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�OBJETIVO
DIRIGIDO A
El SIMCI, en su emisión 2018, tiene como objetivo difundir nuevas ideas y visiones en
materiales de Ciencia, tecnología e innovación proveniente de trabajos teóricos y experimentales, así como de prototipos, diseños y herramientas, esto a través de conferencias
magistrales, presentaciones orales, carteles y talleres dictados por expertos nacionales
e internacionales, con la finalidad de contribuir al progreso de la región, estado y país.
Profesionistas,
empresarios,
vestigadores,
estudiantes
y
en contribuir al desarrollo
TEMÁTICAS
CIENCIAS BIOLÓGICAS Y DE LA SALUD (CBS)
Agrobiotecnología, biotecnología industrial y farmacéutica, biotecnología del mar y medio ambiente, materiales biológicos, fuentes alternas
de energía, ingeniería de tejidos biológicos, imagenología, sistemas biomédicostelemedicina,
bioinstrumentación,
bioinformática,
ejercicios
y
rehabilitación, masoterapia, electroterapia y agentes físicos, casos clínicos, salud pública, investigación clínica, patología clínica, cirugía general y trasplantes.
organizadores,
académicos,
inpúblico
en
general,
interesados
científico y tecnológico del país.
TIPOS DE TRABAJO
•Artículos a publicarse en la revista del SIMCI 2018 (ISSN online: 25941097, ISSN CDROM: ISSN: 2007-7394), revista “INGENIERÍAS” de la
UANL (ISSN: 1405-0676) o en revistas de la editorial ECORFAN. •Capítulos de libro (libro con ISBN editado por la editorial ECORFAN-México).
FECHAS IMPORTANTES
Fecha límite de recepción de trabajos: 3 de agosto.
Aviso de aceptación de artículos o capítulos de libro: del 20 al 24 de agosto.
CIENCIAS COMPUTACIONALES, COMUNICACIONES Y FINANZAS
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avanzada, sistemas mecatrónicos, sistemas ciberfísicos, robótica, sistemas autónomos, optomecatrónica, agricultura de precisión, manufactura avanzada, mecánica aplicada, diseño mecánico materiales avanzados, nanociencias y nanotecnol
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Ingenierías es una publicación trimestral arbitrada, editada por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo
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�Contenido
79
Abril-Junio de 2018, Año XXI, No. 79
3
Editorial: Reconociendo a los divulgadores de
ciencia y tecnología
Juan Antonio Aguilar Garib
6
Caracterización de superficies maquinadas
por medio de parámetros de rugosidad
F. Eugenio López Guerrero, Raúl Cavazos Flores,
Mario Delgado Acosta
13
Actividad fotocatalítica de L-Bi2Mo06 y H-Bi2Mo06
en la degradación de rodamina B por acción
de luz visible
Daniel Sánchez Martínez, Azael Martínez de la Cruz,
Enrique López Cuéllar, Ubaldo Ortiz Méndez
19
Materiales poliméricos dieléctricos
Jesús G. Puente Córdova, M. Edgar Reyes Melo,
Beatriz C. López Walle, Virgilio Á. González González
28
Recuperación de fibras de carbono de materiales
compuestos termofijos con agua y alcohol bencílico
en estados subcríticos y supercríticos
Rodolfo Morales Ibarra, Mitsuru Sasaki, Motonobu Goto,
Armando T. Quitain, Saida Mayela García Montes
40
Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito
Efraín Alcorta García, Francisco Eduardo López Castillo,
Salvador Saucedo Flores
51
Análisis electromagnético de celdas con defecto en
microcinta y en plano de tierra para filtros de microondas
Jorge Aguilar Torrentera, Gerardo García Sánchez,
César González Cervantes
64
Colaboradores
67
Información para colaboradores
68
Código de ética
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Año XXI, No. 79
1
�DIRECTORIO
Ingenierías, Año XXI N° 79, abril-junio
2018. Es una publicación trimestral,
editada por la Universidad Autónoma
de Nuevo León, a través de la Facultad
de Ingeniería Mecánica y Eléctrica.
Domicilio de la Publicación: Facultad de
Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro
de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de
los Garza, Nuevo León, México, C.P.
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2018. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido
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Karissova, FCFM-UANL / Dr. Francisco Eugenio López Guerrero, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL /
Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñán, FIME-UANL.
