarga de diseñar y evaluar
componentes agrietados con el fin de aumentar la resistencia a la propagación de
grietas que producen la fractura, la fractografía se interesa por la forma de las
superficies creadas al propagarse una grieta; ya que, esta morfología de la grieta
contiene la información necesaria para determinar y reproducir las condiciones
bajo las cuales ocurrió la falla.1
Los materiales cerámicos se utilizan ampliamente y sus aplicaciones van desde
los objetos más sencillos de alfarería hasta los más avanzados como reemplazos
de huesos, refractarios y superconductores.
Existe una amplia variedad de pruebas mecánicas para determinar las
propiedades de un material, entre estas están las pruebas de tensión, compresión,
flexión etc., estas pruebas se realizan simulando condiciones reales de esfuerzos
en los materiales con el fin de poder predecir su comportamiento al momento de
emplearse.
CERAMICOS
El término cerámicos proviene del griego “keramos” que se empleaba para
designar los objetos hechos con arcilla quemada.2 La arcilla está compuesta de
silicoaluminatos con cantidades variables de impurezas.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
49
�Estudio fractográfico de losetas cerámicas ... / Leonardo Chávez Guerrero et al
disminuye la resistencia mecánica así como la resistencia al ingreso de líquidos o gases al interior del
cerámico.
Fig. 1. Celda unitaria de la alúmina (Al2O3).
Los materiales cerámicos presentan una complejidad mayor que los metales y los polímeros en su
estructura cristalina ya que muestran una combinación de celdas unitarias debido principalmente a la
necesidad de un equilibrio de cargas eléctricas entre
los distintos átomos presentes.
Un ejemplo muy conocido es la alúmina (Al O )
2 3
ó corindón (figura 1), donde sólo puede haber 2 iones
-3
-2
de Al por cada 3 iones de O para mantener la
neutralidad eléctrica.3
La mayoría de los cerámicos de uso industrial presentan una mezcla de fases (cristales) unidas con
material amorfo (liga).
En los materiales cerámicos se forman soluciones sólidas sustitucionales e intersticiales, la solubilidad
sólida de una fase dentro de otra es limitada; y por lo
tanto, es difícil mantener una distribución equilibrada
de cargas cuando se introducen iones.
Sin embargo las deficiencias o excesos de cargas
se pueden acomodar produciendo defectos, con el
fin de equilibrar las cargas un ion puede desplazarse
hacia la superficie afectando las propiedades del
cerámico, también es posible acomodar la carga fuera
de equilibrio creando vacancias.
Otro defecto que la industria considera muy importante es la porosidad, los poros pueden estar aislados dentro del sólido (cerrado) o pueden estar
interconectados por canales que lleguen a la superficie del sólido (abierto), tendrá mejores propiedades
aislantes a mayor porosidad, pero los poros obviamente son indeseables en el producto final ya que
50
EXPERIMENTACIÓN
El presente estudio se llevó a cabo empleando un
material cerámico de uso común en forma de losetas, las cuales están compuestas de dos zonas, la
primera y más extensa está compuesta de arcilla y
la segunda consiste en un recubrimiento de vidrio
como se muestra en la figura 2.
Ceramografías
Las muestras se encapsularon en resina, posteriormente se desbastaron con lijas de carburo de silicio
utilizando mallas desde 800 hasta 4000 (tamaño de
grano respectivamente) y finalmente fueron pulidas
con diamante de 1 mm sin que recibieran ataque
químico.
Espectroscopía EDX
Mediante el Microscopio Electrónico de Barrido
(MEB) se obtuvieron imágenes de la microestructura
y la composición química semicuantitativa utilizando
difracción de rayos X (EDX), se recubrió la muestra
con grafito para que la superficie del material pudiera conducir la electricidad y así observar sobre que
zona se realizaba la prueba.
Difracción de rayos X
Para determinar la composición química se utilizó el material que corresponde a la zona de arcilla
únicamente, libre del recubrimiento para pulverizarlo
en un molino de bolas y después analizarlo en un
difractómetro de rayos X con ánodo de cobre.
Fig. 2. Loseta mostrando la superficie con vidriado.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Estudio fractográfico de losetas cerámicas ... / Leonardo Chávez Guerrero et al
Fluorescencia de rayos X
Esta técnica se utilizó para determinar la composición química del recubrimiento vítreo de la loseta.
Esta técnica se utiliza cundo el material analizado es
amorfo.
Ensayo de flexión
Para el ensayo de flexión se fabricaron 20
probetas con dimensiones de 1 cm de sección transversal, 10 cm de longitud y 0.6 cm de espesor. Para
determinar la resistencia, las probetas se ensayaron por
flexión en tres puntos en la máquina universal hasta
producir la fractura. Las condiciones de carga y
posiciones de los apoyos se muestran en la figura 3.
En la tabla 2 se muestra el resultado del análisis
químico sobre el vidriado obtenido mediante fluorescencia de rayos X. El último renglón indica la suma de
los elementos presentes en un porcentaje menor al 1%.
Identificación de fases
Tabla 2. Elementos detectados en el recubrimiento.
E LE ME NTO
MA S A (%)
C
2.01
O
39.40
Na
3.36
Mg
1.06
Al
9.87
Si
24.8
Ca
10.2
Zn
2.58
Zr
3.91
Σ<1%
2.7696
La figura 4 muestra una imagen a 1000X obtenida por MEB donde se observan las diferentes zonas
microestructurales.
Fig. 3. Prueba de flexión.
Una vez que se fracturaron las probetas se realizó un análisis fractográfico tradicional empleando el
MEB en la modalidad tanto de electrones secundarios como de retrodispersados y en el Microscopio
de Fuerza Atómica (MFA) en la modalidad de
contacto con “puntas” ultralever.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la tabla 1 se muestran los resultados del EDX
donde se indica la presencia de mullita (Al6Si2O13)
Anorthita (CaAl2Si2O8) y SiO2 en forma de cuarzo
en mayor cantidad ya que se trata de arcilla.
Tabla 1. Compuestos cerámicos.
FASE
%
Mulli ta
5.42
C uarzo
79.42
Anorthi ta
10.43
KalSi 3O8
4.7
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
Fig. 4. Micrografía del material cerámico.
De la figura 5 a 9 se muestra el espectro de la
energía radiada por el material correspondiente a las
zonas 1 a 5 respectivamente.
Debido a la gran cantidad de elementos es lógico
que existan tantas fases (5) ya que se generan combinaciones de estos elementos.
En todas las imágenes que muestran la energía radiada
por las fases se observa una considerable variación en la
composición lo que corrobora las diferencias en apariencia
que se muestran en la figura 4. Para las fases 2 a 5 se
observa una gran cantidad de elementos presentes (Ti, Ca,
Fe, Na, K, C, Al, Mg) y el aumento de fases aumenta el
grado de heterogeneidad del material.
51
�Estudio fractográfico de losetas cerámicas ... / Leonardo Chávez Guerrero et al
Fig. 8. Espectro de energía para la fase 4.
Fig. 5. Espectro de energía correspondiente a cada
elemento de la fase 1.
Fig. 9. Espectro de energía para la fase 5.
Fig. 6. Espectro de energía para la fase 2.
Fig. 7. Distribución de energía para la fase 3.
52
Resultados de los ensayos de flexión
Debido a las condiciones de flexión, una fuerza
de tensión actúa sobre la cara opuesta de la aplicación de la carga, por lo que la nucleación de la grieta
productora de la fractura iniciará en este lugar.5 La
resistencia a la flexión del material varía entre 40 y
80 MPa. En la figura 10 se muestra una curva
esfuerzo contra deflexión representativa de las
muestras fracturadas.
El módulo de flexión de las losetas varía entre 14
y 46 MPa. El módulo de flexión se calcula en la región elástica de las gráficas de esfuerzo contra
deflexión.
En la figura 11 se muestra un histograma de los
resultados obtenidos del ensayo de tensión con el fin
de observar la frecuencia de los valores de esfuerzo
antes de fracturarse.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Estudio fractográfico de losetas cerámicas ... / Leonardo Chávez Guerrero et al
Probabilidad acumulada vs. Resistencia
ES FU ER ZO VS D EF LEXI N
1.50
1.00
60
0.50
ln[ln(1/1-p)]
0.00
50
40
-0.50 40
45
50
55
60
-1.00
-1.50
m= 0.023
-2.00
30
-2.50
-3.00
-3.50
20
Resistencia MPa.
Fig. 12. Gráfica de probabilidad de falla acumulada en
función del esfuerzo de fractura.
10
0
0
0.0001
0.0002
0.0003
0.0004
0.0005
DEFLEXI N (mt s)
Fig. 10. Gráfica de esfuerzo de flexión contra deflexión.
H i st o g r a m a
8
1 20. 00%
7
1 00. 00%
6
80. 00%
5
60. 00%
4
3
Un ejemplo típico es la alúmina convencional que
tiene un valor de pendiente de 9.7 y una resistencia
de 578 MPa.
Análisis Fractográfico (MEB)
En la figura 13 se muestra una micrografía obtenida
mediante MEB del material fracturado en la que se
observan características de la superficie de fractura
como porosidad y desprendimiento de partículas.
Aparentemente no se aprecia deformación lo que hace
corroborar que la fractura es frágil.4
40. 00%
2
20. 00%
1
0
. 00%
40
44
48
52
56
60
y may or . . .
Cl ase
Fig. 11. Histograma de frecuencia del parámetro carga
y el percentil.
Cálculo del módulo de Weibull
Este análisis cuantifica el comportamiento del material en cuanto a su variabilidad en propiedades mecánicas. Se asigna un rango numérico dándole a la
menor resistencia a la fractura el valor 1. El número
total de muestras es 20, la probabilidad acumulada P
es el rango numérico dividido entre n+1 (en este
caso 21) y a continuación se traza ln[ln(1/1-P)] en
función de la resistencia. La figura 12 muestra un
valor de pendiente de 0.023, lo que indica que el material tiene una resistencia a la fractura muy variable
lo que confirma que es poco confiable en aplicaciones industriales con altos valores de carga.
Para el diseño de componentes cerámicos críticos que deben soportar grandes cargas, el módulo
de Weibull deberá ser elevado, una pendiente abrupta
representa un cerámico con poca variación es su
resistencia y esto ayuda en el diseño de componentes industriales más confiables.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
Fig. 13 Superficie de fractura observada mediante el MEB
con electrones secundarios (500X).
