https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20756/Ingenierias_2006_Vol_9_No_33_Octubre-Diciembre.pdf e28df48d7a1dc14fc0c0fe2d3978d46c PDF Text Text �Contenido Octubre-Diciembre de 2006, Vol. IX, No. 33 33 2 Directorio 3 Editorial Nanotecnología Luis Francisco Ramos de Valle 7 Modelado del clima en invernaderos: Respuesta de la temperatura a cambios de humedad Javier Leal Iga, Efraín Alcorta García, Humberto Rodríguez Fuentes 14 Desarrollo de nanocompuestos superparamagnéticos quitosán/magnetita Marco Antonio Garza Navarro, Moisés Hinojosa Rivera, Virgilio Ángel González González 21 Análisis de esfuerzos en un apero de tracción animal, empleando métodos experimentales y numéricos Antonio González López, Fidel Diego Nava, Gabriel Villa y Rabasa, Alfonso Campos Vázquez 28 Nuevos vidrios del sistema Li2S-Sb2S3-P2S5 para aplicación en microbaterías de litio Zoulfia Nagamedianova, Eduardo Maximiano Sánchez Cervantes 37 Nanodiamantes Marco Antonio Quiroz Alfaro, Uriel A. Martínez Huitle, Carlos A. Martínez Huitle 44 Formulación optimizada del refractario AZS/43-20-37 Fabiola Dávila del Toro 50 Implementación de balastro con corrección de factor de potencia pasivo Fernando Manuel Bentancourt Ramírez, Enrique Sotelo Gallardo 60 Plataforma para teleoperación vía Internet César Guerra Torres, Jesús de León Morales 67 Eventos y reconocimientos 70 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 73 Acuse de recibo 75 Colaboradores 77 Información para colaboradores Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 1 �INGENIERÍAS es una publicación arbitrada de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. La opinión expresada en los artículos firmados es responsabilidad del autor. No se responde por originales y colaboraciones no solicitadas. Se autoriza la reproducción total o parcial de los artículos siempre y cuando se solicite formalmente, se cite la fuente y no sea con fines de lucro. La correspondencia deberá dirigirse a: Revista Ingenierías, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL, A.P. 076 “F”, Ciudad Universitaria, C.P. 66450, San Nicolás de los Garza, N.L., México. Tel: (52) (81) 8329-4020 Ext. 5854 Fax: (52) (81) 8332-0904 Correo Electrónico: fjelizon@mail.uanl.mx jaguilar@gama.fime.uanl.mx Página en Internet: http://ingenierias.uanl.mx Ingenierías está indizada en: Latindex, Periódica, CREDI, DOAJ. ISSN: 1405-0676 fdo DIRECTOR M.C. Fernando Javier Elizondo Garza EDITOR Dr. Juan Antonio Aguilar Garib COORDINACIÓN EDITORIAL Lic. Julio César Méndez Cavazos Lic. Neydi G. Alfaro Cázares CONSEJO EDITORIAL Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez Dr. Moisés Hinojosa Rivera Dr. Boris l. Kharisov M.C. César A. Leal Chapa Dr. Juan Jorge Martínez Vega Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Dr. Miguel Ángel Palomo González Dr. Ernesto Vázquez Martínez COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García Dr. Héctor Jorge Altuve Ferrer Dr. Rafael Colás Ortíz Dr. Óscar Leonel Chacón Mondragón Dr. Virgilio A. González González Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar Dr. Roger Z. Ríos Mercado UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Rector / M.C. José Antonio González Treviño Secretario General / Dr. Jesús Ancer Rodríguez Secretario Académico / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Secretario de Extensión y Cultura / Lic. Rogelio Villarreal E. FACULTAD DE INGENIERíA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Director / M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Sub-Director Académico / Dr. Moisés Hinojosa Rivera Sub-Director Administrativo / M.C. Alejandro Aguilar Meraz Sub-Director de Desarrollo Estudiantil / M.C. Hugo E. Rivas Lozano Sub-Director de Estudios de Posgrado / Dr. Guadalupe A. Castillo R. Sub-Director de Vinculación / M.C. Esteban Báez Villarreal 2 TRADUCTOR DE INGLÉS Lic. José de Jesús Luna Gutiérrez INDIZACIÓN Sergio A. Obregón Alfaro TIPOGRAFÍA Gregoria Torres Garay DISEÑO M.A. José Luis Martínez Mendoza FOTOGRAFíA M.C. Jesús E. Escamilla Isla WEBMASTER Ing. Dagoberto Salas Zendejo IMPRESOR M.C. Mario A. Martínez Romo Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Editorial: Nanotecnología Luis Francisco Ramos de Valle Centro de Investigaciones en Química Aplicada devalle@ciqa.mx La nanotecnología es un campo de las ciencias aplicadas enfocado al diseño, síntesis, caracterización y aplicación de materiales y dispositivos en una escala de tamaño nanométrico, o sea en el rango de la millonésima parte de un milímetro. En el sistema métrico se utilizan los prefijos; kilo (k) = del griego khilio (mil), → un mil [103]. Mega (M) = del griego megas (grande), → un millón [106]. Giga (G) = del latín gigas (gigante), → mil millones [109]. mili (m) = del latín mille (mil), → una milésima [10-3]. micro (μ) = del griego mikros (pequeño), → una millonésima [10-6]. nano (n) = del griego nanos (enano), → una mil-millonésima [10-9]. La nanotecnología es una subclasificación de la tecnología en los campos de la biología, la física, la química y otros campos científicos, definido en la National Nanotechnology Initiative (NNI) de Estados Unidos, como el entendimiento y control de la materia en dimensiones desde 1 hasta 100 nanómetros, donde se dan fenómenos únicos que nos permiten aplicaciones novedosas. La nanociencia trabaja en el mundo de los átomos, las moléculas, las macromoléculas y los ensambles macromoleculares; y esto es ampliamente dominado por efectos de superficie tales como fuerzas y atracción de Van der Vaals, enlaces de hidrógeno, cargas electrónicas, enlaces iónicos, enlaces covalentes, hidrofobicidad e hidrofilicidad. La relación de área superficial a volumen es especialmente notable cuando se trabaja a esta escala, lo que abre nuevas posibilidades basadas en efectos de superficie. En un cubo de 1 cm por lado, 1 cm3, la relación Área/Volumen “A/V” es: A/V = [A = (1)2 x 6 cm2; V = (1)3 cm3] = 6 cm-1 En un cubo de 0.1 cm por lado, es decir, 1 mm3 A/V = [A = (.1)2 x 6 cm2; V = (.1)3 cm3] = 60 cm-1 En un cubo de 0.0001 cm por lado, es decir, 1 μm3 A/V = [A = (.0001)2 x 6 cm2; V = (.0001)3 cm3] = 60,000 cm-1 En un cubo de 0.0000001 cm por lado, es decir, 1 nm3 A/V = [A = (.0000001)2 x 6 cm2; V = (.0000001)3 cm3] = 60,000,000 cm-1 Es decir, asumiendo una densidad de 1g/cm3; 1 gramo de material en polvo de partículas de 1 nm3 tendrá 1 millón de veces más área superficial que 1 gramo de material en polvo de partículas de 1 mm3. La nanociencia es el estudio de los fenómenos y la manipulación de los materiales a una escala nanométrica; en esencia, es una extensión de las ciencias existentes a la escala nanométrica. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 3 �Editorial: Nanotecnología / Luis Francisco Ramos de Valle Los nanomateriales van más allá de un simple paso de miniaturización, estos han roto la barrera del tamaño hasta un punto en que el efecto cuántico llega a ser relevante. Este efecto no se da al ir de macro a micro, pero es dominante al ir de micro a nano. Por ejemplo, sustancias opacas pasan a ser transparentes (el cobre); materiales inertes pasan a ser catalizadores (el platino); materiales estables se tornan combustibles (el aluminio); algunos sólidos se vuelven líquidos a temperatura ambiente (el oro); y algunos materiales aislantes llegan a ser conductores (el silicio). CAMBIANDO DE ESCALA La primera mención de conceptos distintivos en el campo de la nanotecnología fueron vertidos por el físico Richard Feynman (premio Nóbel de física en 1965) en una conferencia titulada, “There is Plenty of Room at the Bottom” en el Instituto Tecnológico de California, en diciembre de 1959. El término nanotecnología fue definido por el profesor Norio Taniguchi de la Universidad de Ciencias de Tokio en un artículo publicado en 1974, titulado, “On the Basic Concept of Nanotechnology”, como: “La nanotecnología consiste básicamente de procesos de separación, consolidación y deformación de materiales al nivel de átomos o moléculas”. En los ochenta la idea básica de esta definición fue explorada en mayor profundidad por el doctor Eric Drexler, quien promovió el significado tecnológico de los fenómenos y dispositivos a escala nanométrica en su libro “Engines of Creation; The Coming Era of Nanotechnology”. En 1990 sale a la luz el primer “journal” científico dedicado a este nuevo tema “Nanotechnology”, que tiene un factor de impacto de 3.32 y está ubicado en el octavo lugar en la categoría de física aplicada. Al mismo tiempo, y luego de la importancia que empieza a ganar este nuevo “tema”, en 1990, el presidente de los Estados Unidos, William Clinton, crea la ya mencionada NNI (Iniciativa Nacional sobre Nanotecnología), que entre otras cosas, establece el apoyo del gobierno federal de Estados Unidos hacia la investigación y el desarrollo de la nanotecnología. Posteriormente, la National Science Foundation (NSF) de Estados Unidos, comisionó al profesor David Berube a conducir una amplia revisión sobre el tema. Sus conclusiones quedaron documentadas en una monografía titulada “The Truth Behind the Nanotechnology Buzz”. Este estudio concluye que mucho de lo que se ha vendido como nanotecnología es en realidad ”un recast” de la típica ciencia de materiales, que ha producido una industria de nanotecnología basada solamente en desarrollar y vender nanotubos, nanofibras, nanoarcillas y similares, que pudiera terminar con una serie de empresas vendiendo grandes volúmenes de productos con reducido margen tecnológico y de utilidades. Se estima que en 10 años muchos productos comerciales, tendrán algún rasgo nanométrico, y el valor comercial de los productos afectados por la nanotecnología será del orden de 1012 dólares. El número de artículos científico-tecnológicos que mencionan la palabra nanotecnología, pasó de 500 en 1999 a 6,000 en 2002. El gasto gubernamental en investigación científica y tecnológica, en nanotecnología, alcanzó 3,700 millones de dólares en el mundo en 2003, y 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Editorial: Nanotecnología / Luis Francisco Ramos de Valle sólo en Estados Unidos, bajo la NNI, se asignó un presupuesto de 850 millones de dólares para el año 2004. LAS APLICACIONES Las nanoestructuras pueden ser de tamaño nanométrico en solo una de sus dimensiones, como sería el caso de las laminillas de la nanoarcilla; en dos de sus dimensiones, como es el caso de los nanotubos y las nanofibras de carbono; o en las tres de sus dimensiones, como es el caso de las nanopartículas de dióxido de silicio. Las nanopartículas toman ventaja del dramático incremento de la relación área superficial a volumen. Cuando algunas nanopartículas pasan a formar parte de la masa de otro material, éstas influyen grandemente en las propiedades mecánicas, tales como el módulo y la elasticidad. Por ejemplo, los polímeros tradicionales pueden ser reforzados por la inclusión de nanopartículas, resultando en materiales mucho más fuertes pero muy ligeros, capaces de reemplazar a muchos metales. En el campo de la medicina, los investigadores han empezado a explotar las propiedades de los nanomateriales para varias aplicaciones, por ejemplo, agentes de contraste para imágenes celulares y agentes terapéuticos para el tratamiento de cáncer. La nanotecnología biomédica, la bionanotecnología y la nanomedicina son términos que se utilizan para describir este campo. Ciertos nanomateriales pueden ser funcionalizados con agentes biológicos. El tamaño de estos nanomateriales es similar a la gran mayoría de las estructuras y las moléculas biológicas. A la fecha la integración de nanomateriales con la biología ha llevado al desarrollo de dispositivos de diagnóstico, agentes de contraste, herramientas analíticas, agentes para terapia y vehículos para liberación de drogas o medicamentos. En el campo de la química, la catálisis y las técnicas de filtración son dos ejemplos en donde la nanotecnología ya está presente. El principal beneficio de la primera proviene de la extremadamente grande relación de área superficial a volumen. El potencial de aplicación de las nanopartículas en el área de la catálisis va desde celdas de combustible hasta convertidores catalíticos. En cuanto la filtración, es de esperarse una fuerte influencia de la nanotecnología en el tratamiento de agua, purificación de aire y dispositivos de almacenaje de energía. Las membranas con poros de tamaño nanométricos serían excelentes para los procesos de filtración mecánica. La nanofiltración se utiliza principalmente para la separación de iones o para la separación de diferentes fluidos. Un importante campo de aplicación de la nanofiltración en la medicina es, por ejemplo, la diálisis renal. La síntesis provee nuevos materiales con características y propiedades químicas diseñadas a la medida, por ejemplo, nanopartículas con funcionalidades químicas específicas. En este sentido, la química es de hecho una nanociencia. En un corto plazo la química podrá proveer de nuevos nanomateriales específicos y en un futuro un poco más lejano podrá desarrollar procesos tales como el autoensamblaje. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 5 �Editorial: Nanotecnología / Luis Francisco Ramos de Valle En el campo de la informática y la comunicación, los procesos de producción actuales (high tech) son procesos en los cuales la nanotecnología ya ha estado presente. La escala de los circuitos integrados está ya por debajo de los 100 nanómetros. Se puede mencionar como ejemplo a los nuevos dispositivos semiconductores basados en lo que se le llama spintrónica o magnetoelectrónica. Este efecto, derivado de la utilización de partículas de tamaño nanométrico, ha llevado a un fuerte aumento en la capacidad de almacenamiento de datos en un disco duro de los que usan en una computadora y ha hecho posible llegar a rangos de GB en lugar de MB; tal es el caso del llamado magnetic random acces memory o MRAM. Otro ejemplo son los nuevos dispositivos óptico u optoelectrónicos, los cuales han reemplazado en la tecnología de comunicación moderna a los dispositivos eléctricos analógicos debido a la enorme amplitud de banda y gran capacidad, respectivamente. Dos ejemplos promisorios son los cristales fotónicos, que son materiales con una variación periódica en el índice de refracción, se asemejan a un semiconductor pero conducen fotones en lugar de electrones, y las partículas cuánticas, que son objetos de tamaño nanométrico que pueden ser utilizadas, entre otras cosas para la construcción de lasers más baratos y de mayor calidad que los convencionales. La nanotecnología ya está impactando en los bienes de consumo más comunes, dando productos con nuevas características que van desde tratamiento de superficies para que sean fáciles de limpiar hasta materiales de alta conductividad térmica y resistencia mecánica. Por ejemplo, ya hay nuevas fibras textiles reforzadas con 1-2% de nanofibras metálicas con mayor conductividad térmica. Estos productos han llevado a la fabricación de equipo deportivo moderno, tal como las raquetas de tenis reforzadas con nanotubos de carbono que tienen una mayor resistencia a la torsión y que son más rígidas y resistentes que las de fibra de carbono. También existen pelotas de tenis que tienen en su interior un recubrimiento de polímero reforzado con nanopartículas de arcilla que dura el doble que el de las pelotas convencionales. Entre los productos de uso común se encuentran las cremas protectoras contra el sol, que ahora utilizan nanopartículas de dióxido de titanio y que tienen grandes ventajas sobre las que utilizan los compuestos químicos tradicionales. COMENTARIOS FINALES Las partículas de tamaño nanométrico son potencialmente importantes en el campo de los materiales poliméricos, cerámicos y metálicos. Sin embargo la fuerte tendencia de estas nanopartículas para aglomerarse es un serio problema tecnológico que ha dificultado sus aplicaciones. Un rasgo definitivo de la nanotecnología es que además de los recursos económicos requiere un trabajo interdisciplinario de varios campos, en donde la física y la química juegan los papeles más importantes. Así, la físicoquímica será la disciplina fundamental para el desarrollo futuro de la nanotecnología. 6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Modelado del clima en invernaderos: Respuesta de la temperatura a cambios de humedad Javier Leal Iga Facultad de Ingeniería Civil, UANL Efraín Alcorta García FIME, UANL Humberto Rodríguez Fuentes Facultad de Agronomía, UANL jlealiga@yahoo.com.mx, ealcorta@fime.uanl.mx, hrodrigu10@yahoo.com.mx RESUMEN El cambio de las condiciones atmosféricas durante los ciclos climáticos hace necesario utilizar invernaderos para proteger ciertos cultivos. Los invernaderos son estructuras cerradas en las que se mantienen microambientes que son adecuados para un buen desarrollo de las plantas. El control efectivo de algunas variables de clima dentro de invernadero es posible con el auxilio de modelos matématicos. En este trabajo se presenta un modelo mejorado mediante una propuesta que incluye el efecto de la humedad sobre la temperatura dentro del invernadero. Esto constituye un avance al estado del arte en modelos de clima de los invernaderos. Se presentan los resultados de la simulación llevada a cabo en este trabajo en donde se muestran las ventajas del modelo propuesto. PALABRAS CLAVE Temperatura del aire, invernadero, modelado, clima. ABSTRACTS Change of the atmospheric conditions during the climate cycles makes necessary to use green houses for protecting some kind of crops. Green houses are closed structures where adequate microenvironments for the good development of plants are maintained. Effective control of some of the climatic conditions in a green house is possible with the aid of mathematical models. An improved model that includes a change that involves the effect of humidity over the temperature inside the green house is presented in this work. This constitutes an advancement of the state of the art in climate modeling in green houses. Results of the simulation carried out in this work are shown, demonstrating the advantages of the proposed model. KEYWORDS Air temperature, green house, modeling, climate. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 7 �Modelado del clima en invernaderos: Respuesta de la temperatura... / Javier Leal Iga, et al INTRODUCCIÓN Una experiencia frecuente entre los cultivadores a cielo abierto es la amenaza constante de las variaciones de condiciones climáticas. Como ejemplo se tienen variaciones atípicas en la temperatura, la falta o exceso de lluvia, los cambios fuertes en la humedad ambiental, entre otras. Una forma de hacer frente a los retos que impone la naturaleza es mediante el uso de invernaderos. Un invernadero es una estructura generalmente cubierta por plástico y/o malla antiáfidos que permite proteger el cultivo de los efectos de la naturaleza, proporcionando, además, protección contra algunas plagas y posibilitando un mejor control de la nutrición y uso eficiente del agua. La gran cantidad de variables presentes dentro de un invernadero hace que su manejo no sea trivial. El uso eficiente de invernaderos es tema actual de estudio en la literatura internacional.1 Uno de los temas de gran importancia consiste en el control de la temperatura, la cual es responsable, en buena medida, del crecimiento y desarrollo de plantas.2, 3 y 4 Un aspecto de gran interés radica en la operación del invernadero con un mínimo de energía, pero cumpliendo un perfil de funcionamiento deseado.1 En este sentido se hace necesario el uso de técnicas de control automático1, 5 y esto a su vez motiva la necesidad de contar con un modelo del clima dentro del invernadero. Los modelos de clima para invernaderos reportados en la literatura consideran cuatro o cinco variables en las que se basa la descripción.5 Un modelo aceptado ampliamente en la literatura considera variables de temperatura en el ambiente, y suelo, humedad y concentración de CO2 dentro del invernadero. A pesar de que la humedad es 8 considerada en general dentro de la descripción ésta no se utiliza en el balance realizado para la modelación de la temperatura.1 Sin embargo, es bien sabido que la humedad y la temperatura están íntimamente relacionadas. En este trabajo se presenta una propuesta para considerar el efecto de la humedad en la ecuación de temperatura del invernadero. La idea de la propuesta se basa en la consideración de la variación de la densidad del aire. De aquí se derivan expresiones que permiten describir el efecto de cambios de humedad en la temperatura dentro del invernadero. El modelo que contiene la modificación propuesta muestra una mayor sensibilidad a los cambios de la humedad cuando se compara con el modelo de la referencia.1 ANTECEDENTES La modelación del clima dentro de los invernaderos se desarrolla de manera formal a partir de los 80. Dos de las primeras propuestas fueron realizadas en la Universidad Agrícola de Wageniengen, Holanda en 1983. En ambos modelos se consideran ecuaciones para la temperatura dentro del invernadero, e incluyen el efecto del calentamiento y la apertura de ventanas y consideran al invernadero como un tanque mezclado perfecto, en el cual las variables climáticas son uniformes.5 y 6 La diferencia esencial fue que en 5 se utilizó un modelo de bajo orden, linealizado y que considera el efecto de la radiación y el calor de absorción del cultivo por evaporación en una manera empírica, evitando la necesidad del pronóstico de la radiación de onda larga de la atmósfera. En cambio en 6 se utiliza un modelo de alto orden, maneja una cantidad relativamente grande de variables de estado no relacionadas directamente a la producción del cultivo, debido a que el suelo se divide en varias capas, y a que requiere el conocimiento de la radiación de onda larga de la atmósfera. En 1992 Tchamitchian7 propone una mejora al modelo5 despreciando los tiempos muertos existentes y cambiando la entrada de calor por la suposición de que los cambios en la temperatura de la tubería son lo suficientemente rápidos para considerar a la tubería en un pseudo-equilibrio estático. Fue en el año 2000 cuando F. Tap1 complementó el modelo de Tchamitchian considerando el efecto de la humedad Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Modelado del clima en invernaderos: Respuesta de la temperatura... / Javier Leal Iga, et al del aire dentro del invernadero (pero no en la ecuación de la temperatura), así como un modelado más preciso de la ventilación. De forma independiente de los trabajos descritos anteriormente, Takakura2 propone un modelo no lineal distinto a los anteriores, el cual considera la temperatura de la cubierta, la temperatura del aire interior, piso y temperatura de la planta como variables de estado. Este sistema de ecuaciones representa una alternativa al modelo de Tap.1 Utilizando otro punto de vista, Nielsen y Madsen3 proponen un modelo lineal estocástico de tiempo continuo. En este caso la linealidad limita su aplicación. Recientemente Ferreira y Ruano8 desarrollaron un modelo basado en redes neuronales artificiales. Este modelo tiene el inconveniente de que las variables internas no necesariamente tienen una interpretación física. MODELO DE CLIMA EN INVERNADERO (CON DENSIDAD DE AIRE CONSTANTE) Este modelo fue tomado del trabajo de Tap.1 Las ecuaciones fueron obtenidas de balances de masa y energía dentro del invernadero. Las cuatro variables básicas consideradas en el modelo son: La temperatura de aire, la temperatura del suelo, la concentración de CO2 y la humedad. Cada una de estas variables tiene asociada una ecuación diferencial: Temperatura dentro del invernadero Cg dTg dt = K v (T0 − Tg ) + α (Tp − Tg ) + Temperatura del suelo Cs dTs = − K s (Ts − Tg ) + K d (Td − Ts ) dt En esta ecuación se presenta que la temperatura del suelo es proporcional al intercambio de calor entre la capa superficial y la temperatura ambiente (primer término) y al intercambio de calor entre la capa superficial y el suelo profundo (segundo término). Concentración de CO2 Vg dCi = Φ v (C0 − Ci ) + ϕ inj + R − μ P Ag dt Para esta ecuación se tiene que el cambio de concentración de CO2 es proporcional al intercambio de CO 2 con el exterior (primer término), a la inyección de CO2 (segundo término), al aumento de CO2 por respiración (tercer término) así como a la disminución de CO2 por la fotosíntesis (cuarto término). Humedad Vg dVi = E − Φ v (Vi − V0 ) − M c Ag dt Esta ecuación indica que el cambio de humedad dentro del invernadero es proporcional al aumento de humedad por transpiración (primer término), al intercambio de humedad por respiración (segundo término) así como a la pérdida de humedad por condensación en el techo del invernadero (tercer término). K r (T0 − Tg ) + K s (Ts − Tg ) + Z ηG − λ E + λ Mc ε +1 Esta ecuación nos indica que la variación de temperatura dentro del invernadero es proporcional al intercambio de calor por la ventilación (primer término), intercambio debido a las tuberías del sistema de calefacción (segundo término), al intercambio a través de la cubierta y de las paredes (tercer término), al intercambio de calor con el suelo profundo (cuarto término), a la entrada de calor por radiación (quinto término), a la pérdida de calor por evaporación debido a la transpiración (sexto término) así como al intercambio debido a condensación en el techo del invernadero (último término). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 9 �Modelado del clima en invernaderos: Respuesta de la temperatura... / Javier Leal Iga, et al DENSIDAD DEL AIRE DENTRO DEL INVERNADERO Los modelos de clima para invernaderos consideran que la densidad del aire dentro del invernadero permanece constante en los balances relacionados con la ecuación de cambio de temperatura.1 La densidad del aire debe de ser considerada variante en el tiempo. La forma en que esta consideración puede realizarse en el modelo existente se presenta a continuación. Composición de la densidad del aire La densidad del aire se define como la división de la masa de las moléculas del aire entre el volumen que las contienen, y será representada en este trabajo con unidades de Kg/m3. Una manera de considerar la humedad es mediante la representación de la masa de aire como la suma de dos componentes: a) La masa de aire seco mdry b) La masa de vapor de agua mW .vapor Utilizando esta representación de la masa de aire y sustituyéndola en la ecuación para la densidad del mAir , se obtiene la expresión: aire M Air = M Air = Volumen mdry mW .vapor Volumen M Air = γ o + Vi + Volumen , (1) en donde: γ o es la densidad del aire seco (Kg/m3). Esta cantidad representa la masa del aire seco por unidad de volumen a una temperatura específica de 20 oC, valor que se considerará constante. Vi Es la concentración de humedad dentro del invernadero (Kg/m3). Esta cantidad representa la masa de vapor de agua por unidad de volumen. Este valor no es constante (varía con el tiempo). Esta variable se calcula dentro del modelo de clima en el invernadero y la ecuación correspondiente fue precisada anteriormente. De esta manera, la densidad del aire M Air considerando el efecto de la humedad, es evaluada como la variación de la concentración de vapor de agua, por medio de la ecuación (1). El resultado muestra que es posible representar la densidad 10 del aire como la suma de la densidad del aire seco y la del vapor de agua. Esto permitirá hacer un ajuste importante a las ecuaciones del modelo y en particular a la relacionada con la temperatura del aire dentro del invernadero. El coeficiente crítico en este caso es el de capacidad de calor C p . Aplicación al modelo de clima en invernaderos Aplicando la ecuación de la variación de la densidad del aire por efecto de la humedad, en la ecuación de temperatura en el invernadero se obtiene: dTg dt = 1 ⎡ K v (T0 − Tg ) + h c p γ 0 + CH Vi ⎣ ( ) α (Tp − Tg ) + K r (T0 − Tg ) + λ Mc − ε +1 CH Tg (E − Φ v (Vi − V0 ) − M C )⎤⎦ K s (Ts − Tg ) + Z ηG − λ E + De la ecuación anterior se puede apreciar (por comparación con la ecuación de temperatura del aire dentro del invernadero) cuales son los términos afectados. Detalles sobre las ecuaciones y valores de parámetros se pueden encontrar en.9 y 10 Respuesta de la temperatura a cambios de humedad En esta sección se presentan los resultados de simulación de los modelos considerados en este trabajo. Por un lado se realizó la simulación utilizando el modelo que considera la densidad del aire constante en la ecuación de temperatura 1 y en el otro caso se simuló el modelo con los ajustes propuestos para tomar en cuenta el efecto de variaciones en la humedad. Marco para la realización de las simulaciones En ambos casos se utilizan los datos presentados en el trabajo de Tap.1 La información disponible corresponde a las mediciones de la temperatura, humedad, radiación solar, velocidad del viento, concentración de CO2, durante un periodo de 72 horas. Los valores de los parámetros del modelo también provienen del trabajo antes mencionado. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Consideraciones de los parámetros de capacidades de calor El interés por considerar este parámetro C g en particular radica en que el valor que se propone en el trabajo de Tap1 es de 32,000 Joules/(kg 0C). Este valor numérico resulta muy alto (del orden de 10 veces mayor) en comparación con el valor técnico que se obtiene de la literatura. Es de enfatizar que el valor de C g utilizado en1 fue ajustado (calibrado, tal y como es llamado este procedimiento en Agronomía) y no calculado a partir de las constantes asociadas con las propiedades físicas. Para el modelo propuesto se utilizan los valores correspondientes al c p = 1010 Joules/(kg 0C), que representa el calor específico del aire a presión constante y CH = 2010 Joules/(kg 0C) que corresponde al calor específico del vapor de agua a presión constante. día que el modelo de Tap1 Es de resaltar además el hecho de que las condiciones ambientales de donde se obtuvieron los datos utilizados en la simulación corresponden a una zona donde las variaciones de humedad no son grandes. Al analizar los resultados se aprecia en la figura 4, correspondiente a la concentración de CO2, no hubo variación entre los modelos. Esto se debe a que los valores de temperatura en el aire dentro del invernadero no influyen en la ecuación relacionada con la concentración de CO2. Las figuras 5 y 6, muestran la diferencia entre ambos modelos, (temperatura del aire y del suelo respectivamente). RESULTADOS DE SIMULACIÓN Los resultados de las simulaciones pueden apreciarse en las siguientes figuras. La línea continua representa la variable calculada utilizando el modelo propuesto mientras que la línea discontinua corresponde al modelo de Tap.1 En forma general se puede decir que las demás variables sólo presentan desviaciones muy pequeñas en magnitud, figuras 1, 2 y 3. Sin embargo, un hecho significativo es que la tendencia de la gráfica correspondiente al modelo propuesto (línea continua) muestra una mayor sensibilidad a las variaciones del Humedad Absoluta Kg/m3 Modelado del clima en invernaderos: Respuesta de la temperatura... / Javier Leal Iga, et al 0.0166 3 0.0165 u l so b A a d e m /tH kg 0.0164 0 20 40 Horas 60 Fig.2. Humedad en el invernadero. 17.2 15.175 Temperatura del suelo °C 17.1 Temperatura Interior °C o 17 16.9 16.8 16.7 o 15.175 15.175 15.174 15.174 15.174 o p m T d lra e u C st 15.174 n e T p itIu rC o m a 16.6 15.174 0 16.5 0 20 40 Horas 60 Fig.1. Temperatura del aire en el invernadero. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 20 40 Horas 60 Fig.3. Temperatura del suelo en el invernadero. 11 �Modelado del clima en invernaderos: Respuesta de la temperatura... / Javier Leal Iga, et al Concentración C02 Gr/m3 0.621 3 2 0.6205 0.62 ro m tO cie a C /n g 0.6125 0 20 40 Horas 60 Fig.4. Concentración de CO2 en ambos modelos. CONCLUSIONES En este trabajo se muestra una manera de considerar el efecto de la humedad en el cálculo de temperatura dentro de un invernadero. El punto de partida es un modelo aceptado generalmente en la literatura. Basados en una representación de la humedad se obtiene una ecuación que permite considerarla como variable en el tiempo. El modelo se modifica para incluir los cambios propuestos y así obtener un nuevo modelo (denominado modelo propuesto). Ambos modelos (el original obtenido de la literatura y el propuesto) se evalúan bajo el mismo marco de referencia. Se observa que el modelo propuesto presenta una mayor sensibilidad y que al menos en la tendencia sigue mejor los cambios naturales del día. En magnitud, la variación es casi despreciable. El marco de simulación empleado contempla pocas variaciones de humedad y los cambios de magnitud pequeños que se observaron pueden obedecer a este hecho. Fig.5. Diferencia de temperaturas del aire. Fig.6. Diferencia de temperaturas del suelo. 12 REFERENCIAS 1. Tap F. Economics-based optimal control of greenhouse tomato crop prod., PhD Thesis, Wageningen Agr. Univ., 2000. 2. Takakura, T, Climate Ander cover, digital dynamic simulation in plant Bioengineering, Kluwer Academia Publisher, The Netherlands. 1993. 3. Nielsen, B. and H. Madsen (1998). Identification of a linear continuous time stochastic model of the heat dynamic of a greenhouse. J. Agr. Eng. Res. 71, 249–256. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Modelado del clima en invernaderos: Respuesta de la temperatura... / Javier Leal Iga, et al 4. J. Muños Ramos, J. Z. Castellanos R., Horticultura protegida, antecedentes y perspectivas de desarrollo en México y el sistema agrícola almeriense, 1er S. regional de producción de cultivos en invernaderos, Monterrey., N. L., México, Abril 2003. 5. Udink ten Cate A.J., Modeling and (adaptive) control of greenhouse climates, PhD Thesis, Wageningen Agr. Univ. 1983. 6. Bot G. Greenhouse Climate: from physical processes to a dynamic model, PhD Thesis, Wageningen Agr. Univ. 1983. 7. Tchamitchian M., van Willigenburg L.G., van Straten G., Short term dynamic optimal control of the greenhouse climate, Wageningen MRS report, 92-3. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 8. Ferreira, P.M., Ruano, Greenhouse Air Temperature Modelling with Radial Basis Function Neural Networks Workshop on Management,, Identification and Control of Agriculture Buildings, Universidade de Trás os Montes e Alto Douro, Portugal. 2001. 9. J. Leal Iga, E. Alcorta García y H. Rodríguez Fuentes, “Influence of air density variations in the climate of greenhouse”., 2nd IFAC Symposium on System, Structure and Control, Oaxaca, Mexico, 2004. 10. J. Leal Iga, E. Alcorta García y H. Rodríguez. Fuentes, “Efecto de la variación de la densidad del aire en la temperatura bajo condiciones de invernadero”, CIENCIA UANL. Vol. IX, No. 3, Julio-Sep. 2006. 13 �Desarrollo de nanocompuestos superparamagnéticos quitosán/magnetita Marco Antonio Garza Navarro, Moisés Hinojosa Rivera, Virgilio Ángel González González FIME, UANL ingmarcogarza@gmail.com, hinojosa@gama.fime.uanl.mx, vigonzal@mail.uanl.mx RESUMEN Se reporta la síntesis y caracterización de diversas composiciones de material nanocompósito quitosán/magnetita, variables en contenido en peso de matriz/fase dispersa. Estas composiciones fueron preparadas a partir de disoluciones de cloruro férrico, cloruro ferroso y quitosán de bajo peso molecular en las proporciones necesarias para producir, mediante la adición de NaOH, nanocompósitos a razones de 75/25, 50/50 y 25/75. El estudio de estos nanocompósitos a través de difracción de rayos X indica la presencia de nanopartículas de magnetita no estequiométrica, con tamaños de cristal de entre 4 nm y 6 nm. Por su parte el estudio de sus propiedades magnéticas, llevado a cabo utilizando un magnetómetro de muestra vibrante, indica que la fase dispersa muestra un carácter superparamagnético atribuido a partículas de un solo dominio magnético por encima de su respectiva temperatura de bloqueo, cuyas dimensiones se encuentran entre 5 nm y 7 nm. PALABRAS CLAVE Materiales nanocompósitos, partículas superparamagnéticas, quitosán. ABSTRACT The synthesis and characterization of diverse chitosan/magnetite nanocomposite material compositions, which are variables in matrix/disperse phase weight content is reported. These compositions were prepared from formic acid dissolutions of ferrous chloride, ferric chloride and low molecular weight chitosan in the necessary proportions to produce, under NaOH addition, nanocomposites of 75/25, 50/50 and 25/75 w/w ratios. The study of these films using X-ray diffraction indicates the presence of non-stoichiometric magnetite nanoparticles, with crystal size around 4 nm and 6 nm. The study of its magnetic properties, using a vibrating sample magnetometer, indicates that the disperse phase shows a superparamagnetic character, attributed to single magnetic domain particles above its respective block temperature, with dimensions between 5 nm and 7 nm. KEYWORDS Nanocomposite materials, superparamagnetic particles, chitosan. 14 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Desarrollo de nanocompuestos superparamagnéticos... / Marco A. Garza Navarro, et al INTRODUCCIÓN La obtención de materiales nanocompósitos de matriz polimérica y fase dispersa de nanopartículas de óxidos de hierro superparamagnéticos, ha sido estudiada ampliamente con el fin de desarrollar sistemas útiles para la preservación y cuidado de la salud y del medio ambiente. Se ha reportado1-3 la utilización de materiales nanocompuestos de nanopartículas magnéticas y matrices de polímeros biocompatibles, las cuales pueden o no, ser biodegradables. Estos sistemas son utilizados como vehículos de entrega localizada de medicamento, siempre y cuando la matriz polimérica sea capaz de adsorber moléculas de medicamento, ya sea en su interior (microcápsulas) o en su superficie (microesferas). Por otro lado, la síntesis de este tipo de nanocompósitos también ha sido enfocada al desarrollo de sistemas de remoción de especies tóxicas en disolución. En este caso, la síntesis se lleva a cabo utilizando matrices poliméricas orgánicas o resinas de intercambio iónico. A estas matrices les son incorporadas nanopartículas magnéticas, usualmente de óxidos de hierro.4-7 En el desarrollo de ambos tipos de sistemas es deseable que las mencionadas nanopartículas exhiban propiedades superparamagnéticas y tamaños menores a 10 nm.1-7 Esta clase de comportamiento magnético se traduce en la pérdida de la coercitividad y la remanencia, presentada usualmente por estos óxidos, y debido a su tamaño, una sustancial disminución en su magnetización de saturación. En este trabajo se expone el desarrollo de un material nanocompósito mediante la formación in situ de nanopartículas superparamagnéticas de magnetita, utilizando el biopolímero quitosán como matriz, con potenciales aplicaciones en sistemas tales como los descritos durante la presente introducción. EXPERIMENTACIÓN Síntesis Para la síntesis del material nanocompuesto se prepararon dos disoluciones en ácido fórmico al 88%; una utilizando quitosán de bajo peso molecular, con un porcentaje de desacetilación del 84.5%, a una concentración de 0.01 gr/ml, y otra de las sales de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 hierro FeCl2 y FeCl3, al 0.034M. La razón molar de FeCl2: FeCl3 agregada a la disolución fue de 1:2. Una vez formadas ambas disoluciones, se realizó la mezcla de éstas a razones específicas, con el fin de desarrollar composiciones de material quitosán/ magnetita de contenido en peso de 75/25, 50/50 y 25/75. Una vez obtenidas las nuevas disoluciones éstas fueron vertidas en cajas petri a fin de evaporar el disolvente bajo condiciones de presión y temperatura ambiente. Evaporado el disolvente, las películas de material quitosán/magnetita fueron bañadas con una disolución acuosa de NaOH al 5.0M. El volumen agregado a cada composición se determinó en función al contenido en peso de magnetita a sintetizar, según la composición en cuestión lo requiriera. Durante el procedimiento de agregado de la disolución de NaOH, fue notable el cambio en coloración de la película, la cual en todos los casos fue de un color amarillento (ámbar) a un color negro oscuro, como se muestra en la figura 1a y 1b. Fig. 1. Imagen que muestra la película de polímero: a) Una vez evaporado el disolvente, b) Luego de ser lavada con la disolución de NaOH y c) Después de ser lavada y secada a temperatura ambiente. Finalmente, las películas de nanocompuesto fueron lavadas con agua destilada, hasta un pH de 7 y acetona, para luego dejarlas secar a temperatura ambiente. La apariencia final presentada por las películas de material, se muestra en la figura 1c. CARACTERIZACIÓN Las composiciones desarrolladas de material nanocompuesto fueron pulverizadas en un mortero de ágata y caracterizadas por las siguientes técnicas: Difracción de rayos X: los patrones de difracción de las composiciones desarrolladas fueron obtenidos usando un difractómetro de polvos Phillips con radiación Cu K α ( λ = 0.15406 nm). 15 �Desarrollo de nanocompuestos superparamagnéticos... / Marco A. Garza Navarro, et al Magnetometría de muestra vibrante: las curvas de magnetización, así como los lazos de histéresis de las composiciones de material quitosán/magnetita fueron obtenidos usando un VSM-7300 de Lake Shore, utilizando un campo de hasta 12.0 KOe. Barrido en dos dimensiones de la muestra quitosan/ magnetita 25/75 %. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Difracción de rayos X Los patrones de difracción obtenidos se muestran en la figura 2. Los picos de dichos patrones son consistentes con los propios de las fases espinel, magnetita y maghemita.8 El halo amorfo presentado en el rango de 10º a 28º es atribuible a la matriz polimérica.9, 10 Debido a la anchura presentada por dichos picos, así como a la similitud entre los patrones de magnetita y maghemita reportados en la literatura, es difícil precisar fehacientemente la fase presente en la matriz de quitosán. No obstante la ausencia del pico correspondiente al plano (211) a una magnitud 2θ de 32.2º, en todas las composiciones, indica inexistencia de una fase separada de maghemita cúbica.11 Por otro lado, la presencia de una fase de maghemita tetragonal no es detectable debido a que los picos correspondientes a sus planos (203) y (116), los cuales aparecen a magnitudes 2θ de 23.9º y 26.1º, respectivamente,11 además de ser de poca intensidad, se encuentran en el rango comprendido por el halo amorfo. Debido a lo anterior y a fin de determinar sin lugar a dudas, la especie que se encuentra dispersa en la matriz, se realizó el cálculo del parámetro de red de la fase cristalina presente en el material compuesto, tomando en cuenta para ello los picos correspondientes a los planos (311) y (440). Los resultados de dicho cálculo, tal como se muestra en la tabla I, se encuentran entre los valores reportados8, 11 para las fases magnetita y maghemita cúbica, los cuales son de 0.8397 nm y 0.8340 nm, respectivamente. También es notable que el parámetro de red aumenta conforme el contenido en peso de fase dispersa disminuye, lo cual es atribuido a la variación en contenido de Fe2+ en la fase dispersa. Dado que el radio iónico de los iones Fe2+ (0.074 nm) es mayor al propio de los cationes de Fe3+ (0.064 nm), un aumento en contenido de Fe 3+, vía la oxidación parcial de los iones divalentes de hierro, provocará una disminución en las dimensiones de la celda unidad, lo cual es evidente en los resultados mostrados en la tabla I. Por lo tanto se puede inferir que el aislamiento de la fase dispersa provisto por la matriz, disminuye la oxidación de los iones divalentes de hierro. En todos los casos, el parámetro de red obtenido es menor al reportado para el caso de la magnetita, Tabla I. Tamaño de cristal y parámetro de red de la fase dispersa de las distintas composiciones de material quitosán/magnetita. Tamaño Composición de cristal* (nm) Fig. 2. Patrones de difracción de rayos X de las composiciones desarrolladas. 16 Parámetro de red (nm) Volumen de la celda unidad (nm3) 25/75 4.64 0.8355 0.5832 50/50 4.91 0.8371 0.5865 75/25 5.45 0.8371 0.5865 El tamaño de cristal calculado L, representa el diámetro correspondiente al volumen promedio de cristal ponderado por el peso. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Desarrollo de nanocompuestos superparamagnéticos... / Marco A. Garza Navarro, et al pero mayor al propio de la maghemita, lo cual es indicativo de que la mencionada oxidación es de hecho parcial para todas las composiciones, y por lo tanto es posible asegurar que la fase dispersa en la matriz se encuentra compuesta por magnetita no estequiométrica, cuyo porcentaje de Fe2+ es menor al 24%, ya que para este caso el valor del parámetro de red reportado es de 0.8388 ± 0.0004 nm.11 Por otro lado, la anchura de los picos mostrados es indicativa de que el volumen de los cristales difractantes es comparable a la longitud de onda de los rayos X incidentes. Dicho efecto puede ser determinado por la ecuación de Scherrer,12 la cual indica que: Kλ L= (1) β cos θ donde L es el tamaño medio de cristal, K el factor de Scherrer (tomado usualmente como 0.89), λ la longitud de la onda de los rayos X, β el ancho medio del pico máximo en radianes, y θ el ángulo de Bragg en el cual se encuentra la máxima difracción. Cabe señalar que para dicho cálculo se tomaron en cuenta los picos correspondientes a los planos indizados (311) y (440) de cada composición. Los resultados de dicho cálculo son mostrados en la tabla I. Como se observa, el intervalo acotado por los diferentes tamaños de cristal, correspondientes a cada composición, es muy cerrado y comprende de 4.64 nm a 5.45 nm, lo cual no representa una diferencia significativa. Por lo tanto, es posible asegurar, de acuerdo a los resultados de este cálculo, que el tamaño de cristal, L, no es función del contenido de fase cristalina, o al menos no en las composiciones desarrolladas. Magnetometría de muestra vibrante Las curvas de histéresis del material nanocompuesto desarrollado son mostradas en la figura 3. Dichas curvas muestran un comportamiento superparamagnético, presentando cero coercitividad y remanencia, por lo cual es posible decir que las nanopartículas dispersas en la matriz polimérica son de un solo dominio, y además que se encuentran por encima de su respectiva temperatura de bloqueo.13, 14 Es importante tomar en cuenta que la cantidad de cristales presentes en una partícula magnética Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 Fig. 3. Curvas de histéresis de las diferentes composiciones de material quitosán/magnetita. interfiere directamente con la cantidad de dominios magnéticos en los que se encuentra dividida la misma. Debido a que en materiales policristalinos, la orientación cristalina es muy diversa, es posible que el momento magnético total de cada cristal se encuentre orientado en diferentes sentidos, no propiamente antiparalelos, pero tampoco totalmente paralelos.15 Esta diversidad en orientación origina un aumento en la energía magnetostática de la partícula, creando paredes que separan cristales con momento magnético paralelo de los que no lo son, y formando zonas microscópicas denominadas dominios.15, 16 Por lo tanto, siguiendo este razonamiento, el hecho de que la fase dispersa denote un comportamiento de partículas de un solo dominio es indicativo de que cada partícula es un monocristal. En dado caso, el tamaño de cristal calculado es equiparable al tamaño de partícula obtenido a través de la síntesis. Utilizando los datos provenientes de las curvas de magnetización, en un rango de 0.85T a 1.16T, y una función de expansión Langeviana,11, 17 el diámetro correspondiente al volumen promedio, definido como, 1 ⎛ ∑ ni di 3 ⎞ 3 dv = ⎜ ⎟ ⎝ ∑ ni ⎠ de un cristal esférico de un solo dominio magnético, aislado debido a la interacción con la matriz que lo estabiliza, es: 1 ⎡ 6k TM 0 ⎤ 3 dv = ⎢ B ⎥ ⎣ π M S C1 ⎦ (2) 17 �Desarrollo de nanocompuestos superparamagnéticos... / Marco A. Garza Navarro, et al donde kB es la constante de Boltzman (1.38x10-23 J/K), T es la temperatura a la cual fue corrido el análisis (298 K), C1 y M0 la pendiente y la extrapolación lineal a campo infinito, respectivamente, de una curva de magnetización m (en μ A-m2) vs. 1/ μ 0H (en T-1). La magnetización de saturación por unidad de volumen de los cristales, MS, es calculada como la razón de M0/ ε , en donde ε representa la fracción volumétrica comprendida por la fase cristalina, y se obtiene a partir del contenido en peso de la misma y la densidad de dicha fase (la densidad de la magnetita fue tomada como 5.4 g/cm3). Los resultados de dicho cálculo se presentan en la tabla II, en unidades de magnetización específica. El diámetro correspondiente al área superficial promedio del cristal, definida como, ⎛ ∑ ni di 2 ⎞ da = ⎜ ⎟ ⎝ ∑ ni ⎠ 1 ⎡ 6k T 3χ ⎤ 3 da = ⎢ B ⎥ (3) ⎣ π M S μ0C1 ⎦ donde χ es la susceptibilidad inicial en m3/kg, la cual fue determinada de la curva de magnetización inicial en cada caso ( σ vs. H), como la pendiente a un campo igual a cero, y μ 0 la permeabilidad del espacio libre (4 μ x10-7 H/A). Asumiendo una distribución logarítmica normal de la magnitud de diámetros cristalinos, la desviación geométrica estándar, σ d, de la distribución de su tamaño puede ser determinada a partir de: ⎡ 2 ⎛ da ⎞ ⎤ σ d = exp ⎢ ln ⎜ ⎟ ⎥ (4) ⎢ 3 ⎝ dv ⎠ ⎥ ⎣ ⎦ Una vez conocidos d v y σ d, el diámetro mediano, definido como d m , y el diámetro promedio, definido Tabla II. Magnetización de saturación específica estimada para cada composición. 18 d vv = ∑n d ∑n d 4 i i i i 3 pueden ser relacionados con dichas cantidades de la siguiente manera: 2⎤ ⎡ 3 d m = d v exp ⎢ − (ln σ d ) ⎥ ⎣ 2 ⎦ ( d n = d v exp − (ln σ d ) 2 σ S (A-m2/kg Fe3O4) 25/75 29.97 50/50 39.59 75/25 44.14 (5) ) (6) Por su parte, el diámetro correspondiente al volumen promedio de cristal ponderado por el peso, ∑ definido como d vv = ni d i 4 ∑n d i la siguiente manera: ( 3 , puede ser calculado de i d vv = d v exp 2 (ln σ d ) 1 2 puede ser calculado de los datos de la curva de magnetización utilizando la siguiente ecuación: Composición como, 2 ) (7) Aplicando las ecuaciones anteriormente expuestas, las magnitudes de los diámetros promedio calculados, correspondientes a la fase dispersa sintetizada en cada composición, son mostrados por la tabla III. En base a estos resultados y los correspondientes al volumen de la celda unidad de cada composición, es notable que existe una expansión de ésta última como resultado de la disminución en el tamaño de partícula. Esta expansión podría ser debida al decremento en contenido de aniones de oxígeno en cada partícula, como resultado del decremento en tamaño de ésta.18 Tabla III. Tamaños de partícula y temperatura de bloqueo correspondiente a la fase dispersa de cada composición. Composición d v (nm) d a (nm) σ d (s/u) d m (nm) d n (nm) d vv (nm) 25/75 50/50 75/25 6.01 5.75 5.80 6.88 6.58 6.62 1.35 1.35 1.34 5.25 5.03 5.09 5.49 5.26 5.32 7.19 6.88 6.92 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Desarrollo de nanocompuestos superparamagnéticos... / Marco A. Garza Navarro, et al Dicha situación provoca un aumento en contenido de cationes de Fe2+ y a su vez un decremento en contenido de cationes Fe3+. Dado que, como ya se expuso anteriormente, el radio iónico de los cationes divalentes es mayor que el propio de los trivalentes, un aumento en contenido de los primeros provoca una expansión de la celda unidad. Dicho efecto es notable en el valor del parámetro de red calculado mediante los patrones de difracción de rayos X. Sin embargo, es igualmente posible que dicha expansión sea producto de la creación de una presión negativa sobre la red cristalina de la partícula.18, 19-21 Al decrecer el tamaño de partícula, su red cristalina experimenta una deformación de las celdas unidad, la cual debe ser compensada con una expansión de la misma, evitando así un cambio en su simetría. Este fenómeno ha sido reportado anteriormente para nanopartículas de óxido de hierro en sus fases hematita y maghemita,19 así como magnetita,18 para nanopartículas de óxido de cobre y de cesio.20 de alúmina en sus fases α , δ y γ ,19 y de titanato 19, 21 y zirconato19 de plomo, por mencionar algunos. Por otro lado, el hecho de que los tamaños de partícula calculados a partir de las funciones antes expuestas en cada caso abarquen un intervalo tan cerrado, es indicativo de que la distribución de tamaños es bastante homogénea, por lo cual se puede asumir un aislamiento efectivo de la fase dispersa por parte de la matriz de quitosán. Es decir, se puede asumir que las partículas sintetizadas se encuentran aisladas entre sí. En virtud de ello, el cálculo de la temperatura de bloqueo puede llevarse a cabo mediante la ecuación :13, 14 CVP TB = (8) ⎛τ ⎞ k B ln ⎜ i ⎟ ⎝ τ0 ⎠ Donde, VP representa el volumen del cristal, el cual es calculado a partir del diámetro mediano,17 τ i representa el tiempo de lectura del equipo de medición (tiempo de relajación del equipo), el cual para nuestro caso es igual a 10 s, C, es la energía de anisotropía por unidad de volumen, que se reporta17 para cristales pequeños de óxido de hierro como 5x104 J/m3 y τ o, es el tiempo de relajación del cristal, el cual usualmente es tomado como 1x10-11s, valor Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 que representa la media del rango reportado para esta constante, que comprende desde 1x10-9 s hasta 1x10-13s.13, 14 Los valores de TΒ calculados, utilizando las mencionadas magnitudes, son mostrados en la tabla III. Barrido en tres dimensiones de la muestra quitosan/ magnetita 25/75 %. CONCLUSIONES Los resultados obtenidos por las técnicas de caracterización utilizadas indican que es posible la síntesis de nanopartículas superparamagnéticas, cuya distribución de tamaños, según lo indica la caracterización de sus propiedades magnéticas, es significativamente homogénea (entre 5 nm y 7 nm en cada una de las composiciones), utilizando al quitosán como plantilla. Gracias a que la estabilización brindada por dicha matriz es lo bastante efectiva como para aislar las interacciones intercristalinas de la fase dispersa, la temperatura de bloqueo en todos los casos es menor a los 10 K, asegurando de esta manera que el carácter superparamagnético de la fase dispersa prevalecerá aún a bajas temperaturas. AGRADECIMIENTOS El presente trabajo se realizó en el marco de la Red de Síntesis y Caracterización de Materiales. Se agradece el apoyo de la UANL a través del programa PAICYT, así como el apoyo de la UAEH y la UASLP. Se agradece el apoyo de la SES-SEP y del CONACYT. REFERENCIAS 1. R. Asmatulu, M. A. Zalich, R. O. Claus y J. S. Riffle, Synthesis, Characterization and Targeting of Biodegradable Magnetic Nanocomposite 19 �Desarrollo de nanocompuestos superparamagnéticos... / Marco A. Garza Navarro, et al Particles by External Magnetic Fields, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2005, 292, p 108. 