2
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Año XXI, No. 79
�Editorial:
Reconociendo a los
divulgadores de ciencia y
tecnología
Juan Antonio Aguilar Garib
Universidad Autónoma de Nuevo León,
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
juan.aguilargb@uanl.edu.mx
Mucho se ha hablado de la importancia que tiene la generación de
conocimiento para el desarrollo de un país, así como de su propagación en la
sociedad, relacionándola con la educación y con el potencial de participación de
una comunidad en la solución de los problemas de una nación.
La relevancia de la difusión de la ciencia y tecnología para México es tal,
que el Congreso General de los Estados Unidos Mexicanos decretó, en 2014, la
adición de un segundo párrafo a la fracción XI del artículo 2, de la Ley Orgánica
del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) al respecto, para
quedar como sigue:
XI. Apoyar la generación, difusión y aplicación de conocimientos
científicos y tecnológicos.
Para ello, el CONACyT deberá emprender acciones que fomenten
y fortalezcan las actividades de divulgación científica entre los
investigadores del país y las organizaciones de la sociedad civil.
De igual forma, deberá incentivar la vinculación entre estos actores
y las instituciones del sistema educativo nacional, a fin de fortalecer
la capacitación de los educadores en materia de cultura científica y
tecnológica.
Existen diversos medios con los que los ingenieros y científicos, entre
otros generadores de conocimiento y tecnología, ponen estos a disposición del
público. Entre los investigadores, el medio favorito son las revistas arbitradas e
indexadas que están incluidas en el Journal Citation Reports (JCR) de Thomson
Reuters, debido a su reconocimiento en el medio académico. Sin embargo,
independientemente del rigor y apego a la verdad que pudiera esperarse de
estas publicaciones, su debilidad principal como elemento para la divulgación
de la ciencia es que estas publicaciones no son de alcance general, por estar
dirigidas a especialistas que tienen conocimientos amplios en el área de interés
de las revistas de ese tipo, y que por esa razón encuentran valor en los artículos
publicados, sin que eso signifique que prescindan de la crítica o que acepten la
discusión y conclusión de los artículos simplemente porque están arbitrados.
La divulgación, no solamente de la ciencia, requiere que los documentos
estén escritos en términos y lenguaje al alcance de los interesados, no
necesariamente especializados en el área, pero sí con cierto nivel de educación,
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Año XXI, No. 79
3
�Reconociendo a los divulgadores de ciencia y tecnología / Juan Antonio Aguilar Garib
que puedan valorarla positivamente. Se trata de informar, mediante artículos en
revistas y libros, a los lectores, que podrían también ser científicos de diferentes
disciplinas, de las actividades científicas que llaman su atención por su novedad,
controversia o curiosidad.
Aquí es en donde se aprecia el papel de los promotores de ciencia y
tecnología, quienes presentan literatura científica en la que resumen, traducen,
digieren e incluso procesan, en un lenguaje accesible, artículos que se escriben
por investigadores usualmente en un lenguaje para especialistas, sobre avances
científicos y tecnológicos recientes, para quienes sin estar involucrados
directamente en actividades científicas formales, están interesados en ciencia,
tecnología, o ambos.
Parecería que escribir material con fines de divulgación es sencillo, incluso
hay quienes consideran que se trata de un género en el que hay menor rigor,
incluso calidad inferior que en las publicaciones científicas, de hecho muchas
no se encuentran listadas en JCR, olvidando su virtud principal de resaltar el
valor de las contribuciones de los científicos con descripciones accesibles sin
abaratar su contenido.
Un aspecto que no debe ser pasado por alto es que los escritores de materiales
para divulgación tienen un buen entendimiento de la ciencia, de manera que la
relevancia de los reportes científicos, frecuentemente originales, se transfiere
fielmente. El sentido científico de un escritor de divulgación es consistente
con el conocimiento bien establecido, ya que de otra forma podrían producir
artículos que contengan exageración, sobresimplificación o malos entendidos,
especialmente en los temas que son el blanco de los mitos.
Es también muy importante recordar que los escritores de divulgación son
a la vez lectores de literatura científica, por lo que hay una obligación de tales
publicaciones para asegurarse de que los artículos con resultados plausibles
presentados de manera entusiasta, en verdad estén soportados por métodos
rigurosos de análisis, de manera que sean una fuente confiable de contenido para
los divulgadores de ciencia. En cuanto a la promoción de la tecnología, tiene la
ventaja de que está inmersa en los dispositivos y aparatos cuya descripción de
funciones es en sí una forma de darla a conocer, independientemente de que la
ciencia detrás de ellos pudiera no ser entendida cabalmente por sus usuarios.