En la figura 14 se observa la micrografía de la
fractura donde se aprecian las discontinuidades en
el material lo que disminuye sustancialmente la resistencia a la fractura del material.
Análisis Fractográfico y Fractométrico (MFA)
En la figura 15 se muestra la topografía de la fractura obtenida mediante el MFA en una región escogida al azar. Se aprecia a detalle las alturas de las
irregularidades lo que para las imágenes obtenidas
mediante el MEB no es tan fácil de apreciar.
Las protuberancias que se manifiestan tienen un
tamaño característico de 1 mm.
53
Fig
con
�Estudio fractográfico de losetas cerámicas ... / Leonardo Chávez Guerrero et al
Fig. 14. Micrografía de la superficie fracturada obtenida
por electrones secundarios a una magnificación de
3000X.
Fig. 16. Imagen y perfiles obtenidos en el MFA.
Fig. 15. Imagen de la superficie fracturada.
Utilizando el MFA se realiza la evaluación
fractométrica obteniendo la rugosidad de los perfiles
de alturas que generan la imagen, calculando los valores de rugosidad Rms y Rave (rugosidad cuadrática
y rugosidad promedio).
La figura 16 muestra una imagen obtenida mediante el MFA y cuatro perfiles de alturas extraídos
de la misma, la apariencia de los perfiles es muy
irregular (valles y crestas) lo que concuerda
perfectamente con las imágenes obtenidas en MEB.
CONCLUSIONES
El análisis estadístico del ensayo de flexión del
material demuestra una pendiente que indica la variabilidad en las características microestructurales del
material cerámico.
Fue posible observar mediante el MEB diferentes fases y partículas en el material, así como gran
cantidad de poros que debilitan el material lo que
causa su baja resistencia y falta de plasticidad.
El módulo de Weibull es útil como factor de diseño ya que determina qué tan confiable es el material
en el caso de aplicaciones criticas, y además cuál es
la variación de sus propiedades mecánicas.
54
En una región arbitrariamente seleccionada, en
las imágenes de la superficie de fractura observadas
mediante MFA se puede observar una rugosidad que
se manifiesta como protuberancias de tamaño característico cercano a 1 mm.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece el apoyo técnico para la realización
de este trabajo a Oxana Kharissova, Patricia
Rodríguez, Jorge Aldaco, Martha Guerrero.
REFERENCIAS
1. “History of Fractography” , Metals handbook Ninth
Edition, vol. 12. (Fractography) ASM
International, Pag 1, 1987.
2. “Ceramics and Glasses”, Engineered Materials
Handbook vol. 4. ASM International 1991.
3. “Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales”. McGraw-Hill, inc. España 1998.
4. “Identification of Types of Failure”. ASMEngineering, Materials handbook vol. 11, 1986.
5. “Mecánica de Fractura: Bases y Aplicaciones”
J.L. Gonzáles V,. Colección textos politécnicos,
Serie Tecnologías mecánicas. Noriega-Limusa,
México 1998.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Efecto del Mg0 y Ca0 en la
producción de cerámicos
mullita-Zr02
Enrique Rocha Rangel, Elizabeth Refugio García
Departamento de Materiales, UNAM-Azc.
Av. San Pablo #180, Col. Reynosa, México, D.F. 02200.
enrocha@yahoo.com
ABSTRACT
A mixture constituted of ZrSiO4 and Al2O3 with additions of either MgO
or CaO was produced in air without application of pressure by the reactionsintering method at 1600°C for 2h. X-ray diffraction analysis showed that
after the sintering stage there is present a mullite-ZrO2 product with some
content of tetragonal-ZrO2. Sample with MgO got to retain a major quantity
of tetragonal-ZrO2. A semiquantitative analysis of the diffraction patterns
establish that sample without additives present a low reaction state,
whereas the “mullitization” reaction progress is completed for samples
with additives. On the other hand, density measurements set up that the
sample with MgO densifies better than sample with CaO and sample
without additives. Finally, sample with MgO also present the higher
elevated values of mechanical properties.
KEYWORDS
MgO, CaO, Production, Ceramics, Mullite-ZrO2, Phases stabilizers.
INTRODUCCIÓN
La mayoría de los cerámicos tradicionales tienen mullita como parte de su
composición de fases final, debido a que para su fabricación se hace uso normalmente de aluminosilicatos minerales. La microestructura de estos materiales
contiene una pequeña cantidad de fase vítrea la cual tiene bajo punto de fusión.
La importancia de la mullita no fue reconocida hasta hace pocos años, cuando
el comportamiento mecánico a elevada temperatura (1200°C) de la misma libre
1
de la fase vítrea fue estudiado. De este estudio resulto que la mullita es un
material en potencia para aplicaciones estructurales. Como la mayoría de los
cerámicos la mullita carece de un valor importante de su tenacidad a la fractura
(KIC) por lo que algunos autores han sugerido el uso de ZrO2 como un material de
refuerzo de la misma.2-6 Sin embargo, para que la ZrO2 actúe como un material
de refuerzo de la mullita debe encontrarse presente en su forma tetragonal ya
que se ha documentado que el mecanismo a través del cual la ZrO2 refuerza la
matriz de mullita es el de la transformación de ZrO2–tetragonal a ZrO2–
6-8
monoclínica cuando el material es sometido a esfuerzos. La retención de la
ZrO2-tetragonal no es sencilla a temperatura ambiente ya que ésta es una fase
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
55
�Efecto del MgO y CaO en la producción de ... / Enrique Rocha Rangel et al
Microestructura de un material compuesto mullitazirconia con adiciones de oxido de magnesio. Fase blanca zirconia, fase obscura mullita.
estable a temperaturas mayores a 1200°C, siendo la
forma monoclínica la que persiste a bajas tempera9-10
turas. Diversos autores han sugerido el uso de
aditivos como estabilizadores de la ZrO2–tetragonal
a temperatura ambiente dentro de los cuales se tienen
los siguientes: CaO, MgO, CeO e Y2O3.
En este trabajo se realiza un estudio acerca de la
influencia que tiene el empleo de pequeñas cantidades de MgO y CaO en la estabilización de la fase
tetragonal de la ZrO 2 que emerge al producir
cerámicos base mullita partiendo de mezclas de
mineral de ZrSiO4 y Al2O3. Asimismo, se observa el
efecto en las propiedades mecánicas de los cerámicos
mullita-ZrO 2 obtenidos por el método de
sinterización-reacción de las mezclas antes
mencionadas de acuerdo a la reacción siguiente:
con elementos de ZrO2 como medio de molienda.
Con los polvos molidos se prepararon por prensado
uníaxial muestras cilíndricas de 2cm de diámetro x
0.3 cm de espesor usando presiones de 300 MPa. A
continuación las pastillas fueron sometidas a un
tratamiento térmico para la formación y sinterización
del producto.
El ciclo de calentamiento seguido para el tratamiento de las muestras se muestra en la figura 1.
Las muestras sinterizadas se caracterizaron por
diferentes técnicas. Las fases presentes en el
producto se determinaron por difracción de rayosX. La microestructura se observó mediante
microscopía óptica. La densidad y porosidad tanto
de las muestras en verde como sinterizadas se midió
por el método de Arquímedes. La dureza de los
productos se determinó con ayuda de un microdurómetro Vickers, del ensayo de identación se
calculó el factor de intensidad de esfuerzos K1c
11
usando la relación propuesta por Evans. La
resistencia del material se midió mediante ensayos
de flexión en 3 puntos.
3 Al2O3 + 2ZrSiO4 → 3 Al2O3 .2 SiO2 + 2 ZrO2 (1)
EXPERIMENTACIÓN
Tres mezclas de polvo fueron preparadas, la composición de las mismas fueron las siguientes: 54.5%
en peso de ZrSiO4 y 45.5% en peso Al2O3 para la
primera, la siguiente fue de 54% peso de ZrSiO4,
45% peso de Al2O3 y 1%peso de CaO y la tercer
mezcla contenía 53.4% en peso de ZrSiO4, 44.6%
en peso de Al2O3 y 2% en peso de MgO. A estas
mezclas de polvo en lo sucesivo se les llamará
muestra ZA, ZCa y ZM respectivamente.
La mezcla de polvo fue colocada en un molino
del tipo planetario y molida en seco durante 6 horas
56
Fig. 1. Ciclo de calentamiento aplicado a las muestras
compactadas.
RESULTADOS
Densidad y porosidad abierta
En la tabla I se presentan los resultados de las
mediciones de densidad y porosidad abierta de las
muestras en verde y sinterizadas a 1600°C por 2 h.
En esta tabla se observa el aumento de densidad y la
disminución de porosidad de las muestras al pasar
del estado en verde al sinterizado. Sin embargo, la
densificación alcanzada por las muestras es muy pobre en todos los casos. Las muestra ZCa y ZM al-
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Efecto del MgO y CaO en la producción de ... / Enrique Rocha Rangel et al
Tabla I. Densidad y porosidad de las muestras en verde
y sinterizadas a 1600°C por 2 h.
Muestra
Verde
Densidad
(gr/cm3)
Sinterizadas
Porosidad
Porosidad
Densidad
abierta
abierta
(gr/cm3)
(%)
(%)
ZA
1.75
44
3.15
18.96
ZCa
2.35
40
3.25
12.37
ZM
2.86
38
3.32
8.12
canzan valores de densidad similares. Mientras, que
el valor de la densidad de la muestra ZA es más
bajo. De los valores de porosidad abierta obtenidos
por cada una de las muestras queda claro que los
cuerpos cerámicos obtenidos son muy porosos, principalmente los productos ZA y ZCa. Aunque, la densidad de la muestra ZM es mayor, no se puede
considerar que valores de porosidad de 8.12% sean
característicos de un cuerpo denso. Por lo que de la
densificación alcanzada por estas muestras no se
puede esperar un buen valor de la resistencia de las
mismas.
Difracción de Rayos X
Los resultados de DRX de las muestras
sinterizadas a 1600°C durante 2 h. se presentan en
la figura 2.