2. T. Neuberger, B. Schöpf, H. Hofmann, M. Hofmann y B. von Rechenberg, Superparamagnetic Nanoparticles for Biomedical Applications: Possibilities and Limitations of a New Drug Delivery System, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2005, 293, p 483. 3. A.S. Lubbe, C. Alexiou y C. Bergemann, Clinical Applications of Magnetic Drug Targeting, J. Surg. Res., 2001, 95, p 200. 4. R. F. Ziolo, E. P. Giannelis, B. A. Weinstein, M. P. O’Horo, B. N. Ganguly, V. Mehrotra, M. W. Russell y D. R. Fuman, Matrix-Mediated Synthesis of Nanocrystalline γ -Fe2O3: A New Optically Transparent Magnetic Material, Science, 1992, 257, p 219. 5. Z. Huang y F. Tang, Preparation, Structure and Magnetic Properties of Polystyrene Coated by Fe3O4 Nanoparticles, Journal of Colloid and Interface Science, 2004, 275, p 142. 6. D. Rabelo, E. C. Lima, A. C. Reis, W. C. Nunes, M. A. Novak, V. K. Garg, A. C. Oliveira y P. C. Morais, Preparation of Magnetite Nanoparticles in Mesoporous Copolymer Templete, Nanoletters, 2001, 1, p 105. 7. S. S. Andrade, D. Rabelo, V. K. Garg, A. C. Oliveira, P. C. Morais, Synthesis of Magnetite Nanoparticles in Hydriphobic Styrene-Divylbenzene Copolymer Templates, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2005, 289, p 25. 8. R. M. Cornell y U. Schwertmann, The Iron Oxides: Structure, Properties, Reactions, Occurrences and Uses, Wiley-VCH, Weinheim, Alemania, 2003, 2a edición, p 172-177. 9. V. A. González, Mezclas de Polímeros con Interacciones Especificas, Quitina y Quitosán con Poliamidas, Tesis Doctoral, UANL, FIME, 1996, p 74, 75. 10. D. Cheng, X. Zhou, H. Xia y H. S. O. Chan, Novel Method for Preparation of Polymeric Hollow Nanospheres Containing Silver Cores with Different Sizes, Chemistry of Materials , 2005, 17, p 3581. 20 11. C. W. Jung y P. Jacobs, Physical and Chemical Properties of Superparamagnetic Iron Oxides MR Contrast Agents: Feruoxides, Ferumoxtran, Ferumoxsil, Magnetic Resonace Imaging, 1995, 13, p 661. 12. H. P. Klug, L. E. Alexander, X-Ray Diffraction Procedures for Polycrystaline and Amorphous Materials, John Wiley & Sons Inc., Nueva York, 1974, 2ª edición, p 687-690. 13. A. S. Edelstein y R. C. Cammarata, Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications, Series in Micro and Nanoscience and Technology, Institute of Physics, Londres, Inglaterra, 1996, 1a edición, p 352-360. 14. T. Kim, L. Reis, K. Rajan, M. Shima, Magnetic Behavior of Iron Oxide Nanoparticles – Biomolecule Assembly, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2005, 295, p 132. 15. W. D. Callister, Jr, Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Editorial Reverté S. A., Barcelona, España, 1996, 3a edición, p 695-703. 16. R. C. O’Handley, Modern Magnetic Materials, Principles and Aplications, John Wiley & Sons Inc., Nueva York, 2000, 1a edición, p 303-307. 17. C. E. Sjögren, C. Johansson, A. Naevestad, P. C. Santum, K. Briley-Saebo y A. K. Fahlvik, Crystal Size and Properties of Superparamagnetic Iron Oxides (SPIO) Particles, Magnetic Resonance Imaging, 1997, 15, p 55. 18. D. Thapa, V. R. Palkar, M. B. Kurup y S. K. Malik, Properties of Magnetite Nanoparticles Synthesized Through a Novel Chemical Route, Material Letters, 2004, 58, p 2692. 19. P. Ayyub, V. R. Palkar, S. Chattopadhyay y M. Multani, Effect of Crystal Size Reduction on Lattice Symmetry and Cooperative Properties, Physical Review B, 1995, 51, p 6135. 20. V. R. Palkar, P. Ayyub, S. Chattopadhyay y M. Multani, Size-Induced Structural Transitions in the Cu-O and Ce-O Systems, Physical Review B, 1996, 53, p 2167. 21. S. Chattopashyay, P. Ayyub, V. R. Palkar y M. Multan, Size-Induced Diffuse Phase Transition in Nanocrystalline Ferroelectric PbTiO3, Physical Review B, 1995, 52, p 13177. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Análisis de esfuerzos en un apero de tracción animal, empleando métodos experimentales y numéricos Antonio González López,A Fidel Diego Nava,B Gabriel Villa y Rabasa,A Alfonso Campos VázquezC ESIME Zacatenco, IPN CIIDIR Unidad Oaxaca, IPN C UPIITA, IPN aglopez@ipn.mx, fdiego@ipn.mx A B RESUMEN En muchos sitios aún se realiza la labranza utilizando animales de tiro. En este trabajo se llevó a cabo el estudio estático de un apero de tracción animal utilizando análisis de elemento finito para determinar los esfuerzos y las deformaciónes a las que está sometido durante la labranza. Se diseñó un sistema de soportes para poder simular la carga del apero durante el tiro y validar el análisis, el cual permite predecir la resistencia de la herramienta en diferentes tipos de suelo. PALABRAS CLAVE Apero, reja, esfuerzos, deformaciones, elementos finitos. ABSTRACT There are still many places where farming with pulling animals is employed. A static study of a plow, pulled by animals, by means of finite element analysis for determining stress and deformation in the plow during farming was carried out in this work. A supporting system was designed for simulating the load in the plow during pulling and validates the analysis, which allows predicting the resistance of such tool in different kinds of soil. KEYWORDS Plow, plowshare, stress, deformation, finite element. INTRODUCCIÓN Debido a la problemática que representa el uso de tractores en el estado de Oaxaca, particularmente en la región conocida como los Valles Centrales, se presenta un proyecto de construcción de un apero de tracción animal para el Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional, (CIIDIR) Unidad Oaxaca del Instituto Politécnico Nacional. Las tierras de cultivo de los campesinos que habitan en esas regiones no cuentan con una topografía Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 21 �Análisis de esfuerzos en un apero de tracción animal, empleando métodos... / Antonio González López, et al bien definida, los terrenos son irregulares, muy pequeños y la mayoría de ellos son parcelas de difícil acceso o se encuentran en pendientes elevadas. La forma en que los campesinos surcan sus terrenos, es con la ayuda de animales de labranza y un apero de madera. Este trabajo se propone desarrollar una herramienta que sea liviana para los animales y el campesino, además de resistente, utilizando métodos de elementos finitos, siguiendo la experiencia de otros trabajos.1,2 Primero se toman medidas de una herramienta de labranza de tracción animal llamada surcadora y enseguida se digitaliza un modelo tridimensional del apero. Luego se introducen los datos de las propiedades mecánicas del elemento. Finalmente se establecen las condiciones de carga y frontera.3 Se realiza el ánalisis de esfuerzos y deformaciones sobre el modelo geométrico para determinar los puntos críticos y así hacerlo confiable. Se propone evaluar los esfuerzos y las deformaciones en el modelo mediante análisis estático basado en el Método del Elemento Finito utilizando paquetes de cómputo comerciales.4 Es importante introducir en los cálculos las propiedades mecánicas reales de los materiales que se utilicen, ya que de éstas depende en gran parte, la confiabilidad de los resultados obtenidos. Se le colocaron al prototipo desarrollado (figura 1) unas galgas extensométricas y se le aplicaron cargas mediante una prensa de 10 Ton, con un dispositivo acoplado para simular una carga repartida en la punta del prototipo. Al final los datos de ambos sistemas fueron comparados para corroborar resultados. El objetivo de este trabajo es el desarrollar una metodología para la evaluación de esfuerzos y deformaciones de la herramienta de labranza para fines de diseño. DESARROLLO EXPERIMENTAL El análisis de todo el sistema de labranza requeriría de gran capacidad de cómputo. Por lo tanto, se centró el análisis sólo a la parte de la herramienta que se encarga de hacer los surcos en la tierra, la reja, y las condiciones de frontera en la articulación simulan el efecto producido por todo el conjunto. El apero está formado por una placa sólida con una geometría compleja, cuyo espesor es de 7 mm. Las propiedades mecánicas del material de la herramienta, son mostradas en la tabla I. También se considera que el material utilizado es isotrópico, continuo, lineal, elástico y homogéneo.5 La tabla II muestra el peso y la fuerza aplicado en la sección. Para cualquier análisis que se lleve a cabo bajo la técnica mencionada anteriormente, el punto inicial debe ser un modelado óptimo de la estructura, para obtener los resultados que se apeguen más a la realidad. Se debe considerar que al modelar sólo la herramienta, sin considerar la estructura en la cual se encuentra montado el apero se está omitiendo un elemento que afecta la rigidez. Tabla I. Propiedades mecánicas del material del apero. Material AISI 1020 Módulo de elasticidad 2 x 109 Pa Módulo de rigidez 79.3 x 109 Pa Relación de Poisson 0.29 Resistencia de fluencia 350 MPa Tabla II. Pesos y fuerzas en los componentes. Fig. 1. Diseño de la herramienta de labranza con el software ANSYS. 22 Masa 2.8 Kg Fuerza aplicada 150 N aplicada uniformemente en la base de corte del modelo Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Análisis de esfuerzos en un apero de tracción animal, empleando métodos... / Antonio González López, et al En la figura 2 se muestra el mallado de la herramienta que quedó constituido por 6873 nodos con 6 grados de libertad, cada uno de los cuales genera 6875 elementos. Se consideró que los puntos de apoyo se encuentran en las bases donde se monta la herramienta, esto se ilustra en la figura 3. En las bases se tienen solamente desplazamiento en el eje “X” y rotación en “Y”, esto representa el movimiento axial y rotacional existente en la herramienta. Por otra parte, en la articulación entre la herramienta y el bastón que sujeta dicha pieza, se tiene rotación respecto a los ejes “Y” y “Z” quedando restringidos los desplazamientos en todas las direcciones y la rotación sobre el eje “X”, simulando de esta manera el funcionamiento real de dicha articulación. RESULTADOS OBTENIDOS DEL ANÁLISIS ESTÁTICO Los desplazamientos bajo condiciones de carga estática, se muestran en la figura 4, siendo los máximos de 0.823 mm. Además bajo esta condición de carga se presentan corrimientos de menor escala ubicados en todo el elemento de la estructura de 0.379 mm. Fig. 4. Desplazamiento del apero en condiciones de carga estática. Fig. 2. Malla de elementos finitos de la herramienta de labranza. Fig. 3. Modelo de elementos finitos mostrando las condiciones de frontera. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 Este patrón de deformación era el esperado, debido a que la herramienta de labranza entra en la tierra y el arrastre de los animales de trabajo se encuentra en la parte frontal, de ahí que la punta del apero sea una de las zonas más críticas o con mayor deformación. Para evaluar la severidad de los esfuerzos, se empleó como posible criterio de falla el máximo esfuerzo principal. Se considera este criterio, ya que se puede presentar una falla catastrófica cuando el material pierde su ductilidad (se fragiliza), siendo este parámetro un indicador de cuales son los puntos más propensos, donde pudiera generarse fallas y grietas. Por otra parte, el mayor valor del máximo esfuerzo principal que se presenta sobre la herramienta, para este caso de estudio, es de 4511 Pa, localizado en la cara superior del apero, en la parte en la cual se inserta la varilla de sujeción, como se puede apreciar con más detalle en el acercamiento de la figura 5. Bajo condiciones estáticas, y de acuerdo a los resultados obtenidos se puede decir que la estructura es segura. 23 �Análisis de esfuerzos en un apero de tracción animal, empleando métodos... / Antonio González López, et al Fig. 5. Acercamiento de la zona de máximo esfuerzo principal en condiciones de carga estática. PRUEBA DE COMPRESIÓN Y EXTENSOMETRÍA DE LA HERRAMIENTA DE LABRANZA PARA ARADO La prueba se realizó en una máquina universal de ensayos utilizando accesorios como mordazas y mesa plana para el montaje de la pieza de prueba (figura 6), con una capacidad de 10 Ton, y un software de adquisición de datos. También se utilizó para la experimentación extensométrica una consola donde se conectaron las galgas de la roseta rectangular utilizada. El ensayo se realizó de acuerdo a los pasos que involucran los aditamentos de sujeción, pegado de rosetas, prueba de compresión, prueba extensométrica y registro de la información indicada por los instrumentos de medición.6 De manera general, primeramente se diseñaron y fabricaron el apoyo y perno de sujeción para montar el apero en la máquina universal. Se realizó la calibración del indicador de deformación para iniciar la prueba y tomar lectura de las microdeformaciones indicadas por el equipo; las cuales se presenta ordenadas en la tabla III. El siguiente paso consiste en calcular las deformaciones principales presentes en el apero con la carga correspondiente. Para definir el ángulo en el cual se encuentran las galgas es necesario definir su posición. Cuando el eje X del plano cartesiano coincide con el eje de referencia de la galga, el plano cartesiano de las deformaciones es el siguiente: y se cumple que: ε x = ε1 ε y = ε3 τ xy = 2ε 2 − (ε1 + ε 3 ) CÁLCULO DE LA DIRECCIÓN DE LAS DEFORMACIONES PRINCIPALES Las ecuaciones para el cálculo de las deformaciones principales del arreglo de tres rosetas están dadas por lo que se conoce como la relación de la “transformada de deformación”, la cual es empleada de una forma muy simple, que está dada por la relación de la deformación normal en cualquier dirección del plano de prueba en términos de dos deformaciones principales y el ángulo del eje principal en dirección de la deformación medida.7 Como puede observarse en el círculo de Mohr de la figura 7, la deformación normal en cualquier ángulo θ del eje principal es expresado por: Fig. 6. Vista de la máquina universal con la herramienta montada 24 εθ = ε p + εg 2 + ε p − εg 2 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Análisis de esfuerzos en un apero de tracción animal, empleando métodos... / Antonio González López, et al Tabla III. Microdeformaciones medidas con cada galga. Roseta Galga A 1 B C Roseta Galga A 2 B C Ángulo de referencia 45º 0º 90º Carga Nominal Aplicada ε1 ε2 ε3 150 Kgf 152,2 -492 -485 7 150 Kgf 151,4 -492 -485 7 150 Kgf 151,2 -492 -485 7 150 Kgf 152,1 -492 -485 7 150 Kgf 150,6 -492 -483 9 150 Kgf 150,8 -492 -482 10 150 Kgf 151,1 -492 -483 9 150 Kgf 150,9 -492 -482 10 150 Kgf 151,8 -493 -482 11 150 Kgf 151,2 -493 -482 11 150 Kgf 152,3 -493 -483 10 150 Kgf 150,3 -493 -482 11 Carga Ángulo de referencia 45° 0° 90° Microdeformación Nominal Microdeformación Aplicada ε1 ε2 ε3 150 Kgf 150,5 -492 -489 3 150 Kgf 150,7 -492 -489 3 150 Kgf 151,4 -492 -489 3 150 Kgf 152 -492 -489 3 150 Kgf 151,8 -492 -491 1 150 Kgf 150,6 -492 -490 2 150 Kgf 150,4 -492 -491 1 150 Kgf 151,5 -492 -491 1 150 Kgf 152,7 -493 -480 13 150 Kgf 151,8 -493 -481 12 150 Kgf 150,8 -493 -481 12 150 Kgf 150,9 -493 -480 13 Fig. 7. Círculo de Mohr para el cálculo de deformaciones principales. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 Fig. 8. Arreglo de las rosetas de referencia. 25 �Análisis de esfuerzos en un apero de tracción animal, empleando métodos... / Antonio González López, et al La figura 8, representa una pequeña área con las rosetas instaladas en la superficie de prueba y con la roseta de referencia (A) orientada a θ grados de ε p, por lo que el círculo de Mohr, es construido como se muestra en la figura 9. Fig. 10. Círculo de Mohr de la roseta 1, galga A con ángulo de referencia de 45ª. Fig. 9. Círculo de Mohr para obtener las deformaciones principales. Con esto se pueden obtener las deformaciones principales, para el arreglo de las rosetas de deformación, utilizando las siguientes expresiones matemáticas: ε1 = ε2 = ε3 = ε p + εg 2 ε p + εg 2 ε p + εg 2 + + + ε p − εg 2 ε p − εg 2 ε p − εg 2 Cos 2θ Cos 2 (θ + 45) Fig. 11. Círculo de Mohr de la roseta 2, galga B con ángulo de referencia de 0ª. Cos 2 (θ + 90) En la tabla IV se comparan los valores obtenidos de los análisis experimentales y numéricos: De lo anterior se procede al cálculo de las deformaciones en el apero con auxilio del círculo de Mohr, obteniéndose los resultados mostrados en las figuras 10 y 11. Una vez obtenidos estos valores, se procede al cálculo de los esfuerzos en el apero con ayuda de la ley de Hooke, obteniéndose: σ max = Eε = 4474.4 Tensión σ min = Eε = −1513.6 Compresión 26 Tabla IV. Comparación de los valores experimentales y calculados. Método σ tensión σ compresión Experimental 4474.4 -1513.6 Numérico 4511 -1216 Como se puede observar, los esfuerzos son similares. Si se toma como ideal el análisis numérico, el porcentaje de error entre ambos métodos es: e=0.407% para la tensión y e=10.9% para la compresión, lo que lleva a confiar en ambos métodos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Análisis de esfuerzos en un apero de tracción animal, empleando métodos... / Antonio González López, et al CONCLUSIONES Se desarrolló una metodología de análisis con la cual se pueden calcular los esfuerzos estáticos en aperos de tracción animal utilizando el Método del Elemento Finito. Como herramienta principal, para lograr este objetivo se utilizó una computadora y un software especializado debidamente validado para resolver problemas estructurales con geometrías simples o complejas. Sin embargo, no es suficiente tener un paquete de cómputo que se base en el Método del Elemento Finito para poder resolver este tipo de problemas, ya que existen múltiples dificultades asociadas a la solución de esta problemática, como pueden ser, la discretización adecuada del medio continuo, la introducción de los datos de las condiciones de frontera reales en el programa, tomando en cuenta las dimensiones del modelo así como su funcionamiento, para obtener resultados con un margen de error mínimo y así poder aprovechar la capacidad del equipo de cómputo. Los resultados muestran que la estructura analizada es confiable bajo las condiciones de carga estática consideradas. Por otra parte cabe mencionar que las condiciones reales, son menos críticas que las tomadas para los casos de estudio. En base a los resultados obtenidos en este trabajo, se concluye que los esfuerzos y deformaciones generados durante el trabajo de labranza no llevan a falla. Pudiera asumirse que el desgaste por la abrasión entre el suelo y la herramienta de labranza es una de las causas de la falla puesto que al disminuir el espesor de la herramienta, se reduce la resistencia a la tracción y compresión de la pieza. Además, cabe mencionar que existen otros factores no considerados que pueden disminuir la vida útil de ésta, como lo es la corrosión, o fisuras internas, así como el cambio de las propiedades mecánicas del material debido al endurecimiento por Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 fatiga del mismo, por impactos contra piedras y una gran variedad de condiciones de uso cotidiano. En resumen, el análisis de esfuerzos mediante el método empleado en este trabajo permite predecir con bastante precisión la resistencia de una herramienta de labranza en cualquier tipo de suelo. Esto quiere decir que podemos disminuir las dimensiones del modelo hasta llegar a encontrar cuales son las dimensiones mínimas cuando todavía la herramienta puede resistir las cargas del suelo. Si se establece una tasa de desgaste, entonces se pueden establecer las horas de trabajo de la herramienta sin roturas. Así se pueden predecir la vida útil de la herramienta y evitar paros imprevistos de las labores de labranza. REFERENCIAS 1. Diego, F. 2004. Interacción mecánica entre el apero y suelo para los Valles Centrales de Oaxaca. Reporte técnico de Investigación del proyecto CGPI 20040087. CIIDIR Unidad Oaxaca, IPN, Oaxaca, México. 2. Villa, Gabriel. 2002. Evaluación numéricoexperimental de esfuerzos en elementos mecánicos y óseos. Reporte técnico de Investigación del proyecto CGPI 20021131. ESIME Zacatenco IPN, México, D.F. 3. Saeed Moaveni. Finite element analysis: Theory and application with ANSYS. Minnesota State University, Mankato. Prentice Hall. 1999. 4. ANSYS User’s Manual. Swanson Analysis System, Inc., Vol. I and IV Theory and procedure. 1992. 5. Robert L. Mott. Diseño de elementos de máquinas (segunda edición), Ed. Prentice Hall. 1992. 6. James W. Rally 2005. Experimental Stress Analysis, Mc Graw Hill, USA. 7. Riley, Sturges & Morris, Mecánica de Materiales, 1ª edición, Limusa Noriega, México, 2001, ISBN 968-18-5912-X. 27 �Nuevos vidrios del sistema Li2S-Sb2S3-P2S5 para aplicación en microbaterías de litio Zoulfia Nagamedianova, Eduardo Maximiano Sánchez Cervantes Facultad de Ciencias Químicas, UANL info_labiv@yahoo.com RESUMEN Actualmente existe un gran interés hacia los vidrios sulfuros debido a la alta conductividad promovida por el ión litio. En el presente trabajo se expone un estudio sobre los nuevos vidrios basados en el sistema Li2S-Sb2S3 que son conductores iónicos de litio con posible aplicación en las baterías de estado sólido. La síntesis de vidrios fue realizada por el método de fusión-templado. Y su formación fue confirmada mediante difracción de rayos X (DRX) y calorimetría diferencial de barrido (DSC). Se llevó a cabo análisis de espectroscopía de impedancia para evaluar sus conductividades. La conductividad iónica alcanzó valores hasta 10-6 S/cm a temperatura ambiente que permite ubicarlos como conductores sólidos para posibles aplicaciones en microbacterías. Además, se reportaron los valores de energía de activación, Ea, los factores preexponenciales, σ 0, y el modelo del circuito equivalente R(RQ)(RQ). PALABRAS CLAVE Baterías de litio, conductores iónicos sólidos, vidrios sulfuros, espectroscopía de impedancia. vidrio parc/crist. crist. ABSTRACT There is a great interest in sulfide glasses because of their high lithium ion conductivity. This work presents the study of the new glasses based on Li2SSb2S3 system which are the ionic lithium conductors with possible application in solid state batteries. The synthesis of glasses was performed by classical quenching technique, and their formation was confirmed by X-ray diffraction (DRX), and differential scanning calorimetry (DSC). Conductivity of the samples was determined by impedance spectroscopy. Ionic conductivity was as high as 10-6 S/cm at room temperature, which permits to consider them as solid conductors that could be applied for microbateires. In addition, the values of activation energy, Ea, pre-exponential factors, σ 0, and circuit equivalent model R(RQ)(RQ) were reported. KEYWORDS Lithium batteries, solid ionic conductors, sulfide glasses, impedance spectroscopy. 28 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �INTRODUCCIÓN En los últimos años se presenta un gran interés por el estudio de los sólidos conductores iónicos, la aplicación de los cuales como electrólitos en las baterías de estado sólido es de suma importancia tecnológica. Las baterías de litio tienen una posición importante en el mercado debido a sus características destacables, como alta densidad energética (figura 1), altos potenciales y bajas descargas, lo que resulta en sus aplicaciones exitosas en equipos portátiles como celulares y “laptops”.1 Hoy en día, continúa la investigación y el desarrollo de nuevos materiales, diseños y métodos de fabricación para las baterías de litio con objeto de mejorar sus características técnicas. Entre las tareas actuales la búsqueda de un buen electrolito sólido de litio es muy importante. Las baterías convencionales de litio contienen un electrolito líquido (generalmente una solución orgánica de sal de litio) que proporciona buenos contactos con los electrodos sólidos y altas conductividades iónicas, sin embargo, también tiene desventajas importantes como la formación de dendritas y capas pasivas en la interfase electrodo/ electrolito, corrosión de los electrodos, evaporación y descomposición de solventes, los que originan mal funcionamiento de la batería.2 El uso de un conductor iónico sólido como electrolito podría evitar ese tipo de dificultades. La mayor parte del estudio de la conductividad iónica en sólidos durante los últimos años se ha realizado sobre materiales vítreos, lo que se debe a que los materiales amorfos presentan ventajas ante los conductores sólidos cristalinos, como la isotropía de la conductividad iónica, la ausencia de las fronteras de grano y facilidad de obtención en película delgada para fabricación de baterías compactas.3 De tal suerte que los vidrios con litio han sido estudiados intensivamente durante los últimos 20 años, y se ha demostrado que las mejores conductividades iónicas de ion litio se presentan en los vidrios sulfuros,4 alcanzando valores a temperatura ambiente hasta 10-3 S/cm para el sistema de LiI- Li2S-P2S55 ó 1.78.10-3 S/cm para el sistema de LiI-Li2S-SiS26 entre otros. En esta contribución se reporta la formación de vidrios en el sistema Li2S-Sb2S3 y su caracterización térmica, estructural y electroquímica. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 Densidad de energía (W H kg-1) Nuevos vidrios del sistema Li2S-Sb2S3-P2S5 para aplicación... / Zoulfia Nagamedianova, et al 200 Batería de Alta densidad ligero Li-baterías recargables 150 100 50 Batería de larga vida Ni/Cd Pb-acido Ni/MH 100 200 pequeño 300 400 Densidad específica (W H dm-3) Fig. 1. Comparación de las densidades energéticas de diferentes baterías recargables. CONDICIONES EXPERIMENTALES Síntesis de los vidrios Para preparar los vidrios sulfuros se utilizan varias metodologías, la mayoría de las cuales se caracterizan, por un lado, por altas velocidades de enfriamiento, debido a que muchos de ellos tienden a una fácil cristalización, y por el otro lado, por la necesidad de controlar una atmósfera inerte y seca para evitar la oxidación e hidrolizado de los reactivos y de los productos. Se utiliza la técnica tradicional de “fusión-templado” que consiste en fundir la mezcla de reactivos y templarla (enfriarla rápidamente) en un agente frío, por ejemplo, agua helada o nitrógeno líquido. Los reactivos utilizados fueron los sulfuros de litio (Li2S, 99.9%), de antimonio (Sb2S3, 98%) y de fósforo (P2S5, 99%), yoduro de litio anhídrido (LiI, 99.93%) y fosfato de litio (Li3PO4). El manejo de los reactivos se realizó con la técnica de tubo de cuarzo sellado en vacío y recubierto con carbono amorfo.7, 8 Los tubos sellados con la mezcla de reactivos en el interior se calentaron entre 9001100°C durante períodos entre una media y una hora y se templaron en nitrógeno líquido. Para determinar la naturaleza vítrea de las muestras preparadas se emplearon tres técnicas complementarias: a) Microscopio Estereoscópico (ME), para observación de la apariencia brillante de las muestras vítreas; 29 �Nuevos vidrios del sistema Li2S-Sb2S3-P2S5 para aplicación... / Zoulfia Nagamedianova, et al b) Difracción de Rayos X (DRX) para definir la estructura amorfa (CuK α , λ = 1.5418 A); c) Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) para determinar la temperatura de transición vítrea que fue el criterio más importante para definir si la muestra era un vidrio. Las composiciones vítreas están reportadas en el diagrama ternario presentado en la figura 2. Caracterización de la conductividad por EIS Las conductividades eléctricas de las muestras fueron determinadas mediante Espectroscopía de Impedancias (EIS), (por sus siglas en inglés), utilizando un Potenciostato PCI 4/750 equipado con un circuito de Análisis de Respuesta por Frecuencias (FRA, por sus siglas en inglés) el cual fue controlado con una computadora utilizando el paquete de software EIS-300 (Gamry Instruments). Los espectros se obtuvieron con un barrido de frecuencias desde 100 kHz hasta 0.2 Hz aplicando el voltaje alterno de baja amplitud de 10mV a las muestras presionadas en forma de pastilla circular delgada recubiertas de oro y en la atmósfera de N2 (figura 3). Las dimensiones de las pastillas fueron de 5 mm de diámetro y alrededor de 0.5 mm de espesor, medidas con exactitud con el microscopio estereoscópico para calcular el parámetro de la celda, K = t/A, donde t es el espesor y A es el área de la pastilla. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Conductividad electrónica e iónica Las composiciones preparadas, para la caracterización electroquímica que fueron escogidas, son: a) Li2S–Sb2S3 sistema binario, 3 muestras: Sb2S3 puro, cristalino y vítreo, que en su forma cristalina se reporta como un semiconductor y 0.10Li2S–0.90Sb2S3, e,l vidrio más estable del sistema binario; b) Li2S–P2S5–Sb2S3 sistema ternario: las composiciones circuladas en el diagrama ternario (figura 2) correspondientes a xLi2S–(1-x)[0.4P2S5–0.6Sb2S3], x=0-0.50, debido a la continuidad del aumento del contenido de Li2S hasta el valor máximo obtenido para 50% molar; c) yLiI-(1-y)(Li2S–P2S5–Sb2S3) sistema dopado, y = 0.05, 0.10; d) yLi3PO4-(1-y)(Li2S–P2S5–Sb2S3) sistema dopado, y = 0.05, 0.10. DRX AM OR FO a) DSC Transición vítrea Tg b) Microscopio vidrio parc/crist. crist. BR I LLAN TE c) d) Fig. 2. Definición de las composiciones vítreas en el sistema Li2S-Sb2S3-P2S5: a) Mediante difracción de rayos X; b) Mediante análisis térmico DSC; y c) Mediante microscopía estereoscópica; d) Diagrama ternario de las muestras analizadas. 30 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Nuevos vidrios del sistema Li2S-Sb2S3-P2S5 para aplicación... / Zoulfia Nagamedianova, et al V ~ A φ a) b) A t muestra muestra c) d) Fig. 3. Esquema de la medición de conductividad mediante la técnica EIS: a) Esquema de medición de señales alternas de voltaje y corriente; b) Voltajes y corrientes alternas; c) Colocación de muestra en la celda de medición; d) Medición de impedancias. 2M -Z´´, Ω 90°C 1M 109°C 135°C 0 0 1M 2M Z´, Ω 3M 4M 1,0M -Z´´, Ω El análisis de los espectros CA de las muestras estudiadas en el plano complejo de impedancia Nyquist (figura 4) permitió: a) observar dos tipos de conductividad: eléctronica como para Sb2S3 puro (figura 4a) e iónica como para el caso de vidrio 0.5Li2S–0.5[0.4P 2S 5– 0.6Sb2S3] (figura 4b). Esto se determinó por la forma de gráfica: un semicírculo sin espiga indica que no existe el bloqueo de los portadores de carga en la superficie con el electrodo de oro que es el caso de los electrones; y un semicírculo con aparición de la espiga corresponde al bloqueo de los iones en los electrodos bloqueantes de oro; b) calcular las conductividades CD a diferentes temperaturas (en el intervalo 25°C – ~120°C), σ CD (T), mediante la fórmula: σ CD = t ⋅ 1 (1) 37°C 500,0k A RCD donde t/A es el parámetro de la celda, RCD es la resistencia óhmica de la muestra que se determinó por intersección del semicírculo en el plano complejo de impedancias, Z´ – Z´´, con el eje real Z´. El resumen de los estudios EIS se presenta en la tabla I. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 63°C 0,0 0,0 500,0k 1,0M Z´, Ω 1,5M 2,0M Fig. 4. Espectro CA en el plano Nyquist para: a) Conductor electrónico Sb2S3 vítreo; b) Conductor iónico 0.5Li2S–0.5[0.4P2S5–0.6Sb2S3] vítreo. 31 �Nuevos vidrios del sistema Li2S-Sb2S3-P2S5 para aplicación... / Zoulfia Nagamedianova, et al Tabla I. Resumen de propiedades de transporte eléctrico. N° Composición x, Li2S y, dop σ DC, 25°C S/cm Ea eV - (5.8±0.2).10-9 (2.7±0.1).10-9 (7.9±0.2).10-11 0.66±0.01 0.54±0.02 0.73±0.02 1.89 0.74 1.19 log σ0 A0 A1 A3 xLi2S-(1-x)Sb2S3 Sb2S3 crist Sb2S3 vítreo 0.10Li2S-0.90Sb2S3 0 0 0.10 D1 D2 D3 D4 D5 xLi2S-(1-x)[0.4P2S5-0.6Sb2S3] 0.1Li2S-0.9[0.4P2S5-0.6Sb2S3] 0.2Li2S-0.8[0.4P2S5-0.6Sb2S3] 0.3Li2S-0.7[0.4P2S5-0.6Sb2S3] 0.4Li2S-0.6[0.4P2S5-0.6Sb2S3] 0.5Li2S-0.5[0.4P2S5-0.6Sb2S3] 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 - (1.3±0.1).10-9 (7.6±0.3).10-9 (6.1±0.2).10-8 (1.6±0.1).10-7 (4.2±0.1).10-7 0.64±0.03 0.69±0.02 0.61±0.02 0.61±0.03 0.58±0.02 1.37 2.75 2.53 2.61 3.10 G2 G4 yLiI-(1-y)[0.5Li2S-0.2P2S5-0.3Sb2S3] 0.05LiI-0.95[D5] 0.10LiI-0.90[D5] 0.475 0.450 0.05 0.10 (4.1±0.1).10-7 (5.2±0.3).10-7 0.59±0.02 0.55±0.01 3.05 2.10 H1 H2 yLi3PO4-(1-y)[0.5Li2S-0.2P2S5-0.3Sb2S3] 0.05Li3PO4-0.95[D5] 0.10Li3PO4-0.90[D5] 0.475 0.450 0.05 0.10 (3.7±0.2).10-7 (8.0±0.4).10-8 0.58±0.02 0.63±0.03 3.14 3.06 - E f e c t o d e l a t e m p e ra t u ra s o b r e l a conductividad El análisis de las conductividades en función de la temperatura permitió determinar que todas las muestras estudiadas presentan el comportamiento lineal de tipo Arrhenius, lo cual permitió calcular los valores de energía de activación (pendiente de las gráficas, -Ea/R) y de factores preexponenciales (log σ 0, cuando 103/T → 0) resumidos en la misma tabla I. Por un lado se puede ver que el Sb2S3 cristalino, el Sb2S3 vidrio, y el 0.1Li2S–0.9Sb2S3 vidrio son unos conductores electrónicos con las conductividades específicas bajas. Por otro lado vemos que la conductividad electrónica presente en Sb2S3 cristalino y vítreo se reduce drásticamente con la adición de 10% de Li2S. Este comportamiento se esperaba debido a los reportes previos de otros sistemas14 donde la adición de los iones a un conductor electrónico reduce al inicio la conductividad y después a más altos contenidos del ión presenta un aumento de conductividad debido al movimiento de los iones. 32 Tipo Nyquist El análisis de las mediciones de impedancias de xLi2S–(1-x)[0.4P2S5–0.6Sb2S3] (composiciones D1D5, tabla I) indica que la conductividad específica de las muestras depende en gran medida del contenido de Li2S: a) Aumenta en cuanto el contenido de Li2S aumenta alcanzando el valor máximo a temperatura ambiente σ 25°C = 4.2•10 -7 S/cm para x = 0.50. b) Cambia la naturaleza de conductividad – de electrónica, cuando el contenido de Li2S es 10%-20% molar, a iónica a mayores cantidades de sulfuro de litio en el vidrio, 30%-50% molar; este cambio se refleja no solamente en las conductividades, sino también en los valores de energías de activación y en los factores preexponenciales. En cuanto a los vidrios dopados con LiI y Li3PO4 (composiciones G2, G4, H1, H2) las conductividades presentadas son de carácter iónico y obedecen la ley de Arrhenius en función de las temperaturas. Sin embargo, el aumento de conductividad no es significante. Las energías de activación y de factores Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Nuevos vidrios del sistema Li2S-Sb2S3-P2S5 para aplicación... / Zoulfia Nagamedianova, et al preexponenciales también son muy similares al vidrio de partida 0.5Li2S–0.5[0.4P2S5–0.6Sb2S3] (tabla I). Por otro lado, la comparación de las conductividades máximas obtenidas ~ 10-7–10-6 S/cm para el sistema Li2S–P2S5–Sb2S3 no son tan altas como para otros sistemas que son conductores iónicos rápidos. Esto permite ubicar a los vidrios obtenidos con 40% y 50% de Li2S dentro de la clase de conductores iónicos de litio medianos similares al sistema de Li2S-As2S3.11 Al comparar las energías de activación se puede notar que las Ea´s del Li2S-Sb2S3-P2S5 son del orden de las de los otros vidrios sulfuros (0.3–0.6 eV), lo que se justifica por la naturaleza de las estructuras desordenadas de los vidrios que disponen de los numerosos sitios disponibles para los cationes alcalinos. Sin embargo, se nota que en el sistema estudiado las energías de activación son un poco mayores, lo que se refleja en las conductividades más bajas de los vidrios estudiados. Además, se puede ver que la tendencia de la disminución de Ea con el aumento de los iones móviles es similar a los demás sistemas, aunque estos cambios no son muy fuertes lo que indica que el mecanismo de conducción es independiente de la concentración de los cationes en los intervalos reportados.10 Modelado de circuito equivalente R(RQ)(RQ) Se realizó el modelado de un circuito equivalente, para la composición 0.5Li2S–0.5[0.4P2S5–0.6Sb2S3]. Los resultados del modelado para los datos de diferentes temperaturas (25-137°C) se presentan en la figura 5 (plano Nyquist) donde el ajuste se ha realizado con el circuito equivalente R(R1Q1)(R2Q2) en paralelo, también reportado para otros conductores iónicos con electrodos bloqueantes; 12, 13 donde R representa la resistencia interna del equipo de medición EIS (valor fijo de 26 Ω ), R1Q1 – los procesos de conductividad iónica y polarización dentro del material y R2Q2 – los procesos del bloqueo de los iones Li+ en los electrodos de oro. Los resultados de ajuste – los valores R, R1, R2, Y1/n1 y Y2/n2 se reportan en la tabla II. I WW R Q R vvvv vvvv R1 R2 W R2 10mV Q2 W Q vvvv Q1 ∼ R1 V electrodos I A 50k 800,0k 40k -Z´´, Ω 600,0k -Z´´, Ω 30k 400,0k 20k 24°C 137°C 37°C 200,0k 10k 93°C 0 0 10k 20k 30k 40k 50k 63°C 60k 70k -Z´´, Ω 80k 90k 0,0 0,0 500,0k 1,0M 1,5M 2,0M -Z´´, Ω Fig. 5. Gráficas Nyquist para 0.5Li2S–0.5[0.4P2S5–0.6Sb2S3] vidrio a distintas temperaturas con ajustes (líneas sólidas) al modelo R(R1Q1)(R2Q2). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 33 �Nuevos vidrios del sistema Li2S-Sb2S3-P2S5 para aplicación... / Zoulfia Nagamedianova, et al Tabla II. Parámetros de ajuste de 0.5Li2S-0.2P2S5-0.3Sb2S3 vidrio al circuito equivalente R(RQ)(RQ). T, °C R R1 * R1 R2 Y1/n1 S ω rad/s C1 F 60 M 815 pS 0.704 2k.2 π 50.4 pF 950 k 150 M 655 pS 0.722 5.0 k.2 π 238 k 10 M 2.090 nS 0.675 Ω Ω Ω Ω 24 26 1715 k 1700 k 37 26 959 k 63 26 238 k 93 26 44.3 k 45.47 k 1.460 M 26 6.495 k 6.395 k 0.069 M Y2/n2 S ω C2 F Parámetro de ajuste 1.572 μ S < 1 m . 2 π 0.538 lim. detec - 12.4.10-3 37.5 pF π 1.614 μ S < 1 m . 2 lim. detec 0.548 - 8.63.10-3 15.1k.2 π 51.2 pF π 3.644 μ S < 1 m . 2 lim. detec 0.590 - 3.28.10-3 3.311 nS 0.674 88.0 k - 2 π 44.5 pF 7.31 μ S 4.63m*.2 π 0.672 23.3 0.786.10-3 1.023 nS 0.783 640k* .2 π 37.7 pF 35.63 μ S 34.5m*.2 π 0.553 70.6 1max 2max rad/s μF 0.126.10-3 μF R1* - los valores de resistencia del electrolito obtenidos por la intersección del semicírculo con el eje real Z´. ω max** - los valores simulados en ZDemo con los parámetros de ajuste en el intervalo teórico de f=1mHz-1MHz. A partir de los valores de Y1/n1, Y2/n2 y las frecuencias correspondientes al máximo de semicírculos ω 1max se calcularon los valores de capacitancia correspondientes al electrolito C1 por la fórmula: C = Q0 (ω max ) n −1 (2) Sin embargo, a la temperatura de 137°C podemos ver que el primer semicírculo no aparece debido al intervalo limitado de frecuencias utilizado en el trabajo, 0.2 Hz–100 kHz. Por el otro lado, las espigas inclinadas a frecuencias bajas que aparecen por el bloqueo de los iones también pueden verse como el inicio de semicírculos grandes.12 Para poder calcular los valores de capacitancia correspondientes a estos semicírculos incompletos se utilizó la simulación de la respuesta del sistema en un intervalo teórico de frecuencias más amplio para completar los 34 semicírculos; esto se obtiene al alimentar los parámetros de ajuste R, R1, R2, Y1/n1 y Y2/n2 al programa de simulación. En el trabajo presente se utilizó el software ZDemo con el intervalo de frecuencias permitido de 1mHz – 1MHz. De esta manera se obtuvieron los valores teóricos ω max** a 137°C, ω 2max** a 137 y 93°C, lo que permitió calcular las capacitancias correspondientes a las del electrolito y de la interfase electrodo/muestra a temperaturas altas. Si se analiza la tabla II y se comparan los valores de R1 obtenidos por el ajuste del modelo y R1* - por la intersección del semicírculo con el eje real Z´, podemos ver bastante buena concordancia lo que indica que el primer semicírculo se debe en gran medida a los procesos del transporte iónico dentro del material. Por el otro lado, tanto los valores de capacitancia C1, como C2 están en los intervalos Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Nuevos vidrios del sistema Li2S-Sb2S3-P2S5 para aplicación... / Zoulfia Nagamedianova, et al esperados – del orden de pF para los granos (C1), nF para las fronteras de grano y μ F para las interfases bloqueantes de los electrodos (C2).14 Podemos ver como la naturaleza vítrea del electrolito se refleja por ausencia de los efectos del bloqueo en las fronteras de grano en el material. En cuanto a los parámetros n1 y n2 podemos notar que son prácticamente estables para cada uno de los procesos – dentro del material n1 ~ 0.7, y para la interfase n2 ~ 0.6 que son valores similares a los reportados en la bibliografía.12 CONCLUSIONES En este trabajo se ha estudiado la formación de nuevos vidrios en base del sistema Li2S-Sb2S3 y se han analizado las conductividades de los vidrios obtenidos. 1) Utilizando técnicas poco comunes se logró preparar nuevos vidrios sulfuros en base Li2SSb2S3 que no se habían reportado antes, y, de este modo, ampliar el área de conocimiento de los vidrios calcogenuros: a) Se sintetizaron vidrios binarios de Li2S-Sb2S3 con bajo contenido de litio (0–17% molar), composiciones de mayor contenido de litio se encontraron parcialmente cristalinos; b) Se obtuvo una variedad de vidrios ternarios Li2S-P2S5-Sb2S3 con los contenidos más altos de litio, hasta 50% molar de Li2S; c) Se vitrificaron las composiciones de 0.5Li2S– 0.2P2S5–0.3Sb2S3 dopado con sales de litio, LiI y Li3PO4, alcanzando en suma hasta 60-70% molar del contenido de litio en los vidrios basados en sulfuro de antimonio. 2) Se determinaron las conductividades de las muestras vítreas por la técnica de Espectroscopía de Impedancia que fueron de distinta naturaleza: electrónica y iónica. La conductividad iónica de las muestras alcanzó valores hasta 10-6 S/cm a temperatura ambiente que permite ubicarlas como electrolitos sólidos de litio, los que no se pueden utilizar en la fabricación de las baterías convencionales de litio, sin embargo, pueden ser considerados como candidatos a ser utilizados en las microbaterías de litio donde se preparan en forma de película delgada. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 3) El modelado de los resultados de impedancia al circuito equivalente R(RQ)(RQ) para la composición 0.5Li2S-0.2P2S5-0.3Sb2S3 permitió separar los procesos que ocurren dentro de la muestra durante las mediciones (caída óhmica por la resistencia de la celda-portamuestras con cables, bloqueo de carga en la interfase electrodo/material y transferencia de carga a través del material) siendo este último de nuestro interés. Además, fue posible calcular los valores de resistencias y capacitancias correspondientes tanto al material, como a la interfase del electrolito/electrodo. 4) Se encontró que la dependencia de las conductividades está en función exponencial con la temperatura en concordancia con un proceso del tipo Arrhenius y a partir de este modelo se reportaron los valores de energía de activación, Ea y los factores preexponenciales, σ 0. 5) Los resultados de mediciones eléctricas se compararon con los de otros vidrios sulfuros de litio basados en P2S5, SiS2, GeS2, B2S3 y As2S3, los que presentan un amplio intervalo de conductividades iónicas a temperatura ambiente (10-7-10-3 S/cm), sin embargo, hasta la fecha solamente uno de ellos, basado en Li2S-P2S5, llegó a ser aplicado en las baterías convencionales por lo difícil de obtener buenas conductividades iónicas en los materiales sólidos. En cuanto a los vidrios Li2S-Sb2S3, estudios previos muestran una semejanza estructural con el sistema Li2SAs2S311 y en este trabajo se ha encontrado que las propiedades eléctricas y térmicas también son similares, corroborando de este modo con la investigación estructural. AGRADECIMIENTOS Los autores desean expresar su agradecimiento al National Science Foundation y al Consejo Nacional de Ciencias y Tecnología por el apoyo recibido para la realización de esta investigación a través de los proyectos CONACYT 46919, NSF-CONACYT 35998U y del Programa PAICYT-UANL. 35 �Nuevos vidrios del sistema Li2S-Sb2S3-P2S5 para aplicación... / Zoulfia Nagamedianova, et al REFERENCIAS 1. Ph. Knauth and H.L. Tuller, Solid-state ionics: roots, status and future prospects. J. Am. Ceram. Soc. 85 [7] (2002) 1654-1680. 2. M. Duclot and J.-L. Souquet, Glassy materials for lithium batteries: electrochemical properties and devices performances. J. of Power Sources 97-98 (2001) 610-615. 3. D. Ravaine, Ionic transport properties in glasses. J. of Non-Cryst. Solids 73 (1985) 287-303. 4. J.H. Kennedy, Z. Zhang and H. Eckert, Ionically conductive sulfide-based lithium glasses. J. of Non-Cryst. Solids 123 (1990) 328-338. 5. J.-P. R. Malugani and G. Robert, Preparation and electrical properties of the 0.37Li2S-0.18P2S50.45LiI. Solid State Ionics 1 (1980) 519-523. 6. J. H. Kennedy, S. Sahami, S.W. Shea and Z. Zhang, Preparation and conductivity measurements of SiS2-Li2S glasses doped with LiBr and LiCl. Solid State Ionics 18/19 (1986) 368-371. 7. Z. Nagamedianova and E. Sánchez, Preparation and characterization of novel Li2S-Sb2S3 and Li2S-Sb2S3-P2S5 glassy systems J. Non-Cryst. Solids. 329 (2003) 13-16. 36 8. Z. Nagamedianova and E. Sánchez, Preparation and thermal properties of novel Li2S-Sb2S3 glassy system. J. Non-Cryst. Solids. 311(1) (2002) 1-9. 9. Z. Nagamedianova and E. Sánchez, Espectroscopia de impedancia electroquímica de nuevos sistemas vítreos Li2S-Sb2S3 y Li2S-Sb2S3-P2S5. Memorias de XIX Congreso Nacional de la SMEQ, CE12 (2004) 1-12. 10. Z. Zhang and J. H. Kennedy, Synthesis and characterization of the B2S3-Li2S, the P2S5-Li2S and the B2S3-P2S5-Li2S glass systems. Solid State Ionics 38 (1990) 217-224. 11. M.C.R. Shastry, M. Menetrier and A. Levasseur, Thermal and electrical properties of new glasses in the binary Li2S-As2S3 system. Solid State Comm. 85 (1993) 887-889. 12. C. León, Relajación de la conductividad eléctrica en conductores iónicos cristalinos. Tesis Doctoral. Universidad Complutense de Madrid (1997). 13. Y.-J. Shin, M.-H. Park and S. Yoon, Preparation and ionic conductivities of tunnel-type oxides Na0.8M0.4Ti1.6O4 (M= CoII, NiII). Bull. Korean Chem. Soc. 21 (2000) 1141-1143. 14. A. Huanosta, Electrolitos sólidos: características, aplicaciones y una técnica de análisis. Rev. Mex. Física. 38 (1992) 677-689. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Nanodiamantes Marco Antonio Quiroz Alfaro, Uriel A. Martínez Huitle Universidad de las Américas, Puebla, México. Carlos A. Martínez Huitle Analitycal Deparment, University of Milan, Milan, Italy mhuitle@hotmail.com RESUMEN La “Moda del Nano” está tomando mucho interés y atención del mundo científico; debido a un miedo de faltar a la -nano- revolución. De esta manera, para las estructuras de materiales esta nueva ciencia está siendo un gran descubrimiento. Por esta razón, atrajo tanto la atención de los científicos y del público la posibilidad de sintetizar nanodiamantes. Y este interés se incrementó cuando se descubrió la posibilidad de producir películas de diamante policristalino con propiedades mecánicas y electrónicas comparables con el diamante natural. PALABRAS CLAVE Diamante, nanotecnología, nanodiamantes, aplicaciones. ABSTRACT The “Nano fashion” is taking much interest and attention from the scientific world; due to a fear of missing -the nano- revolution. In this way, for the material structures this new science is being a great discovery. Therefore, the possibility of synthesizing nanodiamonds has drawn the attention of scientists and public in general. And this interest was increased when the possibility was discovered of producing policrystalline diamond films with comparable mechanical and electronic properties to the natural diamond. KEYWORDS Diamond, nanotechnology, nanodiamonds, applications. EL DIAMANTE El carbono se encuentra entre los elementos de más interés de la tabla periódica. Gracias a su estudio fueron descubiertas sus dos formas alotrópicas más conocidas: grafito y diamante. Sabemos que ambos cuentan con distintas características y propiedades físicas que pueden explicarse al comparar los distintos arreglos espaciales de los átomos de carbono en uno y otro. Mientras el diamante, con su raíz griega “adamas” que quiere decir “inconquistable”, es el material natural más duro que el hombre conoce, constituido de un retículo cristalino de carbón. El grafito es negro, opaco y blando.1 Debido a estas propiedades y sus diferencias de costos, los investigadores se dieron a la tarea de conseguir la obtención de diamantes, es decir; a la síntesis de tales materiales. Sin embargo, no era fácil conseguir sintetizarlos ya que se debían reunir diferentes condiciones experimentales, tanto físicas como químicas. Así lograría Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 37 �Nanodiamantes / Marco Antonio Quiroz Alfaro, et al Hannay en 1880 obtener los primeros diamantes sintéticos. Posteriormente el éxito que obtuvo Hannay fue comprobado por Londsale y Bannister en 1943 al examinar dichos cristales aplicando una nueva técnica de rayos X. Pero estos no fueron los únicos intentos de sintetizarlos, por lo que encontramos a personajes como Henry Moissan, Charles A. Parsons (1888), Burton (1905), Sebba & Sugarman (1985) hasta que realmente se publicó y posteriormente se patentó por investigadores del Instituto de General Electric Company. 1, 2 De esta manera, varios científicos en el mundo continuaron buscando las condiciones ideales y técnicas alternativas para la síntesis de tan preciosos materiales. A partir de entonces, el diamante artificial se fabrica en gran escala. Su mayor aplicación es de tipo industrial, aunque también se fabrican diamantes para joyas. Su precio es más reducido que el de uno auténtico. DIAMANTE SINTÉTICO1 El diamante sintético es diamante producido con procesos químicos o físicos en una fábrica. Debido a sus características físicas extremas, el diamante sintético se utiliza en muchos usos industriales, y tiene el potencial de convertirse en una tecnología seria en muchas áreas de nuevas aplicaciones tales como electrónica y medicina. El diamante sintético también se llama diamante industrial, diamante manufacturado, diamante artificial o diamante cultivado. El diamante sintético no es igual que el diamante como carbón, (conocido en inglés como Diamond Like Carbon), que es un carbón duro amorfo, o la imitación del diamante, que se puede hacer de otros materiales tales como carburo cúbico del zirconio o del silicio. Hay dos métodos principales para producir el diamante sintético. El método original es de alta temperatura y alta presión (HPHT), y sigue siendo el método más ampliamente utilizado debido a su bajo costo relativo. Utiliza las prensas grandes que pueden pesar un par de cientos de toneladas para producir una presión de 5 GPa a 1,500°C para reproducir las condiciones que crearon el diamante natural dentro de la tierra hace mil millones de años. El segundo método usando, es la deposición de vapor químico o el Chemical Vapor Deposition (CVD), fue inventado 38 en los años 80, y es básicamente un método que creaba un plasma de carbono encima de un substrato sobre el cual los átomos de carbono se depositan para formar el diamante.1,2 Dadas sus características físicas, el diamante podría tener un vasto impacto en muchos campos. Los diamantes se han utilizado en herramientas, especialmente al trabajar en máquinas para las aleaciones. Asimismo en los últimos años se ha usado en una máquina que trabaja el aluminio para la industria del automóvil. Dicha industria utiliza ciertas aleaciones de aluminio que producen desgaste extremo en las herramientas y el diamante es la única manera de trabajar estas aleaciones. Durante los últimos años, se ha intentado reemplazar el diamante natural por el diamante sintético obtenido mediante el proceso de CVD. DIAMANTE Y ELECTROQUÍMICA Las películas delgadas de diamante sintético exhiben propiedades que son interesantes para varias áreas de la ciencia, pero ha tenido gran aceptación en la electroquímica. Estas propiedades y sus diferentes aplicaciones electroquímicas son actualmente estudiadas en muchos laboratorios del mundo. Los primeros estudios fueron realizados hace unos 15 años por algunos grupos de investigación. Posteriormente el comportamiento del diamante como electrodo fue investigado extensivamente por diferentes técnicas electroquímicas tratando de determinar su comportamiento y propiedades físico-químicas al ponerlo en contacto con soluciones acuosas pasándole una determinada corriente eléctrica. Comparado con otros materiales electródicos, como el grafito y el carbón vítreo (glassy carbon en inglés) que son los más parecidos a la superficie del diamante; las películas delgadas de diamante son más resistentes a condiciones de corrosión, las cuales son muy usadas en electroquímica para la construcción de baterias, celdas de combustible, sensores, etc.1,3 También, los diamantes se usan para estudiar las reacciones redox que no pueden ser estudiadas y en algunos casos degradar los contaminantes orgánicos presentes en el agua. Esto se debe a que el diamante es casi químicamente inerte y puede ser utilizado como electrodo bajo condiciones drásticas que destruirían a los materiales tradicionales.4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Nanodiamantes / Marco Antonio Quiroz Alfaro, et al El diamante también tiene aplicaciones potenciales como semiconductor.5 Esto es porque los diamantes se pueden “drogar”* con algunos otros elementos como el boro y el fósforo,1 puesto que estos elementos contienen uno o más electrones