Algo que puede contribuir a la creencia de que la divulgación científica es
fácil, es la manera en que se utiliza la internet para encontrar información sin
tomar en cuenta que la abundancia y variedad de los materiales disponibles hace
que su utilidad dependa en gran medida de los antecedentes de quienes realizan
las consultas. Una búsqueda dada puede llevar a fuentes confiables, como centros
de investigación, universidades o publicaciones de prestigio, pero también es
posible encontrar materiales que están puestos sin verificación o supervisión
alguna, y en muchas ocasiones están equivocados por ser producto de mitos y
exageraciones. Dado que la formación de las personas tiene gran relación con
la ingenuidad, por aceptar como cierto lo que se dice por muchos aunque no
exista prueba de por medio, o para discriminar material que es correcto sólo
4
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Año XXI, No. 79
�Reconociendo a los divulgadores de ciencia y tecnología / Juan Antonio Aguilar Garib
de apariencia, entonces puede resultar no tan sorprendente que documentos y
páginas evidentemente erróneas reciban gran atención. Los materiales inexactos
pueden provenir tanto de estafadores como de personas bien intencionadas que
hicieron un juicio pobre de la fuente de información.
El punto es que prácticamente cualquier persona puede publicar algo en la
internet, pero pasan por alto su responsabilidad sobre la buena o mala calidad
del material ofrecido. El hecho de que el lector crea todo lo que le presentan no
puede ser utilizado como justificación para un engaño, pero sí hace evidente que
hace falta que en la internet haya más documentos de buena calidad, como los
que se publican en las revistas consideradas de mayor prestigio, y en especial los
documentos escritos por divulgadores de ciencia y tecnología. No es aceptable
que publicaciones que utilizan como estribillo las palabras “estudios científicos
confirman que ...” seguido de publicidad cuya exageración raya en la falsedad,
al grado que se pueden encontrar desde las termodinámicamente imposibles
máquinas de movimiento perpetuo que generan energía gratis, aparatos para
aprender idiomas sin estudiar o curas milagrosas, tengan mayor aceptación que
las que están genuinamente sustentadas. Es posible que eso se deba a que a pocos
les guste la idea de que no se pueda producir energía a partir de la nada o que se
pueden aprender idiomas sin estudiar o estar saludable sin cuidado alguno.
Aceptando que la internet contiene todo tipo de materiales, los especialistas
están en mejor condición para identificar y juzgar los documentos que encuentren
sobre un tema particular. En cambio, los que están presentados utilizando
herramientas publicitarias tendrán mayor penetración, de hecho el material
genérico sin justificación tiene mayor aceptación, porque los antecedentes
académicos y el nivel cultural necesarios para creerlos son mínimos, en
comparación a los que se requieren para entender documentos de mayor nivel.
No se trata de establecer una lucha juzgando y criticando cada página
producida por entusiastas en la internet, quienes muchas veces con información
limitada y la ayuda de las redes sociales, han sido capaces de popularizar de
todo, incluso el material anticiencia. El asunto es que exista más material de
buena calidad en ese medio y de alguna manera, aumentar la relación entre el
material que es verídico y confiable, en contraste con el que no lo es. Aquí surge
nuevamente la importancia de los divulgadores de la ciencia, ya que su material
es el que tiene la mejor posibilidad de promoverla en la internet, sin que sea
indispensable que ellos mismos se encarguen de todo el proceso de producción
y publicación.
A fin de apoyar la difusión de la ciencia y tecnología, sería adecuado que
los investigadores e ingenieros tuvieran mayor participación en su promoción,
a través del esmero por comunicar el conocimiento generado a partir del trabajo
científico, aprovechando los medios que se encuentran a su alcance.
Finalmente, se debe reconocer que el trabajo de los divulgadores de ciencia
y tecnología, así como de las revistas correspondientes, impresas o en línea, son
piezas clave para poder cumplir con el compromiso que establece la Ley Orgánica
del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología en materia de difusión.