Para la muestra ZA se observa que a ángulos de
2q = 27° aparece un pico muy intenso que
corresponde al ZrSiO4. Asimismo, a 43.4° se tiene
presente el pico principal de la Al2O3. Aunque, en
este patrón de difracción también se tiene la presencia
de algunos picos de mullita entre los cuales destacan
a 2q = 26° y 26.5° los principales picos de este
compuesto. Por la intensidad de los picos antes
mencionados en esta muestra se puede comentar
que el avance de la reacción de «mullitización» aunque
ha comenzado el mismo ha sido muy incipiente. A
2q = 28.2° y 31.4° aparecen los picos principales de
la ZrO2-monoclínica mientras que a 2q = 30.3° se
tiene un pico poco intenso que corresponde a la ZrO2tetragonal.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
Fig. 2. Patrones de difracción de las muestras sinterizadas
a 1600°C por 2 h.
M: mullita, Z: zircón, T: ZrO 2 tetragonal, X:ZrO 2
monoclínica y a:Al2O3
De todo esto se tiene que el avance de la reacción
para esta muestra además de que es mínimo, la ZrO2
que se forma por la descomposición del ZrSiO4 resulta
ser principalmente monoclínica. Para el caso de las
muestras ZCa y ZM se observa en el patrón de
difracción respectivo que la reacción de
«mullitización» se ha completado ya que no se alcanzan a observar los picos correspondientes al
ZrSiO4 y la Al2O3 en ambas muestras, teniendo un
compuesto formado por mullita y ZrO2. De acuerdo
a la intensidad de la ZrO2 tetragonal en estos dos
patrones de difracción la muestra ZM retienen una
mayor cantidad de esta que la muestra ZCa.
Un análisis semicuantitativo para determinar el
grado de descomposición del zircón (X1), el avance
de la reacción de «mullitización» (X2) y el grado de
retención de ZrO2 tetragonal (X3), se lleva a cabo
12
empleando las ecuaciones 2, 3 y 4 respectivamente.
X1=
Im − z (1,1,1) + Im − z (1,1,1) + It − z (1,1,1)
Im − z (1,1,1) + Im − z (1,1,1) + It − z (1,1,1) + Iz ( 2 , 0 , 0 )
(2)
X2=
Im(2,1,0)
Im(2,1,0) + Iz (2,0,0)
X3=
It − z (1,1,1)
Im − z (1,1,1) + Im− z (1,1,1) + It − z (1,1,1) (4)
(3)
57
�Efecto del MgO y CaO en la producción de ... / Enrique Rocha Rangel et al
Donde:
I = Área integrada de los picos correspondientes
a los Índices de Miller que se dan en las diferentes
ecuaciones y que corresponden a los picos principales de cada fase considerada.
Im=mullita.
Iz=zircón
Im-z=ZrO2- monoclínica
It-z=ZrO2-tetragonal.
En la tabla II se presenta el avance de la descomposición del ZrSiO4 y de la «mullitización» calculados mediante el uso de las ecuaciones (2) y (3)
respectivamente. De aquí se tiene para la muestra
ZA que el progreso del ZrSiO4 resulta mayor que el
progreso de la «mullitización» lo que indica que esta
reacción no ocurre en una sola etapa, por lo que de
acuerdo a estos datos, primero se da la
descomposición del ZrSiO 4 y después a mayor
temperatura inicia la formación de mullita. Estas dos
reacciones como ya se mencionó anteriormente, no
se completan y quedan lejos de completarse sobre
todo la formación de mullita en donde no se alcanza
ni siquiera el 0.5 de la fracción de la mullita que se
podría formar. El comportamiento de las muestras
ZCa y ZM difiere en el sentido de que hay reacción
total, es decir todo el ZrSiO4 se descompuso y toda
la mullita posible de formar ocurrió. Probablemente
el MgO y el CaO formen una fase líquida que funde
en el intervalo de temperaturas de descomposición
de ZrSiO4 y formación de mullita lo que favorece a
la difusión para que la reacción global ocurra. En la
Tabla 2 también se presenta la retención de la ZrO2tetragonal en estas muestras calculada a partir de la
ecuación (4). De donde se tiene que para la muestra
ZA sólo se retiene el 10.5% de ZrO2-tetragonal. Para
Tabla II. Avance de las reacciones de descomposición
de ZrSiO4
Muestra
X1
X2
X3
ZA
06
0.27
10.5%
ZCa
1
1
11.3%
zcE
1
1
19.8%
58
la muestra ZCa aunque el contenido de ZrO 2tetragonal aumenta a 11.5%, este valor no es
significativo, por lo que el uso de CaO no resultó ser
muy bueno para el propósito perseguido. No ocurre
así cuando se emplea MgO como agente estabilizador
de la ZrO2 ya que el contenido de la misma en su
forma tetragonal para la muestra ZM es del 19.8%
una cantidad importante que puede influir
positivamente en la tenacidad a la fractura del
material.
Existen diferentes factores que influyen en la retención de la ZrO2-tetragonal entre estos los principales son: el tamaño de partícula, la cantidad de ZrO2
en el sistema y la forma de la misma. De tal manera
que si la ZrO2 presenta tamaños mayores a 1mm y
formas irregulares es difícil la retención de su forma
tetragonal. Por otro lado, también se tiene que cuando
hay altas concentraciones de la misma en el sistema
esta se transforma a su forma monoclínica. Este último punto explica en parte el bajo contenido de ZrO2tetragonal en la muestra ZCa en donde todo el ZrSiO4
se descompone formando la mayor cantidad posible
de ZrO2 en el sistema lo que provoca su transformación. En el caso de la muestra ZM en donde también
hubo descomposición total del ZrSiO4 y por consecuencia una gran cantidad de ZrO2 formada se tiene
que ha sido reportado que el MgO forma una solución
sólida con la misma por lo cual es posible retener
10
esta en su fase tetragonal.
Existen dos factores que afectan el tamaño de la
ZrO2, uno de ellos es el tamaño original de la partícula de ZrSiO4 a partir del cual se forma la ZrO2 es
decir que el efecto de la molienda sobre el ZrSiO4 es
importante y un estudio en donde se modifiquen los
tiempos de molienda sería interesante ya que así se
podría determinar el efecto de esta variable sobre la
retención de la ZrO2 tetragonal. Y el otro igualmente
importante es el resultado del crecimiento de partícula
durante la etapa de sinterizado. Así, se tiene que de
acuerdo con esto para mejorar la retención de ZrO2tetragonal se debe tratar de reducir el tamaño de
partícula durante la molienda, lo que seguramente
ayudará a mejorar el avance de la reacción, ya que
las distancias para que la difusión ocurra serán
menores, esto también seguramente ayudará a
disminuir el tiempo y la temperatura de sinterización,
lo que impedirá en parte el crecimiento de grano
durante esta etapa.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Efecto del MgO y CaO en la producción de ... / Enrique Rocha Rangel et al
Microestructura
En la figura 3 se observan las microestructuras
tomadas mediante microscopía óptica a 100X de los
compósitos mullita-ZrO2 aquí fabricados. En general
las 3 microestructuras son similares presentando una
matriz obscura que corresponde a la mullita con una
dispersión homogénea de partículas blancas que corresponderían a la ZrO2. Sin embargo, la formación
de la ZrO2 en la muestra ZM es mejor y más clara,
mientras que en las otras dos muestras se observa la
formación de ZrO2, aunque estas microestructuras
son menos nítidas. A través de estas fotos no es
posible observar las regiones de ZrSiO4 y Al2O3 en
las muestras de ZA que el patrón de difracción de
rayos-X correspondiente sugiere que se encuentran
presentes. Probablemente por la existencia de estos
dos componentes la resolución de la microestructura
no es tan buena como en el caso de la muestra ZM.
Igualmente a pesar de que las muestras fueron
atacadas térmicamente durante 1 hora a 1500ºC los
límites de grano de la mullita y la ZrO2 no se revelan
en las microestructuras aquí presentes. Por lo tanto,
el tamaño de las partículas de ZrO2 no se pudo
determinar. No obstante si alcanza a percibirse en
_______
100 mm
Fig. 3. Microestructuras de las muestras sinterizadas a
1600°C por 2h.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
Tabla III. Propiedades mecánicas de los productos
sinterizados.
Muestra
HV
(GPa)
KIC
(MPam-1/2)
σ
(MPa)
ZA
543
1.68
170
ZC a
793
1.73
177
ZM
932
2.49
205
las fotografías que esta fase de ZrO2 es mucho más
fina que la matriz de mullita. Por otro lado, tampoco
es factible distinguir la porosidad presente en las
diferentes muestras lo que sugiere que el tamaño de
los poros en las mismas es muy pequeño.
Propiedades mecánicas
En la tabla III se presentan los resultados de las
propiedades mecánicas obtenidas en los productos
sinterizados a 1600°C por 2h. Los valores de tenacidad a la fractura (KIC) y resistencia a la flexión en
5-7
tres puntos (s) reportados para mullita pura son
de 2MPam1/2 y 200MPa respectivamente, de aquí
se tiene que en las muestras ZA y ZCa ambos valores
no se mejoraron en absoluto. La muestra ZM
presenta mayor grado de densificación y mayor
contenido de ZrO2-tetragonal, lo que se ve reflejado
en sus mejores valores de s y KIC respectivamente.
Diferentes mecanismos han sido sugeridos como
responsables del reforzamiento de compuestos
cerámicos con adiciones de ZrO 2 , siendo la
transformación inducida por esfuerzos,5, 13 hasta ahora
el más ampliamente aceptado. En este caso el
14
incremento de la tenacidad está dado por:
DKc = 0.22 Vf et E Öh / (1- n)
(5)
Donde: Vf = concentración en volumen de partículas de ZrO2 transformable, et = transformación de
esfuerzos dilatacionales ocasionado por la transformación ZrO2-t ® ZrO2-m, E = módulo de Young del
composito, n = relación de Poisson y h = ancho de la
zona de transformación.
La ecuación anterior muestra que los incrementos
de la tenacidad a la fractura dependen de la magnitud
de las propiedades mecánicas de la matriz. Para incrementar las propiedades de la matriz particularmente el módulo de Young, entre otros factores es
necesario obtener cuerpos con baja porosidad y por
consiguiente densos.
59
�Efecto del MgO y CaO en la producción de ... / Enrique Rocha Rangel et al
Por otro lado, de las tabla II y III se tiene que el
avance de la reacción igualmente repercute en la
mejora de las propiedades mecánicas, mismo caso
de la muestra ZM. La dureza en estas muestras
también resulta ser mayor cuando se hace uso de
MgO como aditivo. Por lo tanto, es de esperar que
mejores propiedades se puedan obtener si se
incrementa la densidad del composito, se retiene
mayor cantidad de ZrO2 tetragonal y se completa la
reacción de mullitización.