que el carbono. Los transistores del diamante son funcionales a temperaturas más altas que el silicio y son resistentes al daño químico y radiactivo. NANODIAMANTES6 El diamante, el material natural más duro y resistente, se espera que con el uso de la nanotecnología amplíe y mejore sus aplicaciones. Así los nanodiamantes podrían conducir a la detención de contaminantes bacterianos en agua y alimentos;7 y a producir nanodispositivos electrónicos, que como en el caso de los nanotubos del carbón que están siendo desarrollandos y estudiados, presenten mayores ventajas que los actuales en silicio.8 Es decir, será posible hacer diamantes o las películas de diamante en diferentes formas y tamaños, asi como también mejorar su costo. La nanotecnología ha permitido sintetizar películas de nanodiamantes con las características físicas, químicas y biológicas mejoradas para ser aplicado en áreas tecnológicas muy diferentes.9-12 Estos nanodiamantes crecidos en diversos substratos tienen una capacidad particular para el estudio electroquímico ofreciendo alta sensibilidad, buena precisión y alta estabilidad en comparación con otros materiales como el carbón vítreo y el platino.4 Además de las características naturales del diamante, tales como alta conductividad térmica, alta dureza e inercia química también presenta un amplio intervalo de potencial electroquímico en medios acuosos y no acuosos, capacitancia muy baja y estabilidad electroquímica extrema.1 Por otra parte, se desarrollan nuevas superficies que permiten el fijar compuestos como proteínas * La Real Academia Española de la lengua (RAE) acepta el uso del término “drogar” para sustituir al anglicismo “dopar”. En la producción de semiconductores, drogar se refiere al proceso internacional de introducir impurezas en un substrato puro del semiconductor, para cambiar sus características eléctricas. También este término puede ser considerado como una contaminación de un substrato determinado con algunos elementos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 o moléculas más simples que permitirán obtener mayor afinidad a líquidos específicos para su estudio mejorando las propiedades biológicas de dichos materiales. Mientras que todas estas características promueven nuevas aplicaciones en campos como el electroanálisis, otras incluyen el uso de estas películas en la fabricación de los revestimientos duros que poseen coeficiente friccional bajo y características excelentes de desgaste,13 dispositivos emisores de electrones11 y cubiertas resistentes a altos impactos.14, 15 La nanocristalinidad de estas películas es el resultado de un nuevo tipo de crecimiento y mecanismos de nucleación, dando por resultado un nivel de nucleación alrededor de 1,010 cm-2s-1; gracias al uso de diversas técnicas de deposición, por ejemplo, del plasma asistido por microondas, descarga a baja presión, plasma inducido por laser, filamento caliente y otras técnicas.6 Típicamente, la mezcla gaseosa usada para la sintésis del diamante microcristalino o nanocristalinos es formada de hidrógeno y metano.1, 2 Sin embargo, en el logro de nano-películas, se han utilizado otras composiciones formadas de argón, hidrógeno y metano 16, 17 o de helio, hidrógeno y metano; 9, 10 obteniendo nanodiamantes con características específicas y con nuevas propiedades; como una mayor conductividad eléctrica, conductividad térmica y mayor área superficial potencialmente utilizable. Algunos ejemplos de nanodiamantes pueden ser observados en las figuras 1, 2, 3 y 4; que son fotos A Fig. 1. A) Foto de un soporte carbonoso realizada mediante microscopía electrónica de barrido (conocido por sus siglas en inglés, SEM; Scanning Electron Microscopy). Reimpreso de Diamond & Related Materials 14 (2005) 1673 – 1677, con permiso de Elsevier.18 39 �Nanodiamantes / Marco Antonio Quiroz Alfaro, et al B Fig. 2. B) Foto del soporte de carbono con un depósito de nanodiamantes realizada mediante Microscopía electrónica de barrido. El depósito de nanodiamantes se realizó con un nivel de drogado en boro de 1018 partes por cm-3. Reimpreso de Diamond & Related Materials 14 (2005) 1673 – 1677, con permiso de Elsevier.18 A B Fig. 3. Imágenes de MicroscopÍa electrónica de barrido del electrodo del diamante/soporte de carbono con un nivel de drogado con boro de 5000 ppm. (a) Morfología; (b) Sección representativa que evidencia la fibra interna. Reimpreso de Thin Solid Films 485 (2005) 241 – 246, con permiso de Elsevier.19 Fig. 4. Nanodiamantes. www.me.berkeley.edu/diamond/ submissions/diam_review/review.htm 40 obtenidas mediante técnicas instrumentales que permiten obtener imágenes con alta definición de la superficie y es posible conocer más acerca del crecimiento de los cristales en los substratos así como de la estructura de la superficie del electrodo. Algunas de estas técnicas avanzadas son: espectroscopía del electrón para el análisis químico (conocida en inglés como ESCA, electron spectroscopy for chemical analysis) actualmente conocida como espectroscopía de fotoemisión de rayos X (XPS, X-ray photoemission spectroscopy), microscopía electrónica de barrido (conocido por sus siglas en inglés, SEM; Scanning Electron Microscopy), espectroscopía raman y difracción o microscopía; con las que se pueden realizar análisis de la superficie y obtener información detallada. Actualmente, la investigación de los nanodiamantes ha aumentado considerablemente, haciendo posible su uso en varias áreas científicas. Sin embargo, las aplicaciones actuales se concentran en algunas líneas de investigación como la electroquímica, aéreoespacial y electrónica. A continuación se dan a conocer algunos de los ejemplos más significativos de la literatura del uso de las películas y nanopelículas de diamante en electroquímica (tabla I).20-37 Como podemos observar de los datos contenidos en la tabla I y la literatura hasta el momento disponible, los usos electroquímicos de los nanodiamantes se concentran en dos grandes áreas: electroanálisis y electrosíntesis. Los resultados han demostrado que las nanopelículas de diamantes tienen buena selectividad y presentado estabilidad química superior a microelectrodos alternativos, por ejemplo, al oro, carbón o silicio. CONSIDERACIONES FINALES Gracias a la inquietud de los investigadores fue posible la síntesis de películas delgadas de diamante policristalino y éstas encontraron con el transurso del tiempo diferentes aplicaciones como en la electroquímica para la síntesis orgánica, tratamiento de aguas y producción de especies fuertemente oxidantes.1 Con las grandes propiedades electroquímicas y las numerosas aplicaciones, el electrodo de diamante se puede considerar como un material promisorio Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Nanodiamantes / Marco Antonio Quiroz Alfaro, et al Tabla I. Ejemplos de uso de los nanodiamantes en la electroquímica. Aplicación Uso Referencia Electrosíntesis Oxidación anódica del de compuestos 1, 4 difluorbenzeno, orgánicos producción de floureno 19-21 Generación de agentes fuertemente oxidantes Tratamiento que aceleran la 22 de aguas eliminación de los residuales agentes contaminantes presentes en el agua Electroanálisis Comportamiento del 2-naftol en H2SO4 23 Análisis-biomédicas 24 Ambientales alimentos y de 25, 26 Transferencia de carga, intercambio iónico, 27, 28 adsorción e interacciones biológicas específicas Electrodos modificados con el ácido desoxirribonucléico (DNA) para la determinación de fármacos, transferencia electrónica en proteínas, 29-32 interacciones entre DNA-fármaco, detención de la hibridición del DNA y detención de mutaciones Estudios electroquímicos 33 con el citocromo C Sensores y biosensores 34-36 Inmovilización de dos anticuerpos del conejo, contra la salmonela y 34 contra-estafilococo, en la superficie de películas del nanodiamante para la electroquímica y otros campos científicos, abriendo una nueva rama de conocimiento como la electroquímica de los electrodos de diamante. Sin duda los resultados obtenidos para poder producir especies fuertemente oxidantes, la aplicación en síntesis electro-orgánica y su uso en el tratamiento de aguas residuales son prometedores y abren la posibilidad de realización de más estudios Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 con estos materiales para su posible aplicación industrial. También abre la posibilidad de estudiar la síntesis o elaboración de nuevos materiales, como son las nuevas generaciones de diamante: los nanodiamantes. Estos últimos materiales podrán dar grandes avances científicos para su aplicación a largo y corto plazo en microsensores e instrumentación, sistemas térmicos, dispositivos biomédicos, electrónica, óptica y fotónica, nanofluidos y nanomateriales así como en el desarrollo de celdas de combustible. Sin embargo, las aplicaciones más relevantes se verifican con la elaboración de nanopartículas o nanocatalizadores capaces de eliminar los contaminantes donde otros procesos químicos no tienen eficiencia; uso de resinas magnéticas para eliminar los metales pesados y usadas también en el tratamiento de efluentes. Y biosensores para la detención de los contaminantes bacterianos en agua y en los alimentos, así como detectar niveles bajos de toxinas o para proporcionar diagnósticos más rápidos en los laboratorios. BIBLIOGRAFÍA 1. Quiroz Alfaro, M. A.; Martínez-Huitle, U. A.; Martínez-Huitle. C. A. El diamante y la electroquímica. Educación Química (2006) En prensa. 2. Ferro, S., Synthesis of diamond, J. Mater. Chem., 12, 2843 (2002). 3. Panizza M.; Cerisola G. Application of diamond electrodes to electrochemical processes. Electrochim. Acta 2005, 51, 191–199. 4. Quiroz Alfaro, M. A.; Ferro, S.; Martínez-Huitle, C. A.; Meas Vong, Y., Boron doped diamond electrode for the wastewater treatment. J. Chem. Braz. Soc. 2006, 17, 227-236. 5. Denisenko, A.; Kohn E. Diamond power devices. Concepts and limits. Diamond and Related Materials 2005, 14, 491–498. 6. Azevedo, A. F.; Gomes Ferreira, N. Nanodiamond films for applications in electrochemical systems and aeronautics and space technology, Quimica Nova 2006, 29, 129-136. 7. http://www.comciencia.br/reportagens/ nanotecnologia/nano15.htm 41 �Nanodiamantes / Marco Antonio Quiroz Alfaro, et al 8. http://www.sbf1.sbfisica.org.br/boletim/ lemensagem.asp?msgId=17 9. Hian, L. C.; Grehan, K. J.; Compton, R. G.; Foord, J. S.; Marken, F.; Nanodiamond Thin Films on Titanium Substrates. J. Electrochem. Soc. 2003, 150, E59-E65. 10. Hian, L. C.; Grehan, K. J.; Compton, R. G.; Foord, J. S.; Marken, F.; Influence of thin film properties on the electrochemical performance of diamond electrodes Diamond Relat. Mater. 2003, 12, 590-595. 11. Wang, S. G.; Zhang, Q.; Yoon, S. F.; Ahn, J.; Wang, Q.; Zhou, Q.; Yang, D. J.; Electron field emission properties of nano-, submicro- and micro-diamond films. Phys. Status Solid A. 2002, 193, 546-551. 12. Baraton, M. I.; NanoWatch Europe: Surface science in nanotechnology Interface 2003, 12, 14-15. 13. Forbes, I. S.; Rabeau, J. R.; Wilson, J. I. B.; John, P.; Nanocrystalline diamond films for nanotechnology applications Mater. Sci. Technol. 2003, 19, 553-556. 14. Chen, K. H.; Bhusari, D. M.; Yang, J. R.; Lin, S. T.; Wang, T. Y.; Chen, L. C.; Highly transparent nano-crystalline diamond films via substrate pretreatment and methane fraction optimization Thin Solid Films 1998, 332, 34-39. 15. Azevedo, A. F.; Corat, E. J.; Leite, N. F.; Ferreira, N. G.; Trava-Airoldi, V. J.; Adherence measurements of nanodiamond thin films grown on Ti6Al4V alloy Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials 2003, 20-21, 753-757. 16. Gruen, D. M.; Ultrananocrystalline diamond in the laboratory and the cosmos MRS Bull. 2001, 26, 771-776. 17. Zuiker, C.; Krauss, A. R.; Gruen, D. M.; Pan, X.; Li, J. C.; Csencsits, R.; Erdemir, A.; Bindal, C.; Fenske, G.; Physical and tribological properties of diamond films grown in argon-carbon plasmas Thin Solid Films 1995, 270, 154-157. 18. Almeida, E.C.; Trava-Airoldi, V.J.; Ferreira, N.G.; Rosolen, J.M. Electrochemical insertion of lithium into a doped diamond film grown on carbon felt substrates. Diamond & Related Materials 2005, 14, 1673-1677. 42 19. Almeida, E.C.; Diniz, T, A.V.; Trava-Airoldi, V.J.; Ferriera, N.G; Electrochemical characterization of doped diamond-coated carbon fibers at different boron concentrations. Thin Solid Films 2005, 485, 241-246. 20 Wadhawan, J. D.; Del Campo, F. J.; Compton, R. G.; Foord, J. S.; Marken, F.; Bull, S. D.; Davies, S. G.; Walton, D. J.; Ryley, S.; Emulsion electrosynthesis in the presence of power ultrasound. Biphasic Kolbe coupling processes at platinum and boron-doped diamond electrodes J. Electroanal. Chem. 2001, 507, 135-143. 21. Okino, F.; Shibata, H.; Kawasaki, S.; Touhara, H.; Momota, K.; Nishitani- Gamo, M.; Sakaguchi, I.; Ando, T.; Electrochemical fluorination of 1,4-difluorobenzene using boron-doped diamond thin-film electrodes Electrochem. Solid-State Lett. 1999, 2, 382-384. 22. Okino, F.; Kawaguchi, Y.; Touhara, H.; Momota, K.; Nishitani-Gamo, M.; Sasaki, A.; Yoshimoto, M.; Ando, T.; Odawara, O.; Preparation of borondoped semiconducting diamond films using BF3 and the electrochemical behavior of the semiconducting diamond electrodes J. Fluorine Chem. 2004, 125, 1715-1722. 22. Serrano, K.; Michaud, P. A.; Comninellis, C.; Savall, A.; Electrochemical preparation of peroxodisulfuric acid using boron doped diamond thin film electrodes Electrochim. Acta 2002, 48, 431. 23. Panizza, M.; Michaud, P. A.; Cerisola, G.; Comninellis, C.; Anodic oxidation of 2-naphthol at boron-doped diamond electrodes J. Electroanal. Chem. 2001, 507, 206-214. 24. Budnikov, G. K.; Biomedical aspects of electrochemical methods of analysis J. Anal. Chem. 2000, 55, 1014-1023. 25. Brainina, K. Z.; Malakhova, N. A.;.; Stojko Yu, N; Stripping voltammetry in environmental and food analysis F. J. Anal. Chem. 2000, 368, 307-325. 26. Mello, L. D.; Kubota, L. T.; Review of the use of biosensors as analytical tools in the food and drink industries Food Chem. 2002, 77, 237-256. 27. Walcarius, A.; Electroanalysis with pure, chemically modified, and sol-gel-derived silica-based materials Electroanalysis 2001, 13, 701-718. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Nanodiamantes / Marco Antonio Quiroz Alfaro, et al 28. http://www.iq.usp.br/wwwdocentes/mbertott/ linha.htm 29. La Scalea, M. A.; Serrano, S. H. P.; Gutz, I. G. R.; Dna-modified electrodes: a new alternative for electroanalysis Quim. Nova 1999, 22, 417-424. 30. Erdem, A.; Ozsoz, M.; Interaction of the anticancer drug epirubicin with DNA Anal. Chim. Acta 2001, 437, 107-114. 31. Erdem, A.; Kerman, K.; Meric, B.; Ozsoz, M.; Methylene blue as a novel electrochemical hybridization indicator Electroanalysis 2001, 13, 219-223. 32. Boon, E. M.; Ceres, D. M.; Drummond, T. G.; Hill, M. G.; Barton, J. K.; Mutation detection by electrocatalysis at DNA-modified electrodes Nat. Biotechonol. 2000, 18, 1096-1100. 33. Hupert, M.; Muck, A.; Wang, J.; Stotter, J.; Cvckova, Z.; Haymond, S.; Show, Y.; Swain, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 G. M.; Conductive diamond thin-films in electrochemistry Diamond Relat. Mater. 2003, 12, 1940-1949. 34. Huang, T. S.; Tzeng, Y.; Liu, Y. K.; Chen, Y. C.; Walker, K. R.; Guntupalli, R.; Liu, C.; Immobilization of antibodies and bacterial binding on nanodiamond and carbon nanotubes for biosensor applications Diamond Relat. Mater. 2004, 13, 1098-1102. 35. Yang, W.; Auciello, O.; Butler, J. E.; Cai, W.; Carlisle, J. A.; Gerbi, J. E.; Gruen, D. M.; Knickerbocker, T.; Lasseter, T. L.; Russel Jr., J. N.; Smith, L. M.; Hamers, J.; DNA-modified nanocrystalline diamond thin-films as stable, biologically active substrates Nat. Mater. 2002, 1, 253-257. 36. Carlisle, J. A.; Precious biosensors Nat. Mater. 2004, 3, 668-669. 43 �Formulación optimizada del refractario AZS/43-20-37 Fabiola Dávila del Toro Programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales FIME-UANL fadt15@hotmail.com RESUMEN Los refractarios electro-fundidos con 32-35%, en peso, de ZrO2 son utilizados en hornos para fundir vidrio. Su alto contenido de ZrO2 los hacen costosos, lo cual es una de sus desventajas principales. Existen reportes de trabajos en los que se ha buscado producir estos refractarios a un menor costo al mismo tiempo que se mejoran las propiedades que los hacen útiles en la industria del vidrio. La presente investigación está inspirada en esos resultados y está enfocada a encontrar una formulación óptima para los refractarios AZS/43-20-37, modificando parámetros de la materia prima, y del proceso, tales como la composición, el grado de compactación, la temperatura y el tiempo de reacción. Las formulaciones fueron evaluadas de acuerdo al deterioro que mostró el producto cuando se puso en contacto con vidrio fundido. Se confirmó el papel que la ZrO2 juega en la formación de estructura dendrítica, que ha sido reportada como determinante en la rapidez de degradación del material. Se determinó que se obtienen fases refractarias que favorecen la resistencia al ataque por vidrio aun en productos con menor cantidad de ZrO2 que las del refractario comercial. PALABRAS CLAVE Refractario, ZrO2 fundición de vidrio. ABSTRACT Electro-fused refractories with 32-35 wt% of ZrO2 are used in the glass furnaces. One of their main disadvantages is the cost due to the high content of ZrO2. There are research reports that were looking to produce these materials at lower cost and improving the properties that made them useful in the glass industry. This research is inspired on those results and is focused to find an optimal formulation of the AZS/43-20-37 refractories, by modifying raw material and processing parameters, such as composition, compaction degree, temperature and reaction time. Formulations were evaluated according to the damage exhibited by the product in contact with molten glass. The role that ZrO2 plays on the development of dendrite structure, which has been reported as very important to degradation rate of the material, was confirmed. It was determined that refractory phases that promote resistance of the material to glass attack were obtained even in products with less amount of ZrO2 than commercial refractories. KEYWORDS Refractory, ZrO2, glass melting. 44 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Formulación optimizada del refractario AZS/43-20-37 / Fabiola Dávila del Toro INTRODUCCIÓN Los refractarios modernos son el resultado de más de cien años de desarrollo en la fabricación y aplicación de éstos, muchos de los procesos actuales son llevados a cabo mediante el desarrollo de nuevos materiales. Existen tres óxidos que son químicamente resistentes al vidrio fundido: alúmina, zirconia, y sílice, mediante su combinación se logra una resistencia máxima al ataque por este material.1 Estos productos son conocidos como AZS. Los refractarios utilizados para manejar vidrio fundido son escogidos por su resistencia a las altas temperaturas, para incrementar la vida en servicio de los hornos, reducir costos, así como por su resistencia a la corrosión. Existe una amplia gama de materiales refractarios utilizados en esta industria, siendo los AZS una buena alternativa, especialmente los fabricados mediante electro-fusión, sólo que su principal desventaja es la heterogeneidad estructural debido al método de fabricación utilizado, además de ser costosos.2 La preparación de este tipo de refractarios ha sido objeto de varios estudios,3-5 la investigación que antecede al presente trabajo se enfocó en la sinterización de formulaciones AZS variando porcentajes de estas materias primas, de lo cual resultó una formulación con bajo contenido en zirconia.6 Por lo que el objetivo de este trabajo fue mejorar la formulación AZS/43-20-37 mediante el cambio de tamaño de partícula, temperatura y tiempo de sinterización así como el uso de materias primas alternas. DESARROLLO EXPERIMENTAL Caracterización Las materias primas seleccionadas para la fabricación del refractario mediante un proceso de sinterización fueron alúmina, zirconia, sílice. Además para la realización de una prueba estática fue utilizado vidrio tipo soda-cal. Estas materias primas y el vidrio se caracterizaron mediante: análisis químicos (absorción atómica y métodos gravimétricos), difracción de rayos X (DRX), análisis térmico diferencial-gravimétrico Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 (DTA-TGA) y microscopía electrónica de barrido (MEB). Además de caracterizar vidrio tipo soda-cal con el objetivo de realizar una prueba estática de penetración y ataque. Fabricación de la formulación AZS/43-20-37 Se fabricaron especímenes refractarios a nivel laboratorio de Al2O3, ZrO2 y SiO2, cuyo tamaño de partícula inicial fue 150-300μm. Se realizó una molienda resultando en un tamaño de partícula promedio de 45μm. Se prensaron los polvos de acuerdo a la relación de la formulación (tabla I), homogeneizando en seco posteriormente en húmedo, formando pastillas con un tamaño de 3cm de diámetro y de 0.5cm de altura aplicando una carga de 10 toneladas. Las cuales fueron sinterizadas en aire a temperaturas de 1500 y 1600°C durante 5 y 8 horas. Finalmente, se caracterizaron mediante difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido. Tabla I. Composiciones en porcentaje en peso para cada formulación. Formulación AZS Composición % Peso Al2O3 43 ZrO2 20 SiO2 37 Prueba de corrosión estática por vidrio fundido Considerando que el principal criterio de servicio de este tipo de refractarios es su resistencia al efecto del vidrio fundido, se efectuó una prueba de ataque por este material tomando en cuenta la norma ASTM C 6217, la sinterización se llevó a cabo en condiciones semejantes pero, en este caso el tamaño de la pastilla fue de 3 cm de diámetro y 1.5 cm de altura maquinando un orificio en el centro donde se colocó el vidrio conteniendo los siguientes porcentajes 71.16% SiO2, 7.80% Na2O, 0.16% MgO, 7.14% CaO, 0.92% Al2O3, 0.226% K2O. Las pastillas se colocaron dentro de un horno de alta temperatura llevándolas a 10ºC/min hasta 1450°C con una permanencia de 4 horas y posteriormente un enfriamiento lento dentro del horno. Posteriormente se analizará mediante microscopía electrónica de barrido un corte transversal de estas. 45 �Formulación optimizada del refractario AZS/43-20-37 / Fabiola Dávila del Toro RESULTADOS La sinterización y formación de fases refractarias de interés en el material fue posible sin la adición de algún ligante o aditivo debido al tamaño de partícula alrededor de 45μm y de formas angulares permitiendo la interacción entre éstas. En la figura 1 se muestra un comparativo de los difractogramas de las pastillas sinterizadas a 1600°C durante 5 y 8 horas. El análisis de la formulación indica en ambos la presencia de zirconia, corindón y cristobalita, mullita y zircón, los tres primeros procedentes de las materias primas aún sin reaccionar; mediante la baja intensidad de las reflexiones características de cuarzo y zirconia, se observa la importancia que tiene el tamaño de partícula ya que, aumenta el grado de reacción combinándose entre sí fácilmente para producir zircón (ZS). El cuarzo remanente tiende a transformarse en cristobalita, observando la presencia de mullita (A3S2), que al igual que el zircón provee de ciertas propiedades al refractario, tales como resistencia al choque térmico, estabilidad química además que el zircón proporciona estabilidad volumétrica. En las figuras 2 y 3 se observa una reacción entre los componentes (Al2O3, ZrO2, SiO2) con la formación de una fase vítrea compuesta de aluminosilicato actuando como matriz, entre granos de corindón y Fig. 1. Comparativo de los espectros de difracción de las pastillas AZS sinterizadas a 1600°C durante 5 y 8 hrs.(Z-zirconia, C- corindón, Cr-cristobalita, M-mullita, ZS-zircón). 46 Fig. 2. Micrografía que muestra la microestructura desarrollada por las pastillas sinterizadas. Fig. 3. Microestructura de las muestras sinterizadas a 1600°c durante 8 horas (aglomerados de zirconia (2), fase vítrea (1) y granos de corindón (3)). aglomerados de zirconia, además de promover la densificación debido a que la temperatura de fusión de la sílice a comparación de los otros compuestos es más baja, así como la presencia de las características agujas de mullita (figura 4). A través de estas micrografías no es posible observar las regiones de ZrSiO4 en estas muestras, pero el espectro de difracción de rayos X correspondiente sugiere que se encuentra presente. Se observan estructuras porosas, una distribución de fases homogéneas y se tiene la presencia en la mayor parte, de poros de forma isométrica con tamaño de 15-50 μm, algunos comunicados entre ellos. Algunos investigadores8 han reportado que las fases presentes en microestructuras de refractarios AZS fabricados mediante el proceso de sinterización básicamente dependen de la composición de las Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Formulación optimizada del refractario AZS/43-20-37 / Fabiola Dávila del Toro Fig. 4. Análisis microestructural mediante electrones secundarios donde se observan algunas agujas de mullita. materias primas y la curva de quemado aplicada normalmente e incluye mullita, zirconia monoclínica y tetragonal, una fase vítrea y alúmina residual, las cuales han sido observadas. Las micrografías posteriores a la prueba de corrosión revelaron que como resultado del efecto del vidrio a altas temperaturas se tiene claramente la formación de una zona de reacción bien definida (interfase), presentando un espesor de ~ 3mm, además de una coloración más clara comparada con la masa principal de la muestra. Apariencias después de determinada la prueba de penetración y deterioro por vidrio son mostradas en las figuras 5 y 6. Mediante la realización de esta prueba se determina qué tanto es atacada la pastilla refractaria por el material fundido. En la zona de la interfase Fig. 5. Sección transversal de la pastilla después del contacto con el vidrio a 1450ºC durante 4 horas. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 Fig. 6. Pastilla sinterizada después de realizar la prueba de resistencia y ataque por vidrio fundido (sección transversal). (figura 7) se muestra un espectro mediante EDS de esta zona donde se detecta la presencia de álcalis provenientes del vidrio, esta zona de reacción o interfase es seguida por una zona llamada refractario, en donde se detectan únicamente los compuestos correspondientes al sistema refractario (figura 8). (No difiere en composición a la microestructura presentada por las pastillas sinterizadas). Al entrar en contacto con el vidrio fundido la fase menos resistente formada de alúmina-fase vítrea es completamente atacada y disuelta, observándose únicamente zirconia presente en su forma inicial. Esta zona ahora formada por dos fases, una matriz Fig. 7. Análisis correspondiente de la zona penetrada por el vidrio (interfase). 47 �Formulación optimizada del refractario AZS/43-20-37 / Fabiola Dávila del Toro Los resultados de la prueba mostraron una morfología dendrítica similar a la reportada por los autores 9 , además de una microestructura conocida como de esqueleto, en materiales de alta alúmina, mullita, con un contenido menor de 12.7% de ZrO2. Fig. 8. Análisis correspondiente de la zona del refractario. vítrea rica en alúmina conteniendo a la zirconia, se convierte en una barrera que protege al refractario contra la corrosión mediante la formación de una red de morfología dendrítica presentada por la zirconia y los componentes formados de esta reacción (figura 9). Esto es debido a que la presencia de CaO principalmente actúa como fundente y al contacto con la zirconia, esta genera puntos de nucleación en donde empieza la formación de zirconatos de Ca, Si y Al. De acuerdo a la mayoría de los estudios se presta atención especial a la relación de la estructura y composición de fases, ya que tiene un efecto inmediato en cuanto a resistencia a la corrosión. Fig. 9. Microestructura presentada por la zirconia a partir de su contacto con el vidrio. 48 CONCLUSIONES Dentro del proceso de sinterización se observó la importancia que tiene el factor de tamaño de partícula (homogeneidad) entre las materias primas para la formación de fases. El mecanismo de ataque por el vidrio fundido es la disolución de la fase alúmina-sílice con la formación de una nueva fase vítrea y presenta la formación de una red de dendritas a partir de la zirconia que ayuda a detener dicho ataque. Para obtener un producto refractario que cumpla con las necesidades de resistencia a la corrosión y larga vida útil es necesario asegurar la formación de fases refractarias, además de una baja porosidad. REFERENCIAS 1. Modern Refractory Practice, Harbison Walker Refractories and Canadian Refractories, Fifth Edition (1992). 2. Primachenko Vladimir V, Dr. Galchenko Tatyana G, Ukranian Research Institute of Refractories named after A.S. Bereznoj, Ukraine. “The development of sintered blocks on the basis of system instead of fused casted blocks of the lining in the glass melting furnace”. 3. Duvierre, Gerard; Zanoli, M.; E. Sertain, “Fused cast AZS adapted for superstructure applications in Today`s glass furnaces”, Ceramic Engineering and Science Proceedings, Glass Industry, 12, (34), (1991), pag. 249. 4. Fredericci, C. Morelli, M. R., “Corrosion of AZS and AZ crucibles in contact with a blast furnace slag based glass”, Materials Research Bulletin, (2000), Vol. 35; Num.14-15, pags: 2503-2514. 5. Klinger, W. Zimmermann, H. Gentsch, D. Melzer, ”Unitecr proceedings”-(1999), 6TH , pags: 190192. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Formulación optimizada del refractario AZS/43-20-37 / Fabiola Dávila del Toro 6. A. M. Guzmán Hernández, Sinterización de materiales refractarios base alúmina-zirconiasílice, Tesis doctoral, UANL-FIME. (2001). 7. ASTM C621-84 (1995) Standard method for Isothermal corrosion resistance of refractories to molten glass. ASTM International USA. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 8. L.J. Manfredo, R.N. Mac Nally, “Journal Materials Science” 19 (1984) 1272. 9. F.I. Dávila del Toro, Optimización de la formulación AZS/43-20-37. Tesis de Maestría, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. (Agosto 2003). 49 �Implementación de balastro con corrección de factor de potencia pasivo Fernando M. Betancourt Ramírez, Enrique Sotelo Gallardo FIME, UANL fbr@gama.fime.uanl.mx, esotelo@exatec.itesm.mx RESUMEN En este documento se analiza funcionamiento de los balastros como fuente de alimentación de lámpara de gases, así como sus diferentes topologías, magnéticas y electrónicas, y la necesidad de usar circuitos de corrección de factor de potencia y disminución de distorsón por armónicos, THD. También se analizó el comportamiento de un balastro ante diferentes etapas de corrección de factor de potencia usando simuladores computacionales como el PSPICE con bases de diseño en un prototipo. PALABRAS CLAVE Balastro electrónico, factor de potencia, distorsión armónica. ABSTRACT Operation of ballasts as energy source for gas incandescent lamps, as well as their different magnetic and electronic topologies, and the need of circuit for correcting the power factor and reducing the distortion due to THD harmonics is analyzed in this document. Performance of the ballast before different stages in the correction of the power factor was also analyzed by means of computer simulators such as the PSPICE with the bases of a prototype design. KEYWORDS Electronic ballast, power factor, harmonics distortion. INTRODUCCIÓN En la actualidad el uso de iluminación de carga resistiva, bulbos incandescentes, se ha ido sustituyendo por medios alternos de iluminación más eficientes, las lámparas fluorescentes. Para excitar el gas dentro de este tipo de lámparas es necesario el uso de circuitos eléctricos o electrónicos, llamados balastros (as). Los balastros proveen altos voltajes en la lámpara con el fin de ionizar el gas y controlan la corriente a través de la misma dentro de un nivel seguro de operación. Las balastras en conjunto con las lámparas de gases, forman un circuito de bajo factor de potencia y alta contaminación de armónicos, THD. Lo cual perjudica las instalaciones eléctricas, ya que se demanda más energía de la requerida, además de interferir con el óptimo funcionamiento de equipos electrónicos debido a la contaminación de armónicos. 50 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Implementación de balastro con corrección de factor... / Fernando M. Betancourt Ramírez, et al La necesidad de controlar la corriente en las lámparas de gas recae en el comportamiento de la lámpara misma, la cual se comporta como una “resistencia negativa”, es decir existe una disminución en el voltaje a causa de un incremento en la corriente a través de la lámpara generando condiciones de “corto circuito”. Antes de la ionización, la lámpara se puede aproximar a un circuito abierto y al momento del encendido la impedancia de la lámpara disminuye hasta un valor mínimo limitado por un inductor, balastro, controlando de esta manera la corriente en condiciones normales de operación. Los balastros más sencillos son los magnéticos, dichos balastros constan de un inductor, arrancador y un capacitor para el precalentamiento de los electrodos, facilitando así el encendido de la lámpara, las desventajas de este sistema recaen en el tamaño del inductor y la frecuencia de operación, siendo la misma que la fuente de alimentación, 50 o 60 Hz. Al trabajar a bajas frecuencias, se produce el efecto denominado “flicker”, parpadeo, el cual produce fatiga en la vista y dolor de cabeza en algunas personas. Por otra parte el inductor usado en estas balastras es muy grande. Como se analizará la inductancia del balastro es inversamente proporcional a la frecuencia de operación. Para disminuir el tamaño del inductor y el efecto de “flicker” se ha optado por usar inversores, los cuales son, circuitos electrónicos con transistores que aumentan la frecuencia de operación a miles de Hertz, típicamente 20-50 Khz, los inversores típicos son el “Push-Pull” y el “Half-Bridge”, usados en bajo y alto voltaje respectivamente. A pesar de que sus topologías son diferentes, el principio de operación es el mismo. Al arranque, se inyecta una pequeña señal eléctrica, ya sea auto-excitada por la diferencia entre transistores o bien por la carga-descarga de un componente para encender uno de los transistores. La etapa alimentación de una balastra electrónica, típicamente consta de un rectificador de onda completa y un capacitor electrolítico como filtro, el cual nos entrega una fuente de directa, DC, no regulada, un factor de potencia del 50 al 70% y un gran contenido de distorsión de armónicos mayores al 100%, es decir una señal totalmente distorsionada de una señal senoidal. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 Usando técnicas de conmutación e inyección de señales se puede tener una señal casi senoidal en fase con el voltaje de entrada, es decir obtener un factor de potencia muy cercano al 100% y baja distorsión de armónicos, menor al 10%. Dentro de las técnicas de corrección con elementos pasivos del factor de potencia existen: Circuito llenador de valles “Valley Filled”, en la cual el valor de la capacitancia varía de valor cada medio ciclo obteniendo un factor de potencia típico de 90% y un rizado del 50%. Técnicas de inyección de señales “Dither Signals” en la cual se utiliza el principio de linearización de un sistema no lineal de baja frecuencia inyectando una señal de muy alta frecuencia obteniendo un factor de potencia típico de 91% y un rizado del 12%. Técnicas de cancelación de señales por retroalimentación donde se busca cancelar el voltaje del capacitor electrolítico por la retroalimentación y rectificación de una señal de alta frecuencia obteniendo un factor de potencia típico de 98% y un rizo del 10%. En esta topología al cancelar el voltaje del capacitor por la retroalimentación el sistema ve una impedancia equivalente, la cual, de cierta manera es puramente resistiva. Dentro de las técnicas de corrección con elementos activos del factor de potencia existe: la Técnica “Convertidor de Voltaje” no analizada en esta publicación. Para la selección de la técnica de corrección del factor de potencia, PFC “ Power Factor Correction”, en el diseño del balastro electrónico prototipo con alto factor de potencia y baja distorsión armónica, se usó el PsPice como herramienta indispensable en la simulación de modelos equivalentes. Los balastros electrónicos, además de ahorrar dinero, permiten reducir el tamaño de las lámparas. 51 �Implementación de balastro con corrección de factor... / Fernando M. Betancourt Ramírez, et al DISEÑO BASICO DE UNA BALASTRA Balastro magnético De la figura 1, se calcula el valor del inductor el cual durante el encendido limita la disminución de la impedancia en la lámpara mientras ésta se ioniza. La impedancia de un inductor es: Z = L *ω (1) Donde: Z= Impedancia en Ohms L= Inductancia en Henry ω =2 π f f= frecuencia en Hertz La corriente de operación de la lámpara está en función de su potencia y del voltaje de operación. Irms = Ptub Von (2) Donde: Irms= corriente en la lámpara Ptub= Potencia del tubo Von= Voltaje en estado estable La impedancia vista por el inductor es: (Vac − Von) Irms Donde: Vac= Voltaje de alimentación. Von= Voltaje de operación de la lámpara. De la ecuación (1) resolvemos para L: Z= (3) Z (4) 2*Π* f Para minimizar las pérdidas de potencia debido al cobre en el inductor se recomienda usar una densidad de corriente máxima de 4.5 A/mm2. Para altas frecuencias es recomendable usar varios alambres trenzados en la creación del inductor para disminuir las pérdidas por el efecto piel en el alambrado.1 L= Fig. 1. Balastro magnético. 52 De la ecuación (4) se aprecia que a mayor frecuencia menor es el valor del inductor, lo que se refleja en menor tamaño y por lo tanto hay menores pérdidas de potencia en el cobre, dando así una mejor relación entre la luz producida y la potencia utilizada. Por otra parte se ha comprobado que la eficiencia de la lámpara aumenta junto con la frecuencia de operación y a su vez el parpadeo disminuye al aumentar la frecuencia. Lo anterior muestra una gran ventaja en el diseño de balastros operados a altas frecuencias. Apoyados en la electrónica se puede monitorear y controlar las condiciones de operación en la lámpara, de una manera más eficaz y compacta, en comparación con el uso de los balastros magnéticos. Balastro Push-Pull Cuando el voltaje de directa “Vcc”, figura 2, es aplicado, algo de corriente circula por los dos transistores Q1 y Q2 de conmutación. Como los dos transistores no son eléctricamente idénticos, uno de ellos pasa más corriente que en el otro. Esta diferencia, “corriente de arranque”, induce un voltaje en el transformador T1. Las polaridades del transformador deben ser tales que el transistor que inicialmente pasó más corriente esté polarizado en saturación “encendido” mientras que el otro se encuentre “apagado”. La corriente en el transistor encendido aumenta rápidamente hasta que el núcleo del transformador queda saturado, en este momento el transistor no puede proveer la corriente necesaria para mantener el voltaje en el transformador y el voltaje inducido cae a cero, apagando el transistor encendido. La rápida Fig. 2. Balastro “Push-Pull” típico. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Implementación de balastro con corrección de factor... / Fernando M. Betancourt Ramírez, et al reducción en corriente en el transformador induce un voltaje en el transformador, dicho voltaje es aplicado al transistor que inicialmente se encontraba apagado, forzándolo a conducir, en este momento la oscilación comienza.2,3,4 En pocas palabras la operación de este circuito se basa en la saturación del núcleo del transformador cuando el flujo magnético excede el máximo valor que puede ser sostenido por éste. Durante la operación, se deben cumplir las ecuaciones (5, 6). El campo magnético está dado por: Np * Ip (5) l Donde: Hs= Campo magnético de saturación A/Cm Np= Número de vueltas en el primario Ip= Corriente en el primario l= perímetro del núcleo efectivo en cm Hs = La frecuencia de operación, cuando el núcleo excede al máximo flujo magnético que puede ser sostenido está dada por: f = Vp *10 ^ 4 4 * Np * Ac * Bs (6) Donde: f= Frecuencia en Hertz Vp= Voltaje en el primario Np= Número de vueltas en el primario Ac= Área transversal del núcleo en cm2 Bs= Flujo magnético de saturación Teslas Las ecuaciones (5) y (6) dan la información necesaria para la selección del núcleo a utilizar y sobre la operación del balastro. Fig. 3. Circuito típico “Half-Bridge”. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 Balastro Half Bridge El circuito básico de la balastra “Half-Bridge” se muestra en la figura 3. Donde los transistores Q1 y Q2 son los dispositivos de conmutación y los capacitores C2 y C3 son los brazos del puente. Es recomendable usar transistores apareados, es decir con Hfe similares. Los capacitores “C2” y “C3” ayudan a prevenir la saturación de “Lp” y “T1”por desbalance en la señal de directa, en caso de un ciclo de trabajo diferente a 50% y al conectar la lámpara al punto medio, se puede asegurar la simetría de voltaje y corriente en la lámpara. Los diodos “D 2” y “D 3” también conocidos como “free wheeling” o antiparalelaje, proveen de un camino para absorber la corriente inductiva, recortando los picos de voltaje generados en cada conmutación. Debido a que los picos de voltaje son muy rápidos, se recomienda usar diodos de recuperación rápido o ultrarápida”. Si no se usan estos diodos los picos de voltaje pueden ser tales que los transistores entren en modo de avalancha y fallen. El peor de los casos ocurre cuando Q1 se enciende antes de apagarse Q2, creando un corto circuito a través de Q1-Q2.1 Cuando el balastro se enciende por primera vez el capacitor “C1” se carga por medio de “R1” de manera exponencial hasta llegar al valor de disparo del “DIAC”, típicamente 34 Volts, en este momento el “DIAC” descarga al capacitor C1 en la base del transistor Q2, prendiendo a Q2 y reflejando a su vez una corriente de magnitud opuesta en la base de Q1 asegurando que éste se encuentre apagado. En este momento la oscilación de la balastra comienza.5 El diodo D1, sirve para descargar el capacitor C1, cuando la balastra se encuentra operando, de esta manera se evita arrancar la balastra cada vez que el voltaje de umbral en el DIAC sea alcanzado. Fig. 4. Balastro inteligente simplificado. 53 �Implementación de balastro con corrección de factor... / Fernando M. Betancourt Ramírez, et al Balastros Inteligentes Otra forma de prender y apagar los transistores es por medio de circuitos integrados, los cuales controlan los voltajes de ionización y operación, corriente a través de la lámpara, frecuencia, precalentamiento de los electrodos y además algunos de ellos cuentan con sistemas de protección. Estos circuitos integrados, se usan en las topologías “HalfBridge” y en conjunto se les denomina “balastros inteligentes”, figura 4.6,7 ANÁLISIS DE SISTEMAS DE CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA El problema de bajo factor de potencia con el rectificador convencional, figura 5a, usado en diversos circuitos de potencia, recae en la presencia de un puente de diodos, el cual rectifica la señal de AC entregando una señal DC no regulada, usando un capacitor electrolítico como filtro. Dicho capacitor debe ser lo suficientemente grande para mantener un bajo rizado en el nivel de la señal de directa, DC. Como consecuencia el voltaje de línea, AC, es menor que el nivel de DC la mayor parte del tiempo, por lo tanto el rectificador de onda completa conduce solamente en pequeñas porciones cada medio ciclo de la señal de AC, creándose así, una zona de no-sensibilidad o zona muerta para la corriente de entrada, donde el sistema no tiene respuesta alguna. El capacitor, al no permitir cambios bruscos de voltaje, produce una serie de picos de corriente muy estrechos para mantener un bajo rizado en la señal de directa trayendo como consecuencia picos de corriente de hasta 10 veces el valor efectivo, RMS, distorsión del voltaje de alimentación AC, sobre corrientes y una utilización muy pobre de la capacidad de los sistemas de potencia. Típicamente Fig. 5. Comparación entre rectificadores: a) Convencional b) Llenador de valles. 54 este tipo de rectificadores tienen un factor de potencia del 50 al 70% y un gran contenido de armónicos. (figura 6). La corriente de entrada del sistema se puede aproximar con la ecuación 6, donde se aprecia que si se disminuye la diferencia de voltajes entrada-salida o bien se aumentara la frecuencia de carga y descarga del capacitor, la zona de no-sensibilidad se haría más estrecha y la zona muerta disminuiría, teniendo por lo tanto una señal más suave a la salida. Ic ≈ C ΔV Δt (6) Donde: Δ V= Diferencia del voltaje de salida y entrada Δ t= Diferencia del tiempo de carga y descarga del capacitor. Existen esquemas de corrección del factor de potencia, los cuales se analizan a continuación. Técnica de llenado de valles, “Valley Filled” El esquema de llenador de valles, figura 5b, tiene como objetivo corregir el factor de potencia, cargando dos capacitores electrolíticos conectados en serie, de esta manera cada uno de ellos se carga hasta la mitad de la señal rectificada. Por lo tanto solamente cuando la señal rectificada por el puente de diodos cae por debajo de la mitad del pico máximo del voltaje de entrada en cada medio ciclo, los capacitores se descargan en paralelo, llenando Fig. 6. Rectificador convencional. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Implementación de balastro con corrección de factor... / Fernando M. Betancourt Ramírez, et al el valle entre los picos del voltaje rectificado.8 Este esquema da un buen factor de potencia (0.90) y bajo contenido de armónicos a un bajo costo. Lamentablemente el voltaje de directa a la salida del circuito varía en un 50%, figura 7, lo que provoca un efecto de modulación en la lámpara, y por otra parte el sistema de la balastra y los conmutadores deben diseñarse de tal manera que la variación en la señal de directa no afecte a los componentes. Fig. 8. Inyección de señales “Dither signal” a) Balastra normal b) Balastra con señal inyectada. Este efecto no solamente incrementa el factor de potencia sino que también reduce el contenido de armónicos, con la simple aplicación de un filtro pasabajos a la entrada. Este esquema da un buen factor de potencia (0.90) y bajo contenido de armónicos a un bajo costo. Ver figura 9. Fig. 7. Rectificador llenador de valles. Técnica de Inyección de señal “Dither Signal” Si se inyecta una señal de muy alta frecuencia Y, en un sistema no-lineal de baja frecuencia X, el sistema se puede modelar como un sistema lineal de frecuencia X, siempre y cuando se filtren las componentes de alta frecuencia. Dado que la frecuencia inyectada es mucho mayor a la frecuencia de corte del sistema dada por los polos de su función de transferencia, no es posible su detección, ni altera el comportamiento del sistema. Si se inyecta un voltaje, con frecuencia muy alta, en serie con la senoidal de entrada, la zona de conducción de corriente se hace más ancha, es decir la zona muerta decrementa. Esto se debe a que de manera relativa la señal de entrada de baja frecuencia permanece constante ante una señal de alta frecuencia.9 Para fines prácticos y de diseño de balastras electrónicas solo un alambre es cambiado de lugar en las balastras “Half-Bridge” con el fin de obtener la señal de alta frecuencia a ser inyectada, figura 8a, b. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 Fig. 9. Rectificador con inyección de señal. Técnica de cancelación de voltaje, “Charge Pump” Este esquema es muy parecido a la técnica de inyección de señal; la única diferencia recae en que la señal inyectada es una señal rectificada, DC, proveniente de una señal de alta frecuencia. Suponiendo que un voltaje de directa, Vdc, se conectase en serie con una resistencia equivalente, Req, y si Vdc se iguala al voltaje en el capacitor, Vbuf, el voltaje en este último se cancelaría y la entrada, Vac, varía únicamente una resistencia Req. Como se puede apreciar en la figura 10.10 La impedancia equivalente con retroalimentación capacitiva, se muestra en la ecuación 7. 1 Re q = fC (7) 55 �Implementación de balastro con corrección de factor... / Fernando M. Betancourt Ramírez, et al Fig. 10. Charge Pump, circuito equivalente. De la figura 10, se puede deducir lo siguiente: La corriente promedio ( Σ V/Req) en cada conmutación entregada por la retroalimentación está dada por Iin = Cfb. f .( Vin + 2Vfb − Vdc) (8) Para obtener un factor de potencia unitario, se requiere que la corriente de entrada “Iin” siga al voltaje de entrada, esta condición se cumple si: 2Vfb = Vdc diseñar para su uso en sólo un tipo de potencia y voltaje de alimentación, la cual lo hace atractivo para sistemas de balastros integrados a la lámpara o bien para balastros de carga específica. Este esquema da un buen factor de potencia (0.98) y bajo contenido de armónicos a un bajo costo (figura 11). De los esquemas anteriores el que presenta un mayor factor de potencia (0.98), rizado aceptable del 10%, tabla I, y un menor número de componentes, es el esquema “cancelación de voltaje”, el cual se usará en el diseño de nuestro prototipo. Tomando como base los resultados de la simulación, tabla I, con circuitos equivalentes se escoge la técnica de corrección de factor de potencia más sencilla y económica que alimentará al balastro. Posteriormente se simulan las distintas partes en un mismo programa, ver el Programa PS1 en el apartado de PROGRAMAS al final del artículo, permitiendo de esta manera predecir el comportamiento “ideal” de un producto final, llamado prototipo. (9) y la potencia de entrada está dada por Pin = IinVin (10) ⎛ Vin ^ 2 Vin ⎞ Pin = Cfb. f ⎜ + 2 (2Vfb − Vbuf )⎟ ⎝ 2 ⎠ Π (11) Asumiendo factor de potencia unitario y partiendo de la ecuación 8 se puede calcular el valor de la capacitancia de retroalimentación. 2 Po (12) η. f .Vin ^ 2 Donde: Cfb= Es la capacitancia de retroalimentación. f= frecuencia de operación en Hz. Vin= Voltaje de entrada RMS. Vfb= Voltaje inyectado por el capacitor de retroalimentación (voltaje pico a pico) Vbuf= Voltaje en el capacitor electrolítico. Cfb = η =eficiencia Pin=(Po/ η ) valor típico (8090%). De la ecuación 12 se puede deducir que la retroalimentación es proporcional a la potencia, es decir dependiente de la carga, por lo que se debe 56 Fig. 11. Rectificador de cancelación de voltaje. Tabla I. Comparación de diferentes esquemas de corrección de factor de potencia. Topología Rizado Factor de potencia Convencional 30% 57% Llenador de valles “Valley filled” 55% 90% Inyección de señal “Dither signal” 12% 91% Cancelación de voltaje “Charge Pump” 10% 98% Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Implementación de balastro con corrección de factor... / Fernando M. Betancourt Ramírez, et al PROTOTIPO Se diseña un prototipo basándose en los resultados de corrección de factor de potencia pasivo para una balastra tipo half bridge, usando MOSFETS como elementos activos de conmutación. Dada la naturaleza de la retroalimentación no es recomendable usar BJT o al menos que se use un circuito integrado para la oscilación. En la figura 12 se muestra el circuito prototipo del cual se elaboró el programa PS1 el que se implementó usando PsPice. Las figuras 13 y 14 muestran las formas de onda de voltaje y corriente de entrada en el balastro prototipo, real, desconectando la retroalimentación y conectándola respectivamente. Compárese con la simulación figuras 6 y 11 respectivamente. Fig. 14. Con corrección de factor de potencia. La tabla II muestra los resultados de dicha balastra usando un analizador de potencia, se observa una mejora en la reducción de contaminación de armónicos THD de 83% a 3% y una mejora del factor de potencia del 54% a 98% con base a un esquema tradicional. La eficiencia baja de un esquema a otro disminuye debido a la tensión en los transistores dada la retroalimentación, es recomendable usar disipadores de calor para evitar el efecto avalancha y con ello la falla del balastro.11 Tabla II. Resultados. Fig. 12. Balastro con corrección de factor de potencia, usando el esquema “cancelación de voltaje”. Fig. 13. Sin corrección de factor de potencia. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 Parámetro Balastro sin PFC Balastro con PFC Vin [V] 126.9 126.97 Iin [mA] 515 280.7 Pin [W] 35.5 34.86 THD [%] 82.65 2.73 PF [%] 54.3 97.78 Vl [V] 93.58 154.90 Il [mA] 336.0 191.40 Freq [KHz] 32.27 47.98 Pl [W] 31.3 29.40 Eff [%] 88.2 84.34 57 �Implementación de balastro con corrección de factor... / Fernando M. Betancourt Ramírez, et al Para evitar este problema se puede usar un circuito integrado que regula la frecuencia de oscilación, ya que la frecuencia de oscilación varía al conectar la retroalimentación provocando en BJT y MOSFETS un efecto avalancha fácilmente. CONCLUSIONES Es de suma importancia para la industria y el comercio mantener factores de potencia altos para no demandar más energía de la requerida ante la crisis energética que se está viviendo. Así mismo que el voltaje y la corriente sufran poca distorsión por el contenido de armónicos agregados a la red eléctrica por un aparato eléctrico dado, de manera que esta distorsión no genere ineficiencias en la operación de otros aparatos eléctricos de la red. A bajo costo y con componentes pasivos, es posible corregir el factor de potencia de cualquier aparato eléctrico, en este caso balastras electrónicas para alimentar lámparas de gas. Para adecuar la solución al problema existen diferentes ayudas computacionales, eg. PsPice, las cuales nos dan una idea de lo que pudiese pasar antes de gastar tiempo en un laboratorio. Es útil comparar las formas de onda de la simulación de la corrección con las convencionales aunque muchas de las veces no existen los modelos requeridos y es necesario crear uno propio basado en otros modelos. Como ejemplo para simular la balastra prototipo se creó un DIAC que no esta disponible comercialmente ni en revistas especializadas. Dicho elemento se modeló a partir de un TRIAC cuya excitación de la compuerta se da por medio de un interruptor controlado por voltaje.12 El modelo del toroide para la oscilación en el programa PS1 fue modelado de manera ideal, al crear el prototipo se observó una baja en la frecuencia de oscilación al retroalimentar por medio del capacitor, dañando los componentes de conmutación. Para trabajar en la zona donde predomina el efecto inductivo, control de corriente, la frecuencia de oscilación debe ser mayor a la frecuencia natural de resonancia del inductor (balastro) y el capacitor de precalentamiento para evitar daños en los componentes de conmutación. 58 Una manera de evitar estos daños, es saturando el toroide de oscilación a una frecuencia mayor a la que resultaría de la retroalimentación o bien usando un circuito integrado que maneje la frecuencia de oscilación independiente a la saturación del magnético. PROGRAMAS Programa PS1 Balastra con retroalimentacion capacitiva VIN 16 19 SIN(180V 60hz) LI1 16 25 1m filtro EMI CI1 25 19 1u LI2 25 24 3.6m X1 24 19 MOV DR1 0 24 D1N4007 Rectificador onda completa DR2 24 21 D1N4007 DR3 0 19 D1N4007 DR4 19 21 D1N4007 CR2 1 0 47U DR5 21 22 D1N4007 Retroalimentación DR6 22 1 D1N4007 CBK1 22 26 100n RD 1 11 330K Red de disparo CD 11 0 22n D5 11 3 D1N4007 X2 11 6 DIAC R2 4 5 6 Brazos del puente R3 6 7 6 Q1 1 4 3 QMJE13005 Q2 3 6 0 QMJE13005 DA1 0 3 D1N4937 DA2 3 1 D1N4937 L21 3 8 120u Toroide de oscilación L22 0 7 120u L23 5 3 120u K1 L21 L22 L23 0.9 Ccd 8 9 1u Etapa de Salida L1 9 10 1m CL 10 0 20n RL 10 0 280 LIB TESIS.LIB Opciones de simulación PROBE OPT NOPAGE ITL5=0 ITL4=100 TRAN 1us 100ms 0m 1us FOUR 60 51 I(VIN) END Programa Subckt DIAC 3 1 Modelación de un DIAC a partir de un TRIAC rgate 2 5 100 cgate 2 1 218n vgs 5 1 0 striac 3 4 6 1 striac cswitch 3 4 110p Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Implementación de balastro con corrección de factor... / Fernando M. Betancourt Ramírez, et al vas 4 1 0 VAUX 2 11 6 S3 11 0 3 0 S3 MODEL S3 VSWITCH(VON=32 VOFF=28 RON=2 ROFF=125MEG) model striac vswitch (ron=.0764 roff=20meg von=1 voff=0) fsense 1 6 poly(2) vgs vas -1 66.666 0 16666 0 2.8e4 rsense 6 1 1 ea 7 1 poly(1) 3 1 0 0 .01 ra 7 1 1 vbr 8 1 1 sbr 8 5 7 1 sbr model sbr vswitch(ron=.001 roff=1meg von=404 voff=396 cr 6 1 .1u ends REFERENCIAS 1. Bairanzade, Michael, “AN1543, Electronic Lamp Ballast Design” y “AN1601, Efficient Safety Circuit for Electronic Ballast”, Motorola, USA, N/A. 2. Kloss, Albert, “A basic guide to power electronics”, Chichester, Wiley, 1984. 3. Haver R.J., “The Veredict Is In: Solid State Fluorescent Ballasts Are Here”, EDN Magazine, 1976. 4. Goldwasser, Samuel, “Inverters to power Fluorescent Lamps from Low Voltage V1.13 DC”, http://www.misty.com/~don/flvdc.html, Internet , 1997 & “Various Schematics and Diagrams V1.61”, http://www.repairfaq.org/sam/ samschem.htm, Internet, 1998. 5. Alling, William, “Preserving Lamp Life Using a Low cost Electronic Ballast with Compact Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 Fluorescent Lamps, A new Approach”, Conference Record of the 1993 IEEE Industry Applications Conference Twenty-Eight IAS Annual Meeting. Diablo Scientific Laboratories, LTD. IEEE, USA, 1993. 6. G. Calabrese, “A new High Voltage IC driver for Electronic Lamp Ballast”, SGS-Thomson, Microelectronics, USA,N/A. 7. International Rectifier, “IRPLLNR1Powirlight, Reference Design: Linear Ballast”, International Rectifier, USA, 1997. 8. M. Luciano; M. Savatsano; F. Avallone. “Characterization of a New Device for Fluorescent Lamps Supplying”, Conference Record of the 1993 IEEE Industry Applications Conference twenty-eight IAS Annual Meeting. Napoles, Italia 1993. 9. Takahashi, Isao, “Power Factor Improvement of a Diode Rectifier Circuit by Dither Signals”, Nagaoka University of Technology, Japan, 1990. 10. Qiang, Jinrong, Advanced Singled-State power factor correction techniques, Virginia Polytechnic Institute and State University, USA, 1997. 11. Sotelo Enrique, Tesis: ”Diseño de balastras electrónicas con alto factor de potencia”, FIMEUANL, México, 2000. 12. Sotelo Enrique; Millán Horman; Takeda Miyuki, Fuentes Armando, “Proyecto de análisis del diseño y del proceso de manufactura de balastras electrónicas, Industrial Solmex,” ITESM-CSIMLIDIME, México, 1996. 59 �Plataforma para teleoperación vía Internet César Guerra Torres, Jesús de León Morales FIME, UANL cesarguerra@fime.uanl.mx RESUMEN En este trabajo se analizan los posibles esquemas para el telecontrol de dispositivos electromecánicos en función del nodo de aislamiento. Además se indican los pasos y los requerimientos necesarios para la implementación de una plataforma de teleoperación vía Internet basada en software, costeable y de fácil instalación. Como aplicación se muestran los elementos utilizados en una plataforma para el telecontrol de un motor de inducción vía Internet localizado en las instalaciones del IRCCyN en Nantes, Francia. PALABRAS CLAVE Control a distancia, educación a distancia, teleoperación, PC Remote, Motor de inducción. ABSTRACT In this work, the possible schemes for the telecontrol of electromechanical devices are shown depending on the isolation node, furthermore, the necessary steps and requirements for the implementation of a teleoperation platform via internet, based on cost effective and easy to install software, are given. Also the elements of a platform to telecontrol of an induction motor placed at IRCCyN facilities, in Nantes, France, is shown here as an example. KEYWORDS Telecontrol, distance education, teleoperation, PC remote, induction motor. INTRODUCCIÓN La complementación entre los sistemas de control y de comunicación ha sido por tiempo un tema de interés entre la comunidad investigadora, esto debido, a la posibilidad de implementar tecnologías que permitan el control remoto de dispositivos electromecánicos. Diversos medios de comunicación como radiofrecuencia, infrarrojo, modem, satelital, etc., han sido utilizados durante algún tiempo, hoy en día, el Internet ofrece una alternativa para la operación y/o el control de dispositivos en forma remota, de modo que esta tecnología ya no es exclusiva sólo de aquellos que podían hacer inversiones importantes, sino que ahora está al alcance de muchas personas. Lo anterior permite la generación de nuevas aplicaciones y campos de investigación en el área de automática y comunicaciones. Por ejemplo, a nivel educativo, se puede implementar una plataforma que brinde el servicio de laboratorio 60 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Plaforma para teleoperación vía Internet / César Guerra Torres, et al a distancia, permitiendo entre otras cosas, el acceso a la experimentación real auxiliando a las simulaciones. Un ejemplo de este tipo de laboratorios se detalla en.1, 2 Además, este recurso puede ser empleado en presentaciones de videoconferencia como un auxiliar experimental como parte de la enseñanza. Por otra parte, a nivel industrial el control u operación a distancia, ofrece nuevos esquemas de aplicación que permiten a personal técnico realizar las acciones de corrección, compilación de software, etc., en forma remota beneficiando en ahorro de tiempo, de traslado y económico. A nivel comercial, permite dar soluciones en equipos de automatización remota para facilitar el uso remoto de equipo así como la ayuda técnica. Para poder implementar una plataforma de este tipo es importante considerar entre otras cosas, el tipo de esquema que depende de la ubicación del nodo, así como de los recursos tecnológicos disponibles para la transmisión remota. Además, es importante determinar si lo que se desea es el control u operación del dispositivo en forma remota, por lo que en este trabajo estos se usarán los siguientes conceptos: - Telecontrol. Es la acción del control basada en la retroalimentación y en forma remota, que mediante un medió tecnológico de comunicación, modifique la planta. - Teleoperación. Es la acción humana y remota que mediante un medio tecnológico de comunicación, actúe sobre el control o algunos de los componentes del sistema. En este trabajo, se definen algunos esquemas y elementos importantes en la implementación de una plataforma para el telecontrol o teleoperación como lo son: esquemas basados en el nodo de aislamiento y recursos tecnológicos que pueden ser utilizados para la comunicación remota. El presente trabajo está organizado de la siguiente manera: 1. Se definen los esquemas de estas plataformas basándose en el nodo de aislamiento. Posteriormente, se resumen los recursos tecnológicos que pueden ser utilizados en comunicación remota clasificándolos en dos grupos SW y HW. 2. Se indican los pasos necesarios para implementar una plataforma de teleoperación de dispositivos Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 electromecánicos tomando como esquema un sistema sin aislamiento y basado en software (SW) como recurso tecnológico de comunicación. 3. Como aplicación, se detallan los elementos utilizados en una plataforma de teleoperación de un motor de inducción ubicado en una de las instalaciones del IRCCyN en Nantes, Francia. ESQUEMAS Dependiendo del nodo en donde se desea realizar la transmisión, se dispone prácticamente de tres esquemas de implementación como se muestra en la figura 1. Fig. 1. Esquemas tomando el nodo de conexión. a) Sin aislamiento, b) Aislando la referencia y c) Aislando el controlador. Sin aislamiento En este esquema se independiza todo el sistema constituido por el control, la planta, la instrumentación, el equipo electromecánico de control, etc. hacia el lado del servidor. Posteriormente, mediante el uso de algún medio tecnológico, se comparten estos recursos y mediante el uso de computadora remota, se pueda tomar el control de este medio como si se estuviera “presencialmente junto a él”. La referencia del control, al igual que otros parámetros, pueden ser alterados solo del lado del servidor a través de este medio. En la realidad, este recurso se asemeja mas a la operación remota (teleoperación) que al control remoto. Aislando la referencia En este esquema se aísla la señal de referencia del resto del sistema permitiendo solo al “cliente” 61 �Plaforma para teleoperación vía Internet / César Guerra Torres, et al variar esta señal en forma remota y en tiempo real; el control que se encuentra del lado del servidor, recibe esta señal y efectúa la acción correspondiente. Aunque es conveniente disponer de un medio de visualización de la información tanto del control como de la planta, este sistema es de un solo canal de transmisión ya que solo transmite el valor de la referencia en tiempo real, el resto del trabajo se realiza del lado del servidor. En este caso, el retardo en el tiempo es considerado como el necesario para que la planta responda a las necesidades de la nueva referencia, ya que la acción de control se efectúa en el servidor siendo un caso de teleoperación, este concepto no puede variar a menos que el usuario “cliente”, mediante una forma de monitoreo, sea el encargado de realizar la acción de control convirtiéndose en un telecontrol. Aislando el controlador Este esquema consiste en aislar el controlador al lado del servidor. Aquí es necesario dos canales de conexión, uno que emita la señal del controlador desde el cliente al servidor, y otro que envíe la señal de la planta desde el servidor al controlador. En esta opción es importante considerar los efectos del retardo en el tiempo, ya que puede influir considerablemente en la acción de control. Algunas investigaciones tratan este tema y en su mayoría en sistemas lineales.3 RECURSOS TECNOLÓGICOS Otro elemento a considerar en la implementación de esta tecnología, además de la ubicación del nodo de comunicación, es el recurso tecnológico disponible para la transmisión remota de la información. Estos recursos se pueden clasificar en: Recursos HW y Recursos SW. Recursos HW Estos son los elementos electrónicos (hardware) que disponen de algún medio para la transmisión remota, prácticamente se puede hablar de controladores con puertos Ethernet y convertidores de periféricos. Los controladores de uso común como PID’s, PLC’s, tarjetas de adquisición de datos, 62 microcontroladores, etc, hoy en día disponen de un periférico Ethernet que permiten la posibilidad de operación vía Internet. Es decir, disponen recurso llamado comercialmente “servidor web interno” que permite acceder a los parámetros del dispositivo o bien, al monitoreo del mismo a través de Internet. Un punto importante a considerar en la selección de estos dispositivos es que este periférico disponga, aparte de la configuración IP, de opciones para la conexión Internet como lo es la mascara de red, el DNS, etc. En algunos casos estos pueden ser configurados con únicamente la IP, permitiendo el acceso a ellos sólo mediante una red interna conectada al dispositivo. Por otro lado, existen dispositivos llamados convertidores de periféricos que permiten la conversión de un periférico (RS-232, USB, etc.) en uno del tipo Ethernet. No hay que confundir estos dispositivos con otros convertidores exclusivos para uso en computadora. Por ejemplo, existen tarjetas de red con entrada USB, estos pareciera ser un convertidor USB a Ethernet pero solo se trata de un adaptador. Los convertidores a Ethernet tienen un “servidor web interno” instalado que permite trabajar sin el uso de la computadora. La figura 2 muestra un dispositivo convertidor de dispositivos seriales a uno del tipo Ethernet. Este dispositivo Lantronix4 dispone de un servidor web, puede ser configurado directamente del RS-232 o vía telnet. La característica es que permite la transmisión de información de cualquier dispositivo que utilice el RS-232, RS-422 ó RS-485 a la computadora, en forma remota utilizando el Internet. Fig 2. Convertidor serial a Ethernet © Lantronix. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Plaforma para teleoperación vía Internet / César Guerra Torres, et al Recursos SW El uso de software como medio tecnológico de comunicación remota, presenta algunas ventajas considerables con respecto al hardware. Un daño en el software queda prácticamente solucionado con la reinstalación del mismo, además, muchos programas de comunicación remota son gratuitos, algunas aplicaciones tienen la capacidad de interactuar con el Matlab Simulink, entre otros. Existe una variedad de software que pueden utilizarse como medio de comunicación, estos pueden clasificarse como: aplicaciones de PC-Remote, lenguajes de programación y elementos integradores. Las aplicaciones de PC-Remote (figura 3) permiten compartir “el escenario de visualización de una computadora” de modo que externamente se pueda hacer uso de todos los recursos que en ella se encuentran. Esta opción es muy viable para el caso en que se necesite implementar una plataforma de teleoperación. Por otro lado, se puede hacer uso de lenguajes de programación como Java, .Net, etc., para implementar plataformas vía Internet, permite intercambiar información entre dos computadoras. Por ejemplo, en 5 se utiliza el lenguaje de programación Java en la implementación de un laboratorio de vibraciones mecánicas en forma remota vía Internet. Fig. 3. Control remoto de una PC. PLATAFORMA UTILIZANDO CONTROL POR COMPUTADORA Y PC-REMOTE En la figura 4, se presentan los elementos necesarios para implementar una plataforma usando un esquema sin aislamiento como el de la figura 1b. Además se hará uso de una computadora como controlador y de una aplicación de PC-Remote llamada UltraVNC, como recurso tecnológico de comunicación. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 Fig. 4. Plataforma para el control a distancia. Tarjeta de adquisición de datos (DAQ) La tarjeta de adquisición (DAQ) permite el intercambio de información entre el dispositivo y la computadora. Existen diferentes modelos y características de las tarjetas de adquisición de datos. Si se utiliza una tarjeta DAQ de uso general, es importante que la selección de la misma sea la adecuada y acorde a las necesidades, ya que repercute en costo y funcionalidad. Por lo tanto, para efectuar esta elección, hay que considerar entre otras cosas: a) El número de entradas y salidas, b) Si dispone de señales analógicas y/o digitales, c) La velocidad de transferencia, d) Software disponible para la comunicación, lenguajes de programación, etc. Además, será necesario adecuarla de los medios necesarios para convertir las entradas y salidas, en señales que el dispositivo a controlar pueda interpretar. Por otra parte, existen tarjetas de adquisición de datos para un uso específico. Éstas se conectan prácticamente directo al dispositivo electromecánico, ya que se encuentra dotada de los elementos necesarios para no depender de otros convertidores. Generalmente disponen de un software de fabricante para utilizar la computadora como un medio de comunicación con la misma. Software de comunicación con la DAQ Este elemento permite la lectura e intercambio de información entre la PC y la tarjeta de adquisición de datos, el cual se tiene que considerar en la selección de la tarjeta. Gran parte de estos programas pueden realizar acciones de control, algunos disponen de interfaces gráficas y de instrumentación virtual que 63 �Plaforma para teleoperación vía Internet / César Guerra Torres, et al permite al usuario, interactuar con la tarjeta en forma más agradable, fácil y comprensible. Un punto importante que se debe considerar es si el software dispone de librerías de desarrollo en algún lenguaje de programación y/o si dispone de los recursos que permitan el acceso a librerías dinámicas DLL de otros programas. Software de control Cabe mencionar que es importante disponer de una aplicación que permita la implementación de los algoritmos tanto de control como de estimación. Las herramientas del Simulink del Matlab ofrece un excelente medio como software de control ya que además dispone de librerías para comunicarse con otras aplicaciones. Debido a esto, el software seleccionado para la comunicación con la tarjeta, deberá interactuar preferentemente con las herramientas del Matlab, de lo contrario será necesario adecuarlo con otras herramientas computacionales. Software de acceso remoto Como software de acceso remoto, en algunas aplicaciones se pueden utilizar las herramientas computacionales llamadas “VNC” (Virtual Network Computing). Estas aplicaciones permiten que una computadora acceda y controle otra computadora como si estuviera “presencialmente” en ella. El mismo sistema operativo Windows XP ofrece una alternativa mediante el recurso Asistencia Remota o bien, el MSN Messenger mediante la solicitud de asistencia remota. Otra opción es utilizar uno de los programas gratuitos que se distribuyen en el Internet, por ejemplo, UltraVNC que es de Open Source y se puede obtener de su sitio oficial6 tanto como servidor o como cliente. Procedimiento El procedimiento para la teleoperación en esta plataforma consiste básicamente en: Implementar el algoritmo de control en Matlab-Simulink, una vez probado los resultados, se desarrolla dicho algoritmo en un lenguaje tal que, el software de comunicación con la tarjeta puede interpretar, generalmente 64 es en lenguaje C. La mayoría de las veces este procedimiento se pueden hacer en forma automática exportándolo desde Matlab-Simulink. Posteriormente, esta computadora se dota de los recursos necesarios para convertirla en un servidor de recursos del tipo VNC. Cuando este se cumpla, una computadora PC-Client que tiene instalado el módulo del cliente del PC Remote y los permisos de salida, se conecta a la computadora PC-Server. Una vez conectada, utiliza los recursos de la misma para controlar remotamente el dispositivo mediante los medios que el software le permita. EXPERIMENTACIÓN A continuación se detalla el procedimiento, así como los resultados obtenidos de un experimento realizado para la operación a distancia vía Internet de un motor de inducción ubicado en un laboratorio de las instalaciones del IRCCyN en Nantes Francia. La figura 5 representa los elementos necesarios para la explicación de esta experimentación, mientras que la figura 6 muestra físicamente el equipo utilizado. El experimento consiste en controlar la velocidad de un motor de inducción basado en un observador. Aquí se implementó una estrategia de control y estimación sin necesidad de medir la velocidad, en este caso solo se miden las corrientes y los voltajes, el resto es estimado por el modelo de un observador. Fig. 5. Esquema del experimento. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Plaforma para teleoperación vía Internet / César Guerra Torres, et al Fig. 6. Equipo experimental. Más detalles sobre esta implementación así como los resultados se puede encontrar en.7 El Matlab es utilizado tanto como herramienta de control, como de programación del algoritmo de control y de observación, esto se logra mediante el uso de herramientas gráficas del Simulink. Una vez implementado y probado los algoritmos, el siguiente paso consiste en compilar esta información desde Matlab a fin de generar un archivo interpretable del software de comunicación de la tarjeta. Aquí se utiliza una tarjeta de adquisición de datos dSPACE8 que incluye un software para el intercambio de información con el Matlab llamado ControlDesk,9 el cual lee el archivo compilado por Matlab y mediante un procedimiento interno, deja listo la comunicación entra la PC-Server y la tarjeta. Además, este software está dotado de una serie de librerías que permiten la implementación de instrumentos virtuales facilitando la visualización de los parámetros y la comunicación con la tarjeta dSPACE. La tarjeta dSPACE se comunica con el motor de inducción a través de una serie de dispositivos que consisten en transductores, electrónica de potencia, variadores, etc, e intercambia la información con la computadora (figura 6). Una vez hecho lo anterior, se utiliza un programa de comunicación remota para compartir los recursos de esta computadora, en este caso, se utilizó el software UltraVNC. Para utilizar UltraVNC es necesario que la computadora tenga los permisos de comunicación a través del Internet por medio de algunos puertos, inicialmente utiliza los puertos 5880, 5890 y 5555 en el servidor y 5880, 5890 en el cliente. Estos permisos deberán ser configurados por el administrador de la red. Por último, la PC-Remote debe permitir el acceso a ella a través del módulo servidor del UltraVNC, permitiendo así, que una PC-Client se conecte y pueda hacer uso de los recursos necesarios. El único requisito para acceder remotamente es el de disponer de una computadora con el módulo cliente del UltraVNC, a fin de poder acceder a los recursos del servidor y hacer las acciones de control. La figura 7 muestra al ControlDesk durante el proceso de control remoto. Para mostrar visualmente los acontecimientos en el motor en tiempo real, esta plataforma cuenta con una cámara web que permite visualizar el motor y su entorno en tiempo real como se muestra en la figura 8. Fig. 7. Resultados del experimento con ControlDesk. Fig. 8. Cámara web de la máquina. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 65 �Plaforma para teleoperación vía Internet / César Guerra Torres, et al CONCLUSIONES La implementación de una plataforma para la operación o el control remoto de dispositivos, permite la creación de nuevas aplicaciones y campos de investigación, por ejemplo, el acceso a laboratorios a distancia reduce costos en compra o actualización de equipo. Hoy en día, el acceso e implementación de una tecnología de control u operación remota ya no es recurso inaccesible por consideraciones económicas, ya que Internet pone al alcance de las manos implementar este tipo de tecnología. Diferentes tipos de plataformas pueden implementarse basándose en los esquemas de aislamiento del nodo, así como los recursos tecnológicos para la comunicación remota. En este trabajo se presentó una opción viable y costeable para implementar una plataforma para la teleoperación basada en software como recurso tecnológico de comunicación. AGRADECIMIENTOS El presente trabajo fue desarrollado durante una estancia de investigación en los laboratorios del IRCCyN en Nantes, Francia, gracias a los apoyo brindados por el proyecto Ecos, el PAICYT-UANL y la FIME-UANL. 66 REFERENCIAS 1. Alberto J., João C. Espíndola, “WebTurning: Teleoperation of a CNC turning center throught the Internet”, Journal of Materials Proccessing Tecnhnology” xxx (2006). 2. Meng Wang, James N.K. Liu, “Interactive control for Internet-based mobile robot teleoperation”, Robotics and Autonomous System, 52(2005) 160-179. 3. E. Witrant, C. Canudas-De-wit, D. Georges, and M. Alamir, “Remote Stabilization, via Time_varing Comunication Network Delays”, Submitted to the Conference on Decision and Control, 2003. Una copia es accesible en wwwlag.ensieg.inpg.fr/canudas/necs. 4. Lantronix, http://lantronix.sourceforge.net, consultada en mayo de 2006. 5. Otto J. Roesch, Alexander Prusak, Huber roth, “Remote Controllable Vibration Damping Plataform”, IFAC 2004. 6. UltraVNC, http://ultravnc.sourceforge.net, consultada en mayo de 2006. 7. M. Ghanes, J. De Leon, A. Glumineau, “A sensorless output feedback controller of induction motor drive: new design and experimental validation”, International Journal of Control 2002. 8. dSPACE, “http://www.dspaceinc.com”, consultada en mayo de 2006. 9. ControlDesk, “http://www.dspaceinc.com”, consultada en mayo de 2006. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Eventos y reconocimientos I. COMITÉ DIRECTIVO DE LA SECCIÓN NORESTE DE LA ACADEMIA MEXICANA DE CIENCIAS La Academia Mexicana de Ciencias (AMC) es uno de los pilares en el desarrollo de la ciencia y tecnología en México, pues agrupa a los investigadores más destacados del país, quienes participan activamente en el establecimiento de políticas, estrategias, promoción y divulgación científica y tecnológica. La AMC Sección Noreste realizó el cambio de su Comité Directivo, asumiendo el puesto de presidente el Dr. Virgilio González; el de secretaria la Dra. Adriana Elizabeth Flores Suárez, y como tesorero el Dr. Francisco Zavala García, todos profesores de la UANL. El actual presidente de la sección noreste, el Dr. González, comenta que están interesados en incrementar la presencia de la AMC ante la sociedad a través de relaciones con los diferentes organismos de ciencia y tecnología de las empresas, Comité Directivo actual de la Sección Noreste de la Academia Mexicana de Ciencias. De izquierda a derecha: Dr. Francisco Zavala García, Dr. Virgilio González y Dra. Adriana E. Flores Suárez. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 universidades y centros de investigación. De igual manera se incentivará a los académicos para que se realicen más investigaciones y que se agilice el desarrollo de proyectos en beneficio de la sociedad. También se quiere motivar a los jóvenes para que se familiaricen con el trabajo del investigador. El Dr. Virgilio González agrega que para lograrlo realizarán pláticas en preparatorias y secundarias a grupos que estén por graduarse, para motivarlos y aterrizar el concepto de investigación y de academia, demostrando su influencia en la sociedad y el desarrollo económico del país, pues afirma que se tiene estereotipado al investigador. II. PREMIO DE INVESTIGACIÓN UANL 2005 EN INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA Durante la Sesión Solemne del H. Consejo Universitario de la Universidad Autónoma de Nuevo León, realizada el pasado 14 de septiembre de 2006, el ingeniero José Antonio González Treviño, Rector de la misma, hizo entrega de los Premios de Investigación UANL 2005. Son siete las áreas que se reconocen en el Premio de Investigación UANL: Ciencias Naturales, Ciencias de la Tierra y Agropecuarias, Ciencias de la Salud, Ciencias Sociales, Ciencias Exactas, Humanidades e Ingeniería y Tecnología. En esta ocasión, en el área de Ingeniería y Tecnología, fueron reconocidos los investigadores Dr. Jesús de León Morales y Dr. Óscar Salvador Salas Peña, por su trabajo: Diseño de algoritmos de control y observación para el motor de inducción sin sensores mecánicos. 67 �Eventos y reconocimientos Los doctores Óscar Salvador Salas Peña y Jesús de León Morales se hicieron acredores al Premio de Investigacion UANL 2005 en el área de Ingeniería y tecnología. Este proyecto desarrollado en la FIME-UANL busca reducir el número de sensores mecánicos utilizados para medir las diferentes variables necesarias para controlar un motor, una de ellas es la velocidad del rotor, lo cual se puede aplicar a cualquier tipo de máquina, entre ellas, generadores de potencia. “Entre menos sensores necesite, menor es el volumen, el peso y el costo del aparato porque se reduce el equipo asociado a estos instrumentos que se adaptan para poder ejecutar las acciones de control”. Este trabajo tiene gran potencial en vitud de que actualmente una gran cantidad de energía eléctrica se consume en motores de inducción utilizados en todo tipo de aparatos, como en lavadoras y refrigeradores, por lo que se buscan estrategias de control que permitan hacer más eficientes el desempeño de estos motores mejorando los aspectos económicos y reduciendo el consumo de las fuentes no renovables de energía en el mundo. III. PREMIO A LA EXCELENCIA A ALUMNO DE SERVICIO SOCIAL COLABORADOR DE LA REVISTA INGENIERÍAS El pasado 14 de junio de 2006 la UANL distinguió a cinco de sus estudiantes con el Premio a la Excelencia en el Cumplimiento del Servicio Social, en ceremonia realizada en el auditorio de la Biblioteca Universitaria “Raúl Rangel Frías”. El Ing. José Antonio González Treviño, rector de la UANL presidió el acto en que fueron galardonados Sergio González Alegre, en la modalidad de 68 servicio comunitario; Gloria López Álvarez, en administrativo; Santiago Fernández Recio, en académico-investigación; David Segovia González, en académico-docente y Mario Alberto Medrano Gutiérrez, en la modalidad asistencial. El alumno galardonado en la modalidad académico-investigación, Santiago Fernández Recio, alumno de la FIME-UANL, realizó su servicio social en la revista Ingenierías. Durante su servicio tuvo la iniciativa de elaborar una versión en CD de la revista Ingenierías, idea que bajo la supervisión del director de la revista se concretó en un miniCD con todo el volumen VIII de la revista Ingenierías, correspondiente al año 2005. El CD permite consultar en extenso todos los artículos de los números de dicho volumen y cuenta con opción de búsquedas por palabras para la rápida localización de información. Ing. Rogelio G. Garza Rivera, Ing. Myriam Solano González, Ing. José Antonio González Treviño, Santiago Fernández Recio y el Ing. Fernando J. Elizondo Garza durante la ceremonia de premiación del 5° Premio a la Excelencia en el Desempeño del Servicio Social 2006. IV. CONSOLIDAN FUNDACIÓN PRO-FIME Hace dos años, por iniciativa del director de la FIME-UANL, Ing. Rogelio Garza Rivera, se creó la fundación Pro-FIME y desde entonces mantiene reuniones quincenales tendientes a establecer las bases que permitan iniciar formalmente la afiliación de miembros. La Fundación Pro-FIME, que aún se encuentra en proceso de consolidación, está realizando acciones en beneficio de su alma mater. Con las Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Eventos y reconocimientos La idea es estar preparados para dar servicios a la industria, de acuerdo a la especialidad de nuestros agremiados, a través de asesorías, conferencias o congresos de ingeniería. Ésta representa una oportunidad para que los egresados de la FIME compartan su experiencia y conocimientos. Reunión del Director de la FIME-UANL, Ing. Rogelio G. Garza Rivera con la Mesa Directiva de la Fundación ProFIME. aportaciones de sus primeros agremiados ha hecho un donativo para la compra de dos pizarrones interactivos destinados a las aulas de clase mundial de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. La intención de la fundación es que todos los que han sido egresados de la FIME apoyen a su alma mater con tiempo, con recursos económicos o con conocimientos, para que siga su avance en este proceso de excelencia. Actualmente existen veinte consejeros titulares y alternos, así como cuarenta afiliados cuyas aportaciones resultaron en un donativo en efectivo entregado al director el 28 de junio de 2006. La Fundación Pro-FIME, que preside el Ing. Alfonso Morcos, trabaja a través comisiones en distintas líneas de acción, una de ellas encargada de elaborar la base de datos con los nombres y direcciones de los egresados para establecer contacto con ellos. Otra comisión diseña una página Web para hacerla llegar a los egresados que se encuentran fuera del país como en Estados Unidos y Europa para que, aún a la distancia, colaboren y se mantengan actualizados. Pero la fortaleza de la fundación será el buró de servicio a la industria integrado por profesionistas de varias especialidades egresados de la FIME. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 V. RECIBE DISTINCIÓN EL DIRECTOR DE LA FIME-UANL El Ing. Rogelio G. Garza Rivera, director de la FIME, fue distinguido por la Federación de Colegios Profesionales del Estado de Nuevo León, A.C. con el “Reconocimiento a la Excelencia Profesional”, el cual se otorga anualmente a profesionales en virtud de su formación académica, experiencia docente y de investigación, así como la relevancia de las actividades que realizan en la sociedad. La ceremonia de premiación tuvo lugar el pasado 22 de septiembre en el auditorio “Cayetano Garza” de la Universidad Metropolitana de Monterrey. El Ing. Rogelio G. Garza Rivera recibiendo el Reconocimiento a la Excelencia Profesional otorgado por la Federación de Colegios Profesionales del Estado de Nuevo León A.C. 69 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Junio - Agosto 2006 Melchor Siller Olvera, Maestro en Ciencias de la Ingeniería con especialidad en Telecomunicaciones, “Problemas de origen (Trblorg) en sistemas punto – multipunto con señalización V5 – 2”, 2 de junio de 2006. Aldo Raudel Martínez Moreno, Maestro en Ciencias de la Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales (Examen por Materias), 7 de junio de 2006. Juan Antonio Zamora Montemayor, Maestro en Ciencias de la Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales (Examen por Materias), 7 de Junio de 2006. Alma Judith Galindo Fernández, Maestro en Ciencias de la Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, “Normas internacionales de calidad” (Proyecto Corto), 7 de junio de 2006. Homero Horacio Tamez Garza, Maestro en Ciencias de la Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, “La comunicación organizacional en las relaciones humanas” (Proyecto Corto), 8 de junio de 2006. Rafael Hugo Cuellar Guerra, Maestro en Ciencias de la Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, “Apertura de una microempresa comercial y de servicios” (Proyecto Corto), 12 de junio de 2006. Velia García Loera, Maestro en Ciencias de la Ingeniería de Sistemas, “Estudio de optimización multicriterio en moldeo por inyección de termoplásticos”, 14 de junio de 2006. 70 Mayra Lizett Moreno Rodríguez, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caracterización del recubrimiento termogalvanizado en aceros Hsla”, 19 de junio de 2006. Jesús Fernando Garza González, Maestro en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Mecánica (Examen por Materias), 20 de junio de 2006. Leonel Cantú Tijerina, Maestro en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, “Dirección empresarial”, 21 de junio de 2006. Pedro Rodrigo Guerra Leal, Maestro en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Estudio de la producción de componentes estructurales en función de la relación de su geometría con los esfuerzos mecánicos”, 23 de junio de 2006. Felícitas Palacios Patiño, Maestro en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales (Examen por Materias), 26 de junio de 2006. Norma Leticia Carrizales Peña, Maestro en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales (Examen por Materias), 29 de junio de 2006. Neydi Gabriela Alfaro Cázares, Maestro en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, “Implementación de una estructura administrativa en un instituto de enseñanza a nivel básico” (Proyecto Corto), 30 de junio de 2006. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Mayra Giovanna Navarro González, Maestro en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “La calidad comienza conmigo” (Proyecto Corto), 30 de junio de 2006. Iván Eleazar Moreno Cortez, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la hematina como opción biomimítica en la síntesis de poliamilina en su forma conductora”, 30 de junio de 2006. Ana María González Ibarra, Maestro en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad (Examen por Materias), 3 de julio de 2006. Herlinda María Delgadillo Guerra, Maestro en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad (Examen por Materias), 3 de julio de 2006. Carlos Javier Lizcano Wong, Maestro en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, “Administración de la categoría de accesorios de la cadena de tiendas de celulares Phone City”, 5 de julio de 2006. Víctor A. Cabrera Olivares, Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Implementación de ISO 9001:2000, para mejorar la educación en una escuela de la marina mercante”, 6 de julio de 2006. Vladimir García Hernández, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Efecto de los substituyentes laterales en las propiedades físico-químicas de polibenzoatoetilenos”, 7 de julio de 2006. Guillermo García Gil, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Análisis de la solidificación de una pieza aluminio aleación A319”, 10 de julio de 2006. Gisela Ramírez Rodríguez, Maestro en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, “Detección de necesidades de capacitación basado en el modelo de competencias” (Proyecto Corto), 10 de julio de 2006. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 Shelene Guzmán Garza, Maestro en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales (Examen por Materias), 10 de julio de 2006. Pedro Luis Peña Barrera, Maestro en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, “Administración de indicadores de producción”, 12 de julio de 2006. Tomás Guadalupe Facundo Garza, Maestro en Ciencias de la Ingeniería de Manufactura con especialidad en Diseño de Producto, “Aplicación de 6 Sigma, ingeniería concurrente y administración de proyectos para el desarrollo óptimo del proceso en la introducción de prototipos”, 18 de julio de 2006. Juan Alejandro Sibaja Santos, Maestro en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Detección de necesidades del cliente usando diagrama Kano” (Proyecto Corto), 21 de julio de 2006. Nancy Gabriela Sánchez Peña, Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Influencia de la inteligencia emocional en el desempeño del trabajo”, 24 de julio de 2006. Issac Tobías Guzmán Matar, Maestro en Ciencia Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, “Apertura de un restaurante” (Proyecto Corto), 24 de julio de 2006. Edna Karina Muñoz Hernández, Maestro en Ciencia de la Administración con especialidad en Relaciones Industriales, “Oportunidad laboral: El reto de los discapacitados”, 25 de julio de 2006. María Guadalupe Tamez Garza, Maestro en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales (Examen por Materias), 3 de agosto de 2006. Marcella Ivonne Olmos Alejo, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Análisis de autoafinidad de superficies de la poliamida 6 cristalizada dinámicamente”, 4 de agosto de 2006. Benito Eleazar González Cortez, Maestro en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales (Examen por Materias), 7 de agosto de 2006. 71 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Benigno Rodríguez Cantú, Maestro en Administración Industrial y de Negocios con orientacion en Producción y Calidad (Examen por Materias), 10 de agosto de 2006. Saúl Reyes Godínez, Maestro en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, “Efectos del teléfono celular en el cerebro humano” (Proyecto Corto), 11 de agosto de 2006. José Luis Lara Méndez, Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Sistemas, “Sistemas de información en servicios médicos”, 16 de agosto de 2006. 72 Eden Ali de la Garza Bravo, Maestro en Ingeniería con orientación en Manufactura, “Gestión de la cadena de suministros y el desarrollo de proveedores”, 23 de agosto de 2006. Teresita de Jesús Varela González, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Modificación química de silicatos laminares para la obtención de nanocompuestos de nylon-6/montmorillonita”, 29 de agosto de 2006. Adriana Morales Vigueras, Maestro en Ingeniería con orientación en Manufactura (Examen por Materias), 29 de agosto de 2006. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Acuse de recibo MECHANICAL ENGINEERING MAGAZINE ASEE PRISM Publicada mensualmente por The American Society of Mechanical Engineers International, esta revista presenta artículos que muestran el papel que juega la ingeniería en los avances tecnológicos e industriales, considerando incluso aspectos económicos y sociales. Por ejemplo, en el número de septiembre de 2006 se presenta un artículo titulado: No small risk que menciona y discute que a pesar de la falta de estudios concluyentes sobre si las nanopartículas producen algún daño en las personas ya existen en el mercado artículos de uso común como repelentes y cremas que se promocionan diciendo que las contienen, sin haber probado sus efectos de mediano y largo plazo. Por otra parte la revista ofrece en su versión electrónica artículos seleccionados de la versión impresa que incluyen actualizaciones semanales y próximamente ofrecerá un espacio para foros de discusión y noticias. La dirección electrónica es http://www.memagazine.org/ La revista PRISM (ISSN 1056-8077) es publicada nueve veces al año por la American Society for Engineering Education, en un agradable y concreto formato de divulgación. Esta publicación nos ofrece artículos de actualidad sobre ingeniería y educación, así como una serie de artículos cortos (Teaching Toolbox) sobre educación en ingeniería. También cuenta con una sección de notas cortas (Briefing) y una de estadísticas sobre educación (Databytes). Como un ejemplo de sus contenidos, en el número 8, Vol. 15, correspondiente a abril de 2006, se aborda en uno de los artículos principales la educación a distancia. También se aborda la polémica alrededor de los programas que algunas universidades han establecido para divulgar la nanotecnología a niños y jóvenes, en virtud de las grandes oportunidades que representa, así como de las posibles consecuencias negativas que, dado su tamaño, podrían representar a la salud al poder entrar fácilmente al cuerpo. Para suscribirse a la ASEE consulte: http://www.asee. org/. Para consultar el número actual o los anteriores: http://www.asee.org/publicatons/prism/index.cfm. (JAAG) (FJEG). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 73 �Acuse de recibo INGENIERÍA BOLETÍN DE MINERALOGÍA Esta revista tetramestral es editada por la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Yucatán. Los trabajos que publica son originales de carácter científico y tecnológico, y tratan temas relacionados con la ingeniería y su enseñanza, especialmente, la ingeniería civil y ambiental, ingeniería física e ingeniería Mecatrónica. Se trata de una revista de difusión de la investigación científica y tecnológica, además de temas de interés general. Como un ejemplo del contenido de esta revista, en el último número (Vol. 10, núm. 2, mayo-agosto 2006), se tiene el artículo “Riesgos en la salud de los trabajadores de la construcción” que analiza la exposición de los trabajadores a condiciones inseguras, señala que normalmente son intermitentes y de corta duración. Este artículo se basa en documentos de la Organización Internacional del Trabajo, y señala la importancia de reducir las condiciones inseguras en el sitio, más que con la frecuencia. Se pueden consultar los artículos en texto completo de esta publicación en el sitio http://www. ingenieria.uady.mx/revista/ (JAAG) Publicación anual de carácter científico de la Sociedad Mexicana de Mineralogía A.C. cuyo propósito es la difusión y comunicación de conocimientos, estudios e investigaciones relacionados con los minerales El Boletín de Mineralogía brinda un marco para trabajos científicos y de difusión generados tanto por especialistas y profesionales, como por estudiantes de licenciatura y posgrado. La mayoría de los trabajos que se publican están orientados hacia problemas científicos de carácter básico y aplicado, de interés regional y local, como ejemplo en el número 17 que se publicó en marzo de 2006 se presenta un artículo sobre la minería del mercurio en México, en donde se explica la importancia de realizar trabajo geológico con respecto a la explotación de este metal, que según el artículo en México es ocasional. También se presenta el caso de los yacimientos de uranio que se encuentran en México. La página de la Sociedad Mexicana de Mineralogía es http://smm.iim.umich. mx/ y allí se pueden consultar, en texto completo, los últimos números. (JAAG) 74 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �Colaboradores Alcorta García, Efraín Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica, por la UANL en 1989 y 1992 respectivamente. Doctor en Ingeniería Eléctrica con especialidad en Control por la Universidad Gerhard Mercator Duisburgo, Alemania en 1999. Profesor-Investigador y Coordinador de Investigación en Ingeniería Eléctrica de la FIME-UANL. Betancourt Ramírez, Fernando Manuel Doctorado en Ingeniería Eléctrica por la FIME-UANL en 1993. Es catedrático en la FIME y realiza proyectos de investigación dentro del Cuerpo Académico de Sistemas de Potencia del cual es líder. Campos Vázquez, Alfonso Ingeniero Mecánico y Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica por la ESIME-IPN. Actualmente trabaja en la Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería y Tecnologías Avanzadas del IPN como profesor de tiempo completo de mecatrónica. Dávila del Toro, Fabiola Ingeniero Químico Metalúrgico egresada de la Facultad de Metalurgia de la Universidad Autónoma de Coahuila (2000). Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la FIME-UANL (2003). Actualmente realiza su doctorado en Materiales en la misma Institución. De León Morales, Jesús Licenciado en Ciencias Físico-Matemáticas (1981) por la FCFM, UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería en el CINVESTAV (1987), y Doctorado en Ciencias (1992) por la Universidad Claude Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 Bernard, Lyon I, Francia. Desde 1993, es Profesor Investigador del Programa Doctoral en Ingeniería Eléctrica de la UANL. Ha obtenido varios Premios de Investigación UANL. Miembro del SNI, nivel II y miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. Diego Nava, Fidel Ingeniero Mecánico y Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica por la ESIME-IPN. Actualmente trabaja en el Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional Unidad Oaxaca del IPN. Garza Navarro, Marco Antonio Ingeniero Mecánico Electricista de la FIME-UANL 2004. Tiene Maestría de Ingeniería en Materiales, y estudia el doctorado en la misma institución. González González, Virgilio Ángel Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Ha sido investigador científico en el campo de los polímeros desde 1975. Es miembro del SNI Nivel II. Es profesor de tiempo completo de la FIME desde 1998. González López, Antonio Ingeniero Mecánico y Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica por la ESIME-IPN. Actualmente trabaja en el Centro de Educación Continua, Unidad Cancún, del IPN. Guerra Torres, César Ingeniero Mecánico Electricista y Maestría en Ingeniería Eléctrica con especialidad en Control por la FIME-UANL. Trabaja en su tesis doctoral en la FIME-UANL. 75 �Colaboradores Hinojosa Rivera, Moisés Ingeniero Mecánico Administrador (1988), Maestría (1991) y Doctorado (1996) en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL, Posdoctorado en ONERA (Chatillôn Francia, 1997-1998). Miembro del SNI nivel I y miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. Profesor-Investigador de la FIMEUANL desde 1998. Actualmente es Subdirector Académico de la FIME-UANL. Leal Iga, Javier Ingeniero Civil (1985) y Maestría en Ingeniería Ambiental (1986) por la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL. Actualmente estudia doctorado y es profesor de medio tiempo en la FIC-UANL. Martínez Huitle, Carlos A. Se graduó en Química en la Universidad de las Américas - Puebla (2000). Obtuvo su doctorado en Ciencias Químicas en la Universidad de Ferrara, Italia (2005), durante el ismo periodo trabajó como científico visitante en el Instituto EPFL, Suiza. Martínez Huitle, Uriel A. Actualmente realiza estudios de licenciatura en Física en la Universidad de las Américas - Puebla. En el 2000 obtuvo el 3er. lugar en la XI Olimpiada Nacional de Física realizada en Guadalajara. Nagamedianova, Zoulfia Licenciatura y Maestría en Ciencias Químicas en Moscow State University, Moscú, Rusia, (1994) y realiza su Doctorado en Ingeniería Cerámica en la UANL. Es miembro del SNI nivel candidato. Consultora en la empresa Automatización y Modernización Industrial en Monterrey, México. Actualmente es profesora asistente en la UANL. Quiroz Alfaro, Marco A. Licenciatura en Química por la Universidad Autónoma de Puebla (1977); Maestría en Química (1979) y Doctorado en Ciencias por la Universidad Autónoma Metropolitana (1985). Científico visitante a la Universidad de Poitiers, Francia (1982). Profesor de tiempo completo en la UAM-Química de 1976 a 1989. Actualmente es profesor e investigador en la Universidad de las Américas-Puebla. Autor de 43 publicaciones y más de 100 ponencias en congresos. 76 Ramos de Valle, Luis Francisco Es Ingeniero Químico por la UAdeC, Maestro en Ciencias del ITESM y de la Universidad de Loughborough, en donde obtuvo el doctorado en 1988. Investigador del Centro de Investigación en Química Aplicada desde 1976. Obtuvo el Premio Nacional de Química 1997 “Dr. Andrés Manuel del Río” otorgado por la Sociedad Química de México. Fue director del CIQA de 1993 al 2002. Es investigador titular “C” en ese centro y miembro del SNI nivel II. Rodríguez Fuentes, Humberto Ingeniero Agrónomo Fitotecnista, por la UANL. especialista en Suelos y Cultivos por el Centro Agronómico Tropical de Investigación y Enseñanza, Costa Rica. Magister Scientiae en Ciencias Agrícolas, Universidad de Costa Rica. Doctor en Ciencias Agrícolas por la UANL. ProfesorInvestigador y Jefe del Laboratorio de Suelos, Plantas y Aguas de la Facultad de Agronomía de la UANL. Sánchez Cervantes, Eduardo Maximiano Licenciado en Ciencias Químicas en el ITESM (1987). Doctorado en Química del Estado Sólido en Arizona State University en Tempe, Arizona, USA. Profesor investigador de la Facultad de Ciencias Químicas en la UANL. Es miembro del SIN nivel I con perfil deseable en el PROMEP. Sotelo Gallardo, Enrique Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones por el ITESM con estudios de Postrado en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Electrónica por la UANL así como estudios de Posgrado en Administración de Empresas con especialidad en Mercadotecnia en la UR. Trabaja como especialista para la industria de manufactura electrónica. Villa y Rabasa, Gabriel Ingeniero Mecánico y Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica por la ESIME-IPN. Actualmente trabaja en la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME Unidad Zacatenco donde es profesor de tiempo completo de la maestría en ingeniería mecánica. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 �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, convocatorias, etc. Es requisito indispensable que las colaboraciones estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. No deberán estar redactadas en primera persona. Solamente se aceptarán trabajos en inglés de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos estarán 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. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la FIME-UANL. LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras y carta de cesión de derechos, en formato electrónico .doc de Word, en disquete, CD o por E-mail a las direcciones: fjelizon@mail.uanl.mx jaguilar@gama.fime.uanl.mx artículo es cuatro. La extensión de los artículos no deberá exceder de 8 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como inglés. Las referencias deberan ir 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. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, en formato jpg, con 300 dpi y con al menos 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif o .eps. 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: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 caracteres. El número máximo de autores por Ingenierías, Octubre-Diciembre 2006, Vol. IX, No. 33 77 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2006 Volumen Volumen de la revista 9 Número Número de la revista 33 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2006, Vol 9, No 33, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Hinojosa Rivera, Moisés, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Coordinador Editorial Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2006 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020796 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Apero Baterías de litio Clima Nanotecnología Quitosán Refractario