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Año XXI, No. 79
5
�Caracterización de superficies
maquinadas por medio de
parámetros de rugosidad
ABSTRACT
The proper functioning of a machined part depends on the quality of its
surface. The term “surface quality’’ includes not only the dimensional
values of the surface, but also material properties such as hardness and
metallurgical structure1 as well as optical and esthetic characteristics. The
dimensional quality is related with the surface irregularities and is known
as the “roughness surface”. The importance of the roughness of the final
finish has been well appreciated.
This work proposes a method based on the decomposition of the
roughness in terms of the frequency analysis in order to identify the tool
marks on a machined surface. As result, the relationship between the feed
rate and roughness is clarified.
KEYWORDS
Roughness, characterization, surface, machining.
INTRODUCCIÓN
La calidad de un producto está directamente relacionada a las desviaciones
de éste con respecto al diseño original debido a fallas en los procesos de manufactura. Esto influye directamente en la funcionalidad de la pieza. Bajo ese punto
de vista, la falla está definida por la incapacidad del tren de producción de funcionar de una manera esperada y, en la mayoría de los casos, se manifiesta en el
producto en términos de calidad.
En los procesos de maquinado, las características superficiales del producto
influyen en su funcionalidad. La figura dominante en una superficie está
influenciada por el método de maquinado, ya que cada tipo de herramienta de
corte deja marcas distintivas en la superficie.
Se pueden distinguir tres aspectos que influyen en la calidad de la superficie
de los productos maquinados:
1. Condiciones y características de la herramienta.
2. Condiciones de operación de la máquina-herramienta.
3. Propiedades mecánicas de la pieza de trabajo.
6
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
Publicado originalmente en: Ingenierías, Enero-Marzo 2003, Vol. VI, Número 18, pp. 62-68.
F. Eugenio López Guerrero, Raúl Cavazos Flores, Mario Delgado Acosta
Sistemas Integrados de Manufactura, División de Ingeniería Mecánica,
FIME-UANL, México
elopez@uanl.mx
�Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al
Fig. 1. Imagen reconstruida de forma virtual, a partir de
imagen de microscopio tomada a 40X que muestra la
superficie maquinada de una aleación Aluminio 6063.
El identificar la influencia que estos aspectos tienen
en las superficies maquinadas permite mejorar los
parámetros de corte, detectar eventuales fallas de
maquinado (tales como vibraciones, malas sujeciones,
etc) y encontrar situaciones de trabajo que den como
resultado una mayor calidad en el producto.
A continuación se plantea una metodología para
caracterizar las superficies maquinadas. Este trabajo
centra su base en caracterizar la superficie
maquinada identificando las componentes de la huella de la herramienta y las características de rugosidad asociadas a las propiedades del material al ser
maquinado.
OBJETIVOS
Los objetivos particulares del presente trabajo son:
a) observar la rugosidad en función de la velocidad de avance en una superficie maquinada,
b) caracterizar la huella de la herramienta,
c) encontrar los parámetros mejorados de avance de herramienta para mejorar la calidad superficial del producto,
d) finalmente se plantea como mejorar el desarrollo de un método de predicción de características
de superficie a partir de los valores de los parámetros
de corte y las propiedades de los materiales.
MARCO TEÓRICO
Las superficies de maquinado generadas por medio
de los procesos de arranque de viruta exhiben características topográficas2,3 que juegan un papel fundamental en el desempeño de la funcionalidad del
producto, y pueden estar determinadas por las con-
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
diciones de trabajo como fricción, lubricación, estética, etc.
En la comprensión de los procesos que generan
superficies es crucial la relación entre la calidad de
la superficie y su comportamiento funcional.4 Esta
comprensión puede lograrse a través de una técnica
adecuada de caracterización y síntesis de las superficies.
Los métodos para analizar superficies se basan
en su caracterización por medio de medidas convencionales (altura promedio, distancia de pico a pico
máxima, etc), por medio de transformaciones matemáticas (onduletas o «wavelets», análisis de
frecuencia, etc) y métodos nuevos como la geometría
de fractales, entre otros.5,6
Rugosidad por método convencional.
El término rugosidad superficial7 es cuantificado
por parámetros relativos a características de la superficie (ver figura 2), tales como:
a) Rugosidad, irregularidades más pequeñas y finamente separadas a lo largo de la más corta longitud
de muestreo de la superficie maquinada, b) ondulación, irregularidades más grandes, dentro del nivel
siguiente superior de la longitud de muestreo. La separación de los picos y valles es mayor y la longitud
de muestreo es, por lo tanto, más larga que la de
rugosidad, c) Sesgo de superficie, se asocia con la
orientación de la figura de la superficie. Esto describe la dirección de la figura dominante en la superficie, generada por el método de maquinado, d) Imperfecciones propias del material, éstas comprenden
inclusiones de material, estrías, grietas, agujeros y
otras deformaciones no intencionales de la superficie.
La definición estándar de la rugosidad se representa con los parámetros Ra y Rz.
Fig. 2. Vista amplificada de una superficie maquinada,
rugosidad (R), ondulación (W), sesgo de la superficie
(L), imperfecciones del material (F).
7
�Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al
Ra es referida al promedio de las alturas
graficadas en una muestra dada de datos, representa
el primer momento estadístico de la muestra (ecuación 1).
1 N
Ra = .∑ Datos
N i =0
(1)
La altura máxima de pico a valle en una muestra
de datos es Rz (ecuación 2).
Rz = max (Datos)
(2)
Estos dos conceptos son los más aplicados en los
trenes productivos.
Las relaciones entre el proceso convencional y la
calidad superficial han cambiado por los perfeccionamientos en herramientas de corte y maquinaria.
Esto significa también que el modelo del costo
convencional entre el nivel de calidad de acabado y
los costos de manufactura ha cambiado. En la tabla
I se muestran los costos relativos de obtención de
diferentes grados de Ra2.
Caracterización por medio del espectro de frecuencias
Algunos de los comportamientos funcionales de
la calidad de las superficies maquinadas pueden
lograrse solamente bajo su caracterización. La caracterización en el dominio de la frecuencia se logra
utilizando un análisis en términos de frecuencia para
posteriormente transformar las características al dominio del espacio.
Tabla I.- Costo de obtención de Ra para diferentes clases
de acabado.
Clase
Rugosidad, Ra
(µm)
Costo relativo
de obtención
Espejo
0.10
40
Pulido
0.20
35
Ground
0.40
25
Terso
0.80
18
Fino
1.60
13
Semifino
3.2
9
Medio
6.3
6
Semirugoso
12.5
4
Rugoso
25
2
Limpio
50
1
8
La descomposición de una señal en su espectro
de frecuencias se logra aplicando la transformada
de Fourier. Ver ecuación (3).
j
2π i
1 n −1
Cj = ∑ V k .e n k
n k =0
(3)
En donde
C vector resultado de la transformada de Fourier
n número de datos
V vector conteniendo la señal muestreada
j coeficiente del vector resultado C
k coeficiente del vector de frecuencias C
i unidad imaginaria
El algoritmo de la transformada rápida de Fourier
regresa vectores cuyos elementos son las amplitudes
complejas de las diferentes frecuencias que componen la señal original. El número de datos de la señal
muestreada cumple con la condición, de la
ecuación (4).
(4)
n
K =2
Ya que para datos reales la segunda mitad de la
transformada es el conjugado de la primera. Una
vez aplicado el algoritmo se puede conocer la
frecuencia asociada al elemento j, (ecuación 5):
j
(5)
Fk = . f s
n
En donde
Fk frecuencia asociada al coeficiente j
fs frecuencia muestreada
Filtrado y reconstrucción
Si se desea filtrar una zona específica del espectro, basta con hacer cero los valores del rango de la
frecuencia no deseada.
Sean los valores límites de esa zona: Limin y Limsu,
entonces
cp = 0
(6)
para Limin>p> Limsu.
La señal filtrada se reconstruye aplicando la
transformada inversa de Fourier. Los cálculos de rugosidad convencionales Ra y Rz hechos sobre esta
señal reconstruida pueden compararse con los
cálculos hechos con la señal original.
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
�Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al
FRa =
1
. ∑ vj
n
j
2
(7a)
FRz = max (v) − min(v)
(7b)
En donde
v vector resultado de la transformada inversa
de Fourier
j coeficiente del vector de frecuencias C
n/2 número de elementos según la condición de
la ecuación (4).
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
El material usado en los experimentos fue una
aleación de aluminio comercial forjada8 tipo AlMgSi
6063. Se cortó en piezas de 88.9 x 50.8 x 12.7 mm.
Se hizo una ranura para cada velocidad de avance,
según la tabla III, fresando con una herramienta cilíndrica. Los valores de corte se muestran en la tabla
II. No se utilizó refrigerante.
Tabla II.- Valores de los parámetros de maquinado.
N ú m e r o d e
ábales
N
2
Radi o de la herr.
(mm)
r
5
Ve lo c i d a d d e
gi ro (rpm)
S
1000
P ro fund i d a d d e
corte (mm)
t
2.54
Tabla III. Avances de corte usados en los
experimentos.
E xperi mento
No.
F (mm/mi n)
1
Fig. 3. Imagen de microscopio a 40X que muestra la
superficie maquinada de la aleación Al-Mg-Si 6063.
Se tomaron lecturas con un rugosímeto provisto
de una probeta de radio 0.002mm y un espaciamiento
de 0.00025mm. La longitud de barrido fue de 40,000
datos (10mm), de los cuales se analizó una muestra
representativa (ver figura 4).
RESULTADOS
Los perfiles reconstruídos sin tendencia a partir
de los datos obtenidos por el rugosímetro se
representan en la figura 4.
Método convencional
La tabla IV muestra los resultados de los valores
Ra y Rz.
Los valores de rugosidad Ra y Rz se incrementan
para velocidades de avance bajas (ver figuras 5 y 6),
y disminuye conforme se incrementa la velocidad de
avance. Los picos máximos representan baja calidad
superficial.
Método de descomposición de frecuencias
Los espectros de frecuencia para cada uno de
los experimentos se muestran en la figura 7.
Tabla IV. Resultados obtenidos en los experimentos.
F
(mm/mi)
Ra
(µm)
Rz
(µm)
60
60
10 0 . 5 6
397.91
2
70
70
131.93
489.26
3
80
80
12 3 . 5 2
822.23
4
90
90
115.06
516.10
5
100
100
10 2 . 2 8
397.22
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
9
�Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al
Fig. 5. Gráfico de comparación de Ra entre los 5 experimentos.
Fig. 6. Gráfico de comparación de Rz entre los 5 experimentos.
Tabla V. Valores obtenidos aplicando la FFT en el experimento de F60.
Fig. 4. Perfiles de rugosidad normalizados de los cinco
experimentos.
Los espectros muestran una zona de baja frecuencia con intensidades mayores al resto. Las tablas
V a IX presentan los valores significativos de
frecuencia y sus índices. Los valores de filtrado de
frecuencia se seleccionaron observando que el filtro
fuera aplicado a esta zona.
Los valores límites de las frecuencias de las tablas
V a IX son 1 y 20: Los valores de Ra y Rz de las
10
Frecuenci a
más
si gni fi cati va
Frecuenci a
(ci clos/µm)
Intensi dad
1
6
3515
2
5
2778
3
11
1887
4
17
1162
Tabla VI. Valores obtenidos aplicando la FFT en el experimento de F70.
Frecuencia más
significativa
Frecuencia
(ciclos/µm)
Intensidad
1
5
5775
2
10
1799
3
4
1239
4
15
1004
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
�Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al
Tabla VIII. Valores obtenidos aplicando la FFT en el
experimiento de F90.
Frecuencia más
significativa
Frecuencia
(ciclos/µm)
Intensidad
1
8
3376
2
4
2914
3
7
2597
4
11
1692
Tabla IX. Valores obtenidos aplicando la FFT en el
experimiento de F100.
Frecuencia más
significativa
Frecuencia
(ciclos/µm)
Intensidad
1
3
3700
2
4
2993
3
5
1068
4
2
1038
Fig. 8. Gráfico de comparación de Ra entre los 5 experimentos analizados.
Fig. 7. Gráfico en escala semilogarítmica mostrando los
espectros de frecuencia de los cinco experimentos.
Tabla VII. Valores obtenidos aplicando la FFT en el
experimiento de F80.
Frecuencia más
significativa
Frecuencia
(ciclos/µm)
Intensidad
1
13
3563
2
8
3196
3
9
3012
4
4
2292
señales reconstruidas con estos límites se muestran
en la figura 8 y 9.
En donde:
Es el valor de rugosidad antes de filtrar.
Es el valor de rugosidad después de filtrar
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
Fig. 9. Gráfico de comparación de Ra entre los 5 experimentos analizados.
CONCLUSIONES
La