De todo esto se puede comentar que si se mejoran
y controlan mejor algunas condiciones del procesamiento, como sería trabajar con tamaños de partícula inicial más finos, (para mejorar el contacto entre
partículas y así aumentar la densificación del producto y además para aumentar la retención de ZrO2
tetragonal), modificar el ciclo de calentamiento haciéndolo más lento para dar mayor tiempo a que la
reacción de formación del producto y la sinterización
del mismo ocurra, se podrán obtener productos con
mejores características físicas y mecánicas de las
aquí obtenidas.
CONCLUSIONES
· De los resultados obtenidos en el estudio presente se puede concluir que cuando se hace uso de
MgO se logra estabilizar una buena parte de ZrO2
tetragonal al producir cerámicos mullita-ZrO 2
partiendo de mezclas de ZrSiO 4 y Al 2O 3 . La
retención de esta ZrO 2 en su forma tetragonal
permite que la tenacidad a la fractura del cerámico
fabricado sea mejorada.
· El avance de la reacción de mullitización y la
densificación del producto en conjunto se manifiestan en mejoras de la resistencia del cerámico obtenido, caso muestra con adiciones de MgO.
· Los aditivos aquí empleados no sólo permiten
retener una cierta cantidad de ZrO2 sino que a su
vez favorecen la reacción de formación del producto.
· El empleo de CaO ayuda en el avance de la
reacción de formación de mullita a través de la metodología aquí propuesta. Sin embargo, no favorece
la densificación del producto final. Por lo tanto, las
propiedades mecánicas del producto con contenidos
de CaO resultaron ser muy pobres.
60
REFERENCIAS
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Mullite-Zirconia Composites”, Br. Ceram. Trans.
J., 83, 1984, p. 69-72.
61
�Caracterización de superficies
maquinadas por medio de
parámetros de rugosidad
F. Eugenio López Guerrero, Raúl Cavazos Flores, Mario Delgado Acosta
Sistemas Integrados de Manufactura, División de Ingeniería Mecánica,
FIME-UANL, México
elopez@uanl.mx
ABSTRACT
The proper functioning of a machined part depends on the quality of its
surface. The term “surface quality’’ includes not only the dimensional
values of the surface, but also material properties such as hardness and
metallurgical structure1 as well as optical and esthetic characteristics. The
dimensional quality is related with the surface irregularities and is known
as the “roughness surface”. The importance of the roughness of the final
finish has been well appreciated.
This work proposes a method based on the decomposition of the
roughness in terms of the frequency analysis in order to identify the tool
marks on a machined surface. As result, the relationship between the feed
rate and roughness is clarified.
KEYWORDS
Roughness, characterization, surface, machining.
INTRODUCCIÓN
La calidad de un producto está directamente relacionada a las desviaciones
de éste con respecto al diseño original debido a fallas en los procesos de manufactura. Esto influye directamente en la funcionalidad de la pieza. Bajo ese punto
de vista, la falla está definida por la incapacidad del tren de producción de funcionar de una manera esperada y, en la mayoría de los casos, se manifiesta en el
producto en términos de calidad.
En los procesos de maquinado, las características superficiales del producto
influyen en su funcionalidad. La figura dominante en una superficie está
influenciada por el método de maquinado, ya que cada tipo de herramienta de
corte deja marcas distintivas en la superficie.
Se pueden distinguir tres aspectos que influyen en la calidad de la superficie
de los productos maquinados:
1. Condiciones y características de la herramienta.
2. Condiciones de operación de la máquina-herramienta.
3. Propiedades mecánicas de la pieza de trabajo.
62
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al
Fig. 1. Imagen reconstruida de forma virtual, a partir de
imagen de microscopio tomada a 40X que muestra la
superficie maquinada de una aleación Aluminio 6063.
El identificar la influencia que estos aspectos tienen
en las superficies maquinadas permite mejorar los
parámetros de corte, detectar eventuales fallas de
maquinado (tales como vibraciones, malas sujeciones,
etc) y encontrar situaciones de trabajo que den como
resultado una mayor calidad en el producto.
A continuación se plantea una metodología para
caracterizar las superficies maquinadas. Este trabajo
centra su base en caracterizar la superficie
maquinada identificando las componentes de la huella de la herramienta y las características de rugosidad asociadas a las propiedades del material al ser
maquinado.
OBJETIVOS
Los objetivos particulares del presente trabajo son:
a) observar la rugosidad en función de la velocidad de avance en una superficie maquinada,
b) caracterizar la huella de la herramienta,
c) encontrar los parámetros mejorados de avance de herramienta para mejorar la calidad superficial del producto,
d) finalmente se plantea como mejorar el desarrollo de un método de predicción de características
de superficie a partir de los valores de los parámetros
de corte y las propiedades de los materiales.
MARCO TEÓRICO
Las superficies de maquinado generadas por medio
de los procesos de arranque de viruta exhiben características topográficas2,3 que juegan un papel fundamental en el desempeño de la funcionalidad del
producto, y pueden estar determinadas por las con-
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
diciones de trabajo como fricción, lubricación, estética, etc.
En la comprensión de los procesos que generan
superficies es crucial la relación entre la calidad de
la superficie y su comportamiento funcional.4 Esta
comprensión puede lograrse a través de una técnica
adecuada de caracterización y síntesis de las superficies.
Los métodos para analizar superficies se basan
en su caracterización por medio de medidas convencionales (altura promedio, distancia de pico a pico
máxima, etc), por medio de transformaciones matemáticas (onduletas o «wavelets», análisis de
frecuencia, etc) y métodos nuevos como la geometría
de fractales, entre otros.5,6
Rugosidad por método convencional.
El término rugosidad superficial7 es cuantificado
por parámetros relativos a características de la superficie (ver figura 2), tales como:
a) Rugosidad, irregularidades más pequeñas y finamente separadas a lo largo de la más corta longitud
de muestreo de la superficie maquinada, b) ondulación, irregularidades más grandes, dentro del nivel
siguiente superior de la longitud de muestreo. La separación de los picos y valles es mayor y la longitud
de muestreo es, por lo tanto, más larga que la de
rugosidad, c) Sesgo de superficie, se asocia con la
orientación de la figura de la superficie. Esto describe la dirección de la figura dominante en la superficie, generada por el método de maquinado, d) Imperfecciones propias del material, éstas comprenden
inclusiones de material, estrías, grietas, agujeros y
otras deformaciones no intencionales de la superficie.
La definición estándar de la rugosidad se representa con los parámetros Ra y Rz.
Fig. 2. Vista amplificada de una superficie maquinada,
rugosidad (R), ondulación (W), sesgo de la superficie
(L), imperfecciones del material (F).
63
�Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al
Ra es referida al promedio de las alturas
graficadas en una muestra dada de datos, representa
el primer momento estadístico de la muestra (ecuación 1).
1 N
Ra = .∑ Datos
N i =0
(1)
La altura máxima de pico a valle en una muestra
de datos es Rz (ecuación 2).
Rz = max (Datos)
(2)
Estos dos conceptos son los más aplicados en los
trenes productivos.
Las relaciones entre el proceso convencional y la
calidad superficial han cambiado por los perfeccionamientos en herramientas de corte y maquinaria.
Esto significa también que el modelo del costo
convencional entre el nivel de calidad de acabado y
los costos de manufactura ha cambiado. En la tabla
I se muestran los costos relativos de obtención de
diferentes grados de Ra2.
Caracterización por medio del espectro de frecuencias
Algunos de los comportamientos funcionales de
la calidad de las superficies maquinadas pueden
lograrse solamente bajo su caracterización. La caracterización en el dominio de la frecuencia se logra
utilizando un análisis en términos de frecuencia para
posteriormente transformar las características al dominio del espacio.
Tabla I.- Costo de obtención de Ra para diferentes clases
de acabado.
Clase
Rugosidad, Ra
(µm)
Costo relativo
de obtención
Espejo
0.10
40
Pulido
0.20
35
Ground
0.40
25
Terso
0.80
18
Fino
1.60
13
Semifino
3.2
9
Medio
6.3
6
Semirugoso
12.5
4
Rugoso
25
2
Limpio
50
1
64
La descomposición de una señal en su espectro
de frecuencias se logra aplicando la transformada
de Fourier. Ver ecuación (3).
j
2π i
1 n −1
Cj = ∑ V k .e n k
n k =0
(3)
En donde
C vector resultado de la transformada de Fourier
n número de datos
V vector conteniendo la señal muestreada
j coeficiente del vector resultado C
k coeficiente del vector de frecuencias C
i unidad imaginaria
El algoritmo de la transformada rápida de Fourier
regresa vectores cuyos elementos son las amplitudes
complejas de las diferentes frecuencias que componen la señal original. El número de datos de la señal
muestreada cumple con la condición, de la
ecuación (4).
(4)
n
K =2
Ya que para datos reales la segunda mitad de la
transformada es el conjugado de la primera. Una
vez aplicado el algoritmo se puede conocer la
frecuencia asociada al elemento j, (ecuación 5):
j
(5)
Fk = . f s
n
En donde
Fk frecuencia asociada al coeficiente j
fs frecuencia muestreada
Filtrado y reconstrucción
Si se desea filtrar una zona específica del espectro, basta con hacer cero los valores del rango de la
frecuencia no deseada.
Sean los valores límites de esa zona: Limin y Limsu,
entonces
cp = 0
(6)
para Limin>p> Limsu.
La señal filtrada se reconstruye aplicando la
transformada inversa de Fourier. Los cálculos de rugosidad convencionales Ra y Rz hechos sobre esta
señal reconstruida pueden compararse con los
cálculos hechos con la señal original.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al
FRa =
1
. ∑ vj
n j
2
(7a)
FRz = max (v) − min(v)
(7b)
En donde
v vector resultado de la transformada inversa
de Fourier
j coeficiente del vector de frecuencias C
n/2 número de elementos según la condición de
la ecuación (4).
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
El material usado en los experimentos fue una
aleación de aluminio comercial forjada8 tipo AlMgSi
6063. Se cortó en piezas de 88.9 x 50.8 x 12.7 mm.
Se hizo una ranura para cada velocidad de avance,
según la tabla III, fresando con una herramienta cilíndrica. Los valores de corte se muestran en la tabla
II. No se utilizó refrigerante.
Tabla II.- Valores de los parámetros de maquinado.
N ú m e r o d e
ábales
N
2
Radi o de la herr.
(mm)
r
5
Ve lo c i d a d d e
gi ro (rpm)
S
1000
P ro fund i d a d d e
corte (mm)
t
2.54
Tabla III. Avances de corte usados en los
experimentos.
E xperi mento
No.
F (mm/mi n)
1
Fig. 3. Imagen de microscopio a 40X que muestra la
superficie maquinada de la aleación Al-Mg-Si 6063.
Se tomaron lecturas con un rugosímeto provisto
de una probeta de radio 0.002mm y un espaciamiento
de 0.00025mm. La longitud de barrido fue de 40,000
datos (10mm), de los cuales se analizó una muestra
representativa (ver figura 4).
RESULTADOS
Los perfiles reconstruídos sin tendencia a partir
de los datos obtenidos por el rugosímetro se
representan en la figura 4.
Método convencional
La tabla IV muestra los resultados de los valores
Ra y Rz.
Los valores de rugosidad Ra y Rz se incrementan
para velocidades de avance bajas (ver figuras 5 y 6),
y disminuye conforme se incrementa la velocidad de
avance. Los picos máximos representan baja calidad
superficial.
Método de descomposición de frecuencias
Los espectros de frecuencia para cada uno de
los experimentos se muestran en la figura 7.
Tabla IV. Resultados obtenidos en los experimentos.
F
(mm/mi)
Ra
(µm)
Rz
(µm)
60
60
100.56
397.91
2
70
70
131.93
489.26
3
80
80
12 3 . 5 2
822.23
4
90
90
115.06
516.10
5
100
100
102.28
397.22
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
65
�Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al
Fig. 5. Gráfico de comparación de Ra entre los 5 experimentos.
Fig. 6. Gráfico de comparación de Rz entre los 5 experimentos.
Tabla V. Valores obtenidos aplicando la FFT en el experimento de F60.
Fig. 4. Perfiles de rugosidad normalizados de los cinco
experimentos.
Los espectros muestran una zona de baja frecuencia con intensidades mayores al resto. Las tablas
V a IX presentan los valores significativos de
frecuencia y sus índices. Los valores de filtrado de
frecuencia se seleccionaron observando que el filtro
fuera aplicado a esta zona.
Los valores límites de las frecuencias de las tablas
V a IX son 1 y 20: Los valores de Ra y Rz de las
66
Frecuenci a
más
si gni fi cati va
Frecuenci a
(ci clos/µm)
Intensi dad
1
6
3515
2
5
2778
3
11
1887
4
17
1162
Tabla VI. Valores obtenidos aplicando la FFT en el experimento de F70.
Frecuencia más
significativa
Frecuencia
(ciclos/µm)
Intensidad
1
5
5775
2
10
1799
3
4
1239
4
15
1004
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al
Tabla VIII. Valores obtenidos aplicando la FFT en el
experimiento de F90.
Frecuencia más
significativa
Frecuencia
(ciclos/µm)
Intensidad
1
8
3376
2
4
2914
3
7
2597
4
11
1692
Tabla IX. Valores obtenidos aplicando la FFT en el
experimiento de F100.
Frecuencia más
significativa
Frecuencia
(ciclos/µm)
Intensidad
1
3
3700
2
4
2993
3
5
1068
4
2
1038
Fig. 8. Gráfico de comparación de Ra entre los 5 experimentos analizados.
Fig. 7. Gráfico en escala semilogarítmica mostrando los
espectros de frecuencia de los cinco experimentos.
Tabla VII. Valores obtenidos aplicando la FFT en el
experimiento de F80.
Frecuencia más
significativa
Frecuencia
(ciclos/µm)
Intensidad
1
13
3563
2
8
3196
3
9
3012
4
4
2292
señales reconstruidas con estos límites se muestran
en la figura 8 y 9.
En donde:
Es el valor de rugosidad antes de filtrar.
Es el valor de rugosidad después de filtrar
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
Fig. 9. Gráfico de comparación de Ra entre los 5 experimentos analizados.
CONCLUSIONES
La huella de la herramienta está determinada por
las primeras cinco componentes de baja frecuencia
del espectro. Con ello es posible caracterizar la huella
de la herramienta en una superficie maquinada bajo
las condiciones experimentales presentadas.
67
�Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al
Los valores convencionales de Ra y Rz representan escencialmente la huella de la herramienta,
por lo que es posible mejorar la calidad de la superficie
en términos de la herramienta de maquinado.
Se demostró la influencia de la velocidad de
avance sobre la calidad superficial, y se encontró
una velocidad de avance que produce mejor calidad
superficial.
Es de esperarse que los valores de alta frecuencia
del espectro determinen la rugosidad del material al
ser maquinado. Con ello sería posible encontrar el
valor de rugosidad óptimo bajo las condiciones de
corte utilizadas.
Utilizando el método de manera inversa, es posible calcular los valores con los que una superficie
fue maquinada a partir de su análisis de rugosidad.
MEJORAS A DESARROLLAR
El presente trabajo utilizó valores de corte necesarios para obtener superficies con rugosidades acentuadas y por lo tanto fácilmente identificables. Futuros trabajos deberán considerar valores de corte y
herramental para acabados de alta calidad.
Es deseable hacer un análisis de rugosidad microscópico para establecer una relación entre las
componentes de alta frecuencia de los espectros y
las características de rugosidades a ese nivel en la
zona maquinada. Es de esperarse que exista un valor
característico de rugosidad del material al ser
maquinado.
Estudios comparativos utilizando técnicas como
ésta o similares podrán determinar diferencias y similitudes entre las propiedades de rugosidad natural
(como por ejemplo superficies en grietas de fractura) y rugosidades en superficies maquinadas.
RECONOCIMIENTOS Y EQUIPO UTILIZADO
El presente trabajo fue realizado por los autores
como parte de su proyecto de investigación en el
Doctorado de Materiales FIME-UANL bajo el apoyo
de PROMEP y PAICYT 2001 (contrato CA55601), CONACYT 2002 (contrato 37668-U) utilizando
las instalaciones del Centro de Manufactura Integrada
68
por Computadora y del Programa Doctoral de
Materiales de la FIME UANL:
· Rugosímetro marca Mitutoyo surftest 211 series 178
· Centro de maquinado EMCO VMC 300
· Microscopio óptico NIKON a 5X, 20X, 40X y 100X
Los autores agradecen el apoyo de la M.C.
Guadalupe Ramírez López de la Coordinación de Servicio Social de FIME y al Prof.Dr. Alberto Pérez del
Programa Doctoral en Materiales de FIME.
REFERENCIAS
1. Cheng-Gui-Li, Shen Dong, Guo-Xiong Zhang,
Evaluation of the anisotropy of machined 3D
surface topography 12 Oct. 1999.
2. Hinojosa, M., Reyes, M. La rugosidad de
superficies: Topometría. Revista Ingenierías vol.
IV, No. 11.
3. G. Galante A. Lombardo, M. Piacentini,. Fractal
dimension: A useful tool to describe the
microgeometry of machined surfaces 15 Julio
1992.
4. Tsu-Wei Hwang. Analysis of surface quality in
machining of metals and advanced ceramics.
Thesis report doctoral’s degree, Faculty of the
Graduate School of the University of Maryland
1992.
5. S Gopalakrishnan Development of a prototype
System for on line monitoring of surface
Roughness using fractal geometry. Thesis report
master’s degree Institute for Systems Research
University of Maryland 1994.
6. Don. L. De Voe. An optical area-scattering based
approach for the measurement of surface
Roughness formed during machining. Thesis
report master’s degree, Faculty of the Graduate
School of the University of Maryland 1993.
7. Metals Handbook 9th edition, vol 6 “Aluminium”.
ASM International, 1989.
8. Cavazos García, José Luis. Tratamiento térmico
de una aleación de aluminio 6063. Tesis Doctoral
FIME-UANL, 1998.
9. Metals Handbook 9th edition, vol 16 “Machining”.
ASM International, 1989.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�La FIME de la UANL en su 55
aniversario
José Luis Arredondo Díaz
Coordinador de Control y Gestión de la FIME-UANL.
jarredon@gama.fime.uanl.mx
Del 18 al 27 de Octubre de 2002, la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
de la Universidad Autónoma de Nuevo León llevó a cabo una serie de actividades académicas, culturales y deportivas para festejar el Quincuagésimo Quinto
Aniversario de haberse creado.
El 18 de Octubre dieron inicio las actividades con un Torneo de Ajedrez que en coordinación con la Asociación Estatal, se realizó en
la Biblioteca “Ing. Guadalupe E. Cedillo Garza”
de dicha Facultad, donde participaron cerca
de 70 ajedrecistas.
El día 21, visitó las instalaciones de la Facultad el Ing. Arturo Garza y Garza,
Presidente de la CANACO Monterrey, donde se reunió con el Director de la
Facultad, y se hizo acompañar de funcionarios de diferentes áreas. En seguida el
Ing. Arturo Garza y Garza, Presidente de CANACO, Monterrey.
Ing. Garza, disertó la conferencia “Representación, Defensa y Servicios de Terrorismo Fiscal” en el Auditorio “Dr. Raúl G. Quintero Flores”, el cual estuvo
abarrotado por autoridades de la institución, maestros y alumnos.
El martes 22, en la Biblioteca Universitaria “Raúl Rangel Frías”, el Dr. Luis J.
Galán Wong inauguró el Simposio sobre Educación, Ciencia y Tecnología; así
mismo, dictó la conferencia magistral
“Presente y Futuro de la Bioingeniería y
Biotecnología” ante la presencia del Director de la Facultad de Ingeniería Mecánica,
Ing. Rogelio G. Garza Rivera, quien estuvo
acompañado del Ing. Edmundo Guajardo
Garza, Subsecretario de Evaluación y
Educación Superior, en representación del
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
69
�La FIME de la UANL en su 55 aniversario / José Luis Arredondo Díaz
Gobernador del Estado de Nuevo León, Lic.
Fernando Canales Clariond, Don Miguel Barragán,
Presidente del Consejo Consultivo de la U.A.N.L.,
Profr. Gilberto Villarreal de la Garza, Presidente de
la Junta de Gobierno de nuestra institución, Ing. José
A. González Treviño, Secretario General de la
U.A.N.L., maestros y alumnos que llenaron el Auditorio de la Biblioteca Universitaria.
Entre las actividades del Simposio, podemos destacar las conferencias cuyos temas fueron: “El uso
de las herramientas tecnológicas en la enseñanza de
la ingeniería”, “El desarrollo de la industria
aeroespacial en México”, “Ingeniería, desarrollo e
impacto”, “Ahorro de energía”, “Roles y
competencias de los profesionales de la educación a
distancia”, las cuales fueron dictadas por: el Ing. Juan
Blanco Cotano, Director del Gabinete de tele-educación de la Universidad de Madrid, Dr. Eduardo J.
Solís, Jefe de Promoción del Comercio Exterior, Ing.
Pablo Boeck, Coordinador de Asuntos Internacionales del CACEI, Ing. Antonio Garza Garza, maestro
Emérito de la FIME, Dr. Ernesto Rocha Ruiz
Investigador y Prof. de Doctorado en Educación, respectivamente.
70
Ing. Pablo Boeck, Coordinador de Asuntos Internacionales de CACEI.
Visitaron las instalaciones de la Facultad y Disertaron una conferencia magistral el Presidente de
la CANACO, Ing. Arturo Garza Garza, Presidente
del CINLAC, Lic. Eduardo J. Dávila Treviño,
Presidente de CAINTRA, Ing. Eduardo Garza T.;
Director General de CONACYT México, Ing. Jaime
Parada Ávila, Director General de la División de
Tecnología de HYLSA, Dr. Raúl Quintero Flores,
entre otras personalidades.
El miércoles 23 se inauguró la Expo-Industrial que
se llevó a cabo en el pasillo central de la Facultad,
con la presencia del Ing. Víctor Zorrilla Vargas, Presidente de COPARMEX, quien acompañó a nuestro
Director, Ing. Rogelio G. Garza Rivera.
El Ing. Victor Zorrila Vargas, presidente de COPARMEX
inaugurando la Expo-Industrial.
En el transcurso de la semana también se realizaron actividades culturales y deportivas, donde participaron maestros y alumnos de las distintas coordinaciones académicas.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�La FIME de la UANL en su 55 aniversario / José Luis Arredondo Díaz
El sábado 26 de octubre se llevó a cabo el tradicional almuerzo de la Fraternidad en donde convivieron ex-alumnos de las diferentes generaciones.
En dicho almuerzo el Lic. Armando Fuentes Aguirre
“Catón” dictó una amena charla a los asistentes.
Al término de la carrera hubo una convivencia en
los jardines de la Facultad, con una nutrida participación de los maestros, alumnos, trabajadores y sus
respectivas familias.
El Lic. Armando Fuentes Aguirre «Catón» durante el tradicional desayuno de ex-alumnos de la FIME.
Para cerrar los festejos del 55 Aniversario se organizó una carrera de 5.5K en el circuito
universitario donde participaron más de 500
corredores.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
71
�Reconocimientos
I. ABANDERAMIENTO DE CAPITULO DEL
ASHRAE EN LA FIME
El pasado 3 de Octubre de 2002 se llevó a cabo
la ceremonia de abanderamiento de la Directiva de
la Rama Estudiantil de American Society of Heating,
Refrigerating and Air-Conditioning Engineers
(ASHRAE) en la Facultad de Ingeniería Mecánica
y Eléctrica (FIME) de la UANL.
En el evento llevado a cabo en el Auditorio «Raúl
Quintero Flores» los directivos de la ASHRAE: Huge
McMillan, Director de la Región 8, Leo Stambaugh,
Asesor de capítulos, Carlos Huerta, Presidente del
Capítulo Monterrey y el Presidente Electo de
ASHRAE Internacional, Richard Rooley realizaron
la ceremonia de abanderamiento del capítulo FIME.
Autoridades del ASHRAE que visitaron a la FIME-UANL
para instalar el Capítulo Estudiantil.
Durante la ceremonia se presentó al Ing. Jesús
Garza como asesor de la Rama Estudiantil de la
FIME, se tomó protesta formal a la directiva de esta
rama, compuesta por Miguel A. Ruiz Silva,
Presidente; Laura C. Grimaldo Padilla, Presidente
Electo; Rosa Ma. Torres Luévano, Tesorero; y
Carlos A. Espinoza Sánchez, Secretario, y se les
entregó el banderín de la Rama Estudiantil de
ASHRAE en la UANL.
72
Abanderamiento del capítulo estudiantil del ASHRAE
en la UANL.
II. CONCURSO DE CREATIVIDAD
En el marco del 55 Aniversario de nuestra Facultad, la Coordinación de la División de Ingeniería Mecánica y Eléctrica organizó un concurso de creatividad. El propósito era construir un dispositivo que fuera capaz de impulsar un cuerpo sobre el suelo tan
lejos como fuera posible impulsado por un fluido. La
organización estuvo encabezada por el Ing. Juan Antonio Franco Quintanilla, Jefe del Departamento de
Ingeniería Hidráulica, con el apoyo de miembros del
personal de la división que fungieron como auxiliares
y jurado.
Organizadores y jurados del Concurso de Creatividad.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Reconocimientos
Los 6 equipos que se inscribieron diseñaron dispositivos que consideraron desde impulsar el cuerpo
mediante gas obtenido de tabletas de antiácido hasta
obtener presión a través de la sublimación de CO2.
El equipo número 3 obtuvo el primer lugar con este
método, mientras que los equipos 4 y 5 quedaron
empatados en segundo lugar, utilizando
respectivamente un pistón hidráulico y aire comprimido. No hay duda de que dado el entusiasmo que
rodeó a este evento, en el futuro se verán otras competencias de este tipo en las que quedará ampliamente demostrado, como en esta ocasión, el ingenio
y los conocimientos de los estudiantes.
Equipos ganadores del Concurso de Creatividad.
Los equipos ganadores que participaron en el Concurso de Creatividad estuvieron conformados por lo
alumnos:
1er. Lugar Rogelio Valdez Leal, Gustavo A. Gurreola
Lara, Saúl R. Vázquez Guerrero
2do Lugar Arturo Ovalle Cerda, Nasser M. Noriega,
Israel A. Barragán Serna
3er. Lugar Francisco Cruz Imperial, Iván E. González
Ugalde, Omar C. Gutiérrez Ochoa.
III. MÉRITO ACADÉMICO
La FIME realizó la ceremonia de estrega de Reconocimiento al Mérito Acádemico, Mención
Honorífica y Excelencia Académica, insignia
otorgada por la asociación Nacional de Facultades y
Escuelas de Ingenierías (ANFEI).
Ramiro Rodríguez Báez
IMA 97.66
Alan Ugalde Hernández
IME 95.558
Felipe Gildardo Leal Garza
IAS 97.224
María Félix Cervantes Ríos
IEC 90.537
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
El M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, Director de la FIMEUANL, felicitando a los alumnos que recibieron el
reconocimiento al Mérito Académico 2002.
IV. MENCIÓN HONORÍFICA
Distinción que hace la facultad a los estudiantes
que sobresalen por su gran desempeño académico a
lo largo de su trayectoria en la FIME. La ceremonia
se realizó en el Auditorio «Raúl G. Quintero», el 24
de octubre, presidida por el coordinador de Facultades
de la UANL, Juan Manuel Adame; el director de la
Institución, Rogelio G. Garza Rivera, y los
subdirectores acádemico y administrativo Luis
Manuel Martínez y Alejandro Aguilar,
respectivamente.
Fabián Agustín Hernández Grimaldo IMA 95.819
Jorge Arturo Pérez Noris
IMA 95.394
Gerardo Ángel González Chapa
IMA 95.266
Edén Ali de la Garza Bravo
IMA 94.883
Rodolfo Estrada Cavazos
IMA 94.872
Milton Jesús Segovia Chávez
IMA 94.819
Eréndira Hernández Jáuregui
IMA 94.66
Claudia Janeth Rodríguez Gutiérrez IMA 94.234
Jessica Lizeth Flores García
IMA 94.085
Elina Iris Mendoza Martínez
IMA 93.287
Brenda Lizeth Mata Barrios
IMA 93.223
Amelia Álvarez Palacios
IMA 92.809
Mónica Pacheco Castro
IMA 92.415
Rodrigo Puente Ornelas
IMA 92.226
Betsabe Eguren Saldaña
IMA 92.234
Reynaldo Silva Hernández
IMA 91.84
Evangelina González Rivera
IMA 91.511
Nereyda González Solís
IMA 90.691
73
�Reconocimientos
Alumnos de la FIME-UANL que recibieron Menciones Honoríficas por sus altas calificaciones.
Elías de Jesús Treviño Abella
Alberto Samuel Trejo Villegas
Abimael Enrique Martínez Guerrero
Carlos Zapata Hernández
Mayra Lizeth Moreno Rodríguez
Hipólito López Morales
Juan Pablo Alanís Villagrán
Jorge Armando Ortiz González
Luis Alberto Urueta Hernández
Iván Isaul Mijares Contreras
Lionel Sergio Méndez Portillo
Pedro Morales Ramírez
Daniel Johnatan Alvarado Zamora
Jaime Esparza López
Gumaro Alejandro Hernández Flores
Jorge Loredo Martínez
IMA 90.33
IMA 90.202
IME 94.74
IME 94.712
IME 94.587
IME 93.413
IME 93.154
IME 92.865
IME 92.606
IME 92.442
IME 92.163
IME 91.894
IME 91.365
IME 91.24
IME 90.99
IEC 90.537
V. RECONOCIMIENTO ANFEI
La La Asociacion Nacional de Facultades y Escuelas
de Ingenieria, ANFEI, reconocio en el 2002 por su
desempeño academico a los siguientes alumnos de
la FIME-UANL:
David Ramírez Joya
IEC
Flor Oreida Cantú de la Garza
IMA
Karina Jazmín Guerrero Cavazos
IAS
Jorge Alberto Gutiérrez Espinosa
IME
Plinio de León Canton
ICC
Raúl Becerra Favro
IM
74
VI. PREMIO DE ECOLOGIA 2002
El M.C. Fernando Javier Elizondo Garza , Catedrático e investigador de la Facultad de Ingeniería
Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma
de Nuevo León, obtuvo el PREMIO ESTATAL DE
ECOLOGÍA 2002 otorgado por el Gobierno de Estado de Nuevo León a través de la Subsecretaria de
Ecología de la SEDUOP.
El premio le fue concedido al Ing. Elizondo por
sus investigaciones en el área de “Contaminación
por Ruido”, tanto en el ámbito comunitario como en
el industrial.
El reconocimiento le fue entregado por el C. Lic.
Fernando de Jesús Canales Clarion en ceremonia
efectuada en la Huasteca, Santa Catarina, N.L. el
día 18 de octubre de 2002.
El Ing. Fernando J. Elizondo agradeciendo el Premio de
Ecología 2002 que le fuera entregado por el Gobierno
del Estado de Nuevo León.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Titulados a nivel Maestría
en la FIME
Agosto-Diciembre 2002
Guadalupe Alan Castillo Rodríguez
Sub-Director de Estudios de Posgrado de la FIME-UANL
Rodolfo Flores Garza, M.C. Administración, especialidad Producción y Calidad,“Reingeniería del
Sistema de Calidad de la empresa Lámina y Placa
Comercial, S.A. de C.V.” 21 de Agosto de 2002.
Adalberto Gaytán Reyes, M.C. Administración,
especialidad
Relaciones
Industriales,
“Administración del Mantenimiento” 21 de Agosto
de 2002.
Josué Rosemberg Coutiño Ozuna, M.C.
Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia,
“Aplicaciones de Redes Neuronales en la
discución entre fallas y oscilaciones de Potencia”
2 de Septiembre de 2002.
Nicolás Villarreal Sepúlveda, M.C. Administración, especialidad Finanzas, “Administración
Financiera del activo circulares de empresas
pequeñas” 3 de Septiembre de 2002.
Saúl Francisco Sánchez Ávila, M.C. Ingeniería de
Manufactura, especialidad, Diseño de
Productos,“Cambios rápidos de herramientas en
la Industria Electrónica” 9 de Septiembre de 2002.
Jorge Arturo Pérez Páez, M.C. Administración,
especialidad Relaciones Industriales, “Un modelo
para incrementar la efectividad en el Maestro de
Física 1 de la Esc. Prepa. 2 U.A.N.L.” 11 de Septiembre de 2002.
Jesús Rogelio García Treviño, M.C.
Administración, especialidad Relaciones Industriales,
“Sistemas para Identificación de necesidades de
capacitación y actualización de los docentes de
Física de la Esc. Prepa. 2 U.A.N.L.” 11 de
Septiembre de 2002.
Sandra Ivonne Barrientos Carlos, M.C.
Administración, especialidad Relaciones Industriales,
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
“Capacitación continua en el área de Sistemas
de la Secretaría de Planeación y Desarrollo
Universitario de la UANL” 20 de Septiembre de
2002.
Karina Martina Uicab Luna, M.C. Administración,
especialidad Sistemas, “ Determinación de los
factores críticos del éxito del outsarcing de
sistemas de información en el área Metropolitana
de Mty.” 20 de Septiembre de 2002.
Juan Carlos Andrés Escobar Martínez, M.C.
Ingeniería Eléctrica, especialidad Potencia, “Efecto
de corrientes armónicas de Secuencia negativa
en la operación de máquinas sincronas” 20 de
Septiembre de 2002.
José Martínez Hernández Ramírez, M.C.
Ingeniería Mecánica, especialidad Materiales,
“Estudio de la síntesis de fases arconato de calcio
y magnesio para su uso en frecuencia de alcalir a
alta temperatura” 24 de Septiembre de 2002.
Francisco Garza Tamez, M.C. Administración,
especialidad Relaciones Industriales, “ Diseño de
un nuevo modelo de vínculo entre la Facultad de
Ingeniería de Civil y la Industria de la
Construcción” 25 de Septiembre de 2002.
Patricia Aguilera Martínez, M.C. Ingeniería de
Manufactura, especialidad Automatización,
“Programación de PLCS” 30 de Septiembre de 2002.
Carlos Guillermo Barrera Aburto, M.C.
Administración, especialidad Producción y Calidad,
“Reestructuración
Organizacional
y
mejoramiento en el desempeño de la Subgerencia
de Perforación por Contrato División Norte
Petróleos Mexicanos Aplicando Criterios de
Calidad” 1 de Octubre de 2002.
75
�Titulados a nivel Maestría en la FIME / Guadalupe Alan Castillo Rodriguez
Rafael Alberto Rosas Torres, M.C. Ingeniería
Eléctrica, especialidad Electrónica, “Diseño de un
módulo de desarrollo basado en el procesador
68HCII con interface para Windows 95” 4 de
Octubre de 2002.
Claudio Randhú González Rojas, M.C. Ingeniería
especialidad Telecomunicaciones, “La Tecnología
de los Sensores de Fibra Óptica” 9 de Octubre de
2002.
Rodolfo Garza Tamez, M.C. Administración,
especialidad Relaciones Industriales, “ La detención
de necesidades de capacitación y adiestramiento
como base para el mejoramiento de los
trabajadores” 15 de Octubre de 2002.
José Luis Cerda Juárez, M.C. Ingeniería Eléctrica,
especialidad Potencia,“Estrategias para la
reducción de pérdidas y estudios de sensitividad
en redes de distriución” 18 de Octubre de 2002.
Fernando Estavillo Pedroza, M.C. Administración,
especialidad Finanzas, “Análisis de una propuesta
de una nueva empresa por medio de simulación”
28 de Octubre de 2002.
Deborah Aurora Sepúlveda Treviño, M.C.
Administración, especialidad Relaciones
Industriales,“Elaboración de manual de operación
del personal administrativo en la Prepa. 2
U.A.N.L.” 30 de Octubre de 2002.
Yesmín Coronado Pérez, M.C. Ingeniería de
Sistemas, “Solución a problemas de programación
lineal mediante el método elipsoidal modificado”
8 de Noviembre de 2002.
Yanet Villalobos Morales, M.C. Ingeniería de
Sistemas, “Pre-procedimiento de un problema de
optimización de redes de gas natural” 8 de
Noviembre de 2002.
Francisco Cabrera Taque, M.C. Administración,
especialidad Relaciones Industriales, “La seguridad
76
en el comercio electrónico como solución a una
forma de llevar a cabo transacciones
comerciales” 15 de Noviembre de 2002.
Guillermo Rodríguez Jauregui, M.C. Ingeniería
Eléctrica, especialidad Potencia, “Sistemas de Red
de Tierras en Subestaciones Eléctricas de
Potencia” 15 de Noviembre de 2002.
Rodolfo Portillo Salinas, M.C. Administración,
especialidad Sistemas, “Mejoramiento en los
procesos de desarrollo, carga, validación y
explotación implicados en el data Warehouse
mediante la sección de una fábrica de
información corporativa aplicada al área de
ventas de la empresa Gamesa” 23 de Noviembre
de 2002.
David Antonio González Esquivel, M.C.
Administración, especialidad Finanzas,“Motivación
Laboral” 27 de Noviembre de 2002.
Emilio Morales Sánchez, M.C. Administración,
especialidad Relaciones Industriales, “Efectos de la
capacitación pedagógica para el maestro del nivel
medio superior” 27 de Noviembre de 2002.
Mayra Elizabeth Alanís Alanís, M.C. Ingeniería
Mecánica, especialidad Materiales, “Efecto de la
cristalización dinámica en la autoafinidad de
superficies de i-pp” 28 de Noviembre de 2002.
Ada Oliva Trejo Dávalos, M.C. Administración,
especialidad Finanzas, “Microcréditos de
Monterrey” 29 de Noviembre de 2002.
Martha Guadalupe Narváez de Luna, M.C.
Administración, especialidad Sistemas, “Diferencias
individuales y asimilación de la tecnología de
información: Un estudio de campo en México” 9
de Diciembre de 2002.
Liliana Muñíz Montemayor, M.C. Administración,
especialidad Sistemas, “Sistemas de evaluación de
habilidades” 9 de Diciembre de 2002.
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Acuse de recibo
Revista PODER
Revista NATURE MATERIALS
La revista mensual “Poder, cuestión de negocios”,
ISSN 1533-3205, presenta en sus páginas, con un
formato ágil y agradable, análisis relativos a la
situación internacional y más específicamente sobre
la economía, las empresas y la sociedad
Latinoamericana. Incluye, en cada número un artículo
principal de algún asunto de actualidad o
trascendencia internacional, así como una serie de
secciones fijas especializadas en aspectos como
política, iglesia, telecomunicaciones, educación, medio
ambiente, etc.
En su edición 23, de fecha Julio de 2002, Poder analiza como tema central “¿Para donde va PEMEX?”,
además de artículos sobre la banca lationamericana
en el siglo XXI, la televisón por cable, el mercado de
celulares, terrorismo e incluso una entrevista con
Mario Vargas Llosa titulada “El poder es corruptor y
dañino”.
Puede encontrar la página de Internet de esta publicación en la dirección www.revistapoder.com.
Para suscripciones en México puede comunicarse
al e-mail: mercadotecnica@expansion.com.mx
(FJEG)
En Septiembre de 2002 aparece el primer número
de Nature Materials. Esta revista es publicada por
la misma editorial que publica la revista Nature, que
sin lugar a dudas es en el mundo la revista más importante en las ciencias físicas. La publicación de
esta nueva revista debe de verse por una parte, como
el reconocimiento de la ciencia de materiales como
una de las interdisciplinas más importantes en la actualidad. Así mismo, que Nature ofrezca una nueva
alternativa orientada a los materiales, es también una
forma de reconocer el papel que juega la tecnología
de los materiales en el desarrollo económico global,
así como en el de la sociedad en general.
Con el tiempo seguramente Nature Materials se
convertirá en una de las principales fuentes de información sobre ciencia, tecnología, pero también
de políticas, financiamiento y educación, de la ciencia de materiales.
Sin otro interés más que el de compartir esta nueva
revista, los invito a leerla, a someter ante ella vuestra
producción científica, o al menos a consultar su sitio
en la red: www.nature.com/materials, disfrútenlo.
(UOM)
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
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�Colaboradores
Aguilar Garib, Juan Antonio
Chávez Guerrero, Leonardo
Profesor investigador del Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales de la UANL. Obtuvo su licenciatura y su maestría en el Instituto Tecnológico
de Saltillo y el doctorado en Ingeniería de Materiales
en la UANL. Realizó una estancia de investigación
en el Centro para Recursos Energéticos y
Ambientales de la Universidad de Texas en Austin.
Es miembro del SNI nivel I.
Ingeniero Mecánico Metalúrgico egresado de la
FIME-UANL en junio 2001. Ha colaborado en
proyectos de investigación en el programa doctoral
en Ingeniería de Materiales (DIMAT) de la FIME y
es coautor de una publicación internacional.
Actualmente cursa la maestría en el DIMAT.
Becerril Cerón, Hugo
Pasante de la carrera de Ingeniero Mecánico
Electricista (área: Mecánica) ENEP Aragón
UNAM. Co-autor de 2 trabajos sobre la aplicación
de materiales con memoria de forma. Áreas de
interés: Diseño mecánico, mecánica de materiales.
Bucay, Benito
Ingeniero Químico en la Facultad de Ciencias
Químicas de la UNAM con estudios de postgrado
en Oklahoma y la UCLA. Actualmente es Director
Ejecutivo de Grupo Industrial BRE y anteriormente
Director General Adjunto de Grupo DESC y Director
General de Resistol. Ha sido reconocido con Mención
Honorífica del Premio Banamex de Ciencia y Tecnología, el Premio Andrés Manuel del Río del Instituto
Mexicano de Ingenieros Químicos, el Premio Ernesto
Ríos del Castillo del Colegio de Ingenieros Químicos
y Químicos.
Cavazos Flores, Raúl Sergio
Ingeniero Mecánico Electricista, realizó su servicio
social, en el programa doctoral de la FIME. Ha desarrollado proyectos en compañías del ramo
automotriz, refrigeración e iluminación, actualmente
trabaja en el área de ingeniería de planta en la
compañía Productos Lithonia Lighting de México.
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Cortés Pérez, Jacinto
Ingeniero Mecánico Electricista (área: mecánica)
ENEP Aragón UNAM Maestro en Ingeniería
(Mecánica) DEPFI UNAM. Candidato al grado de
Doctor en Ingeniería DEPFI UNAM Responsable
del Laboratorio de Mecánica del Centro Tecnológico Aragón ENEP de la UNAM. Áreas de Interés:
mecánica de sólidos, análisis experimental de
esfuerzos, modelación matemática del comportamiento mecánico de materiales.
Delgado Acosta, Mario Antonio
Profesional Técnico en máquinas de combustión
interna. Pasante de la carrera de Ingeniero Mecánico
Electricista. Actualmente haciendo su tesis de
licenciatura en el área de Manufactura de la FIME.
Estrada Loyo, Eduardo
Psicólogo clínico por la UANL. Fue editor del periódico Voz. Ha publicado en el periódico Vida
Universitaria y en la revista Entorno universitario.
Actualmente se desempeña como asistente editorial
y encargado de las relaciones públicas y publicidad
de la revista CIENCIAUANL.
Flores Zúñiga, Horacio
Ingeniero Químico, Universidad Autónoma de
Zacatecas. Maestro en Ciencias, DEPFC UNAM
Doctor en Ingeniería, Institut National des Sciences
Appliquees de Lyon, France. Investigador Titular del
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18
�Colaboradores
Centro de Investigaciones en Materiales Avanzados
(SEP-Conacyt) Nivel 1 de Sistema Nacional de
Investigadores. Áreas de Interés: Metalurgia Física,
Transformaciones de Fase, Comportamiento
mecánico de materiales.
Física Nuclear Teórica en la University of South Carolina, USA. Actualmente es maestro de la Facultad de
Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL.
Ortiz Méndez, Ubaldo
Egresado de la FIME-UANL, obtuvo maestría y doctorado en Ingeniería de Materiales en la misma institución. Postdoctorado en el Instituto de Estudios e
Investigaciones Aeroespaciales de Francia. Ganador
del Premio de Investigación UANL 1996. Es investigador de tiempo completo en la FIME desde 1998.
Egresado de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL, obtuvo su DEA en Ciencias
de Materiales en la Universidad Claude Bernard de
Lyon, Francia y su doctorado en Ingeniería de
Materiales en el INSA de Lyon. Es investigador de
la FIME-UANL, y miembro del SNI nivel 1.
Recientemente obtuvo el Reconocimiento al Mérito
Tecnológico TECNOS 2000.
Kharissova, Oxana Vasilievna
Peñaloza Peña, Lourdes
Graduada como Geoquímica con especialidad en
cristalografía en la Universidad Estatal de Moscú,
donde realizó su maestría en la misma especialidad.
Realizó su doctorado en Ingeniería de Materiales en
la FIME-UANL. Desde Agosto de 2001 es investigadora de la FCFM de la UANL.
Ingeniera Mecánica Metalúrgica, egresada de FIME
en el 2002. Actualmente trabaja en el área de control
de calidad de fundiciones.
Hinojosa Rivera, Moisés
Rocha Rangel, Enrique
Ingeniero Mecánico Electricista por la ENEP AragónUNAM. Maestro en Ingeniería (Mecánica) por la
DEPFI-UNAM. Encargado del laboratorio de
Laminación del Instituto de Investigaciones en
Materiales UNAM. Áreas de interés: metalurgia
física, producción de aleaciones metálicas,
comportamiento mecánico de materiales.
Ingeniero Metalúrgico, Maestría en Ingeniería
Metalúrgica y Doctorado en Metalurgia y Materiales
todas ellas en la ESIQIE-IPN. Especialización en
Materiales en el Instituto de Investigación en
Materiales de la UNAM. Estancia de Investigación
en la Universidad Tecnológica de Toyohashi, Japón.
Posdoctorado en los Laboratorios Nacionales de Oak
Ridge, EUA. Profesor-Investigador en la UAM desde
1992. Su línea de investigación es la Ingeniería de
Procesamiento de Materiales Compuestos.
Leal Chapa, César A.
Refugio García, Elizabeth
Ingeniero Mecánico Electricista de la FIME, UANL,
donde obtuvo la maestría en Ciencias de la Ingeniería
Eléctrica con especialidad en Electrónica. Es diplomado
en Administración de Tecnología por el CINVESTAVIPN, en Robótica por la Universidad Técnica de
Budapest, Hungría y en Desarrollo de Habilidades del
Pensamiento por el ITESM.
Ing. Metalúrgico y Maestría en Ingeniería de
Materiales en la Universidad Autónoma
Metropolitana. Experiencia industrial en el campo de
los tratamientos térmicos de los metales. Su línea de
investigación principal es en el campo de la Ingeniería de Procesamiento de Materiales Compuestos.
López Guerrero, Fco. Eugenio
Ingeniero Mecánico Metalúrgico, por la FIMEUANL. Premio a la mejor tesis de licenciatura de
1999 en el área de Ingeniería y Tecnología. Obtuvo
el grado de Maestro en Ciencias de la Ingeniería
Mecánica con especialidad en Materiales en diciembre de 2001. Actualmente realiza sus estudios de
Doctorado en la FIME.
Lara Rodríguez, Gabriel Ángel
Ingeniero Mecánico Electricista e Ingeniero en Control y Computación de la UANL. Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en
Sistemas por la FIME, UANL Maestro de tiempo
completo de la Facultad de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica. Actualmente desarrolla su tesis doctoral
en la FIME-UANL trabajando en conjunto con la
Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania.
Morones Ibarra, J. Rubén
Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas por la
UANL. Obtuvo su doctorado en Física en el área de
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
Valdez Nava, Zarel
Zavala López, Eder
Estudiante de la licenciatura de Física de la
Faculdad de Ciencias Físico- Matemáticas,
UANL. Su aréa de interés es la ciencia de
materiales y diversos tópicos de física en general.
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�Información para colaboradores
Se invita a profesores e investigadores de las diferentes áreas de la ingeniería a colaborar en la
Revista Ingenierías con: artículos de divulgación
científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos
humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de
investigación, reportajes de eventos, convocatorias,
etc.
Las colaboraciones deberán estar escritas en un
lenguaje claro, didáctico y accesible. No deberá ser
en primera persona.
Solamente se aceptarán trabajos en inglés de personas cuyo primer idioma no sea el español.
Todos los artículos recibidos serán sujetos a arbitraje tipo doble anónimo siendo inapelable el veredicto de los revisores. 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.
LINEAMIENTOS EDITORIALES
Es requisito enviar, para su consideración editorial,
un original y copia del artículo, así como un disquete de
3 ½” con el archivo del mismo en formato .doc de
Word, originales de material gráfico, y fichas biográficas
de cada autor con un máximo de 100 palabras.
Los artículos deben remitirse a: Revista Ingenierías, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de
la Universidad Autónoma de Nuevo León, A. P. 076
“F”, Cd. Universitaria, San Nicolás, C.P. 66450, N.L.,
México.
El título del artículo no debe exceder de 80 caracteres. El número máximo de autores por artículo
Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, No. 18.
es cuatro. La extensión de los artículos no deberá
exceder de 7 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.
Deberán incluirse un máximo de 5 palabras clave
tanto en español como inglés. Las referencias irán
numeradas en el orden que fueron citadas en el texto.
Las fichas bibliográficas incluirán 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.
Deben incluirse al menos 3 imágenes o gráficas,
originales.
Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en:
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
de la Universidad Autónoma de Nuevo León,
Edificio 7, 1er. piso, ala norte.
Tel.: 8329-4020 Ext. 5854
Fax: 8332-0904
E-mail: fjelizon@ccr.dsi.uanl.mx
81
��
Dublin Core
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Title
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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
18
Mes de publicación
Mes cuando se publicó
Enero-Marzo
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=
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Title
A name given to the resource
Ingenierías, 2003, Vol 6, No 18, Enero-Marzo
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
01/01/2003
Type
The nature or genre of the resource
Revista
Format
The file format, physical medium, or dimensions of the resource
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Identifier
An unambiguous reference to the resource within a given context
2020781
Source
A related resource from which the described resource is derived
Fondo Universitario
Language
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Spatial characteristics of the resource.
San Nicolás de los Garza, N.L., (México)
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CIQA
Conductividad eléctrica
Estudio fractográfico
Parámetros de rugosidad
Síntesis del espinel
Termo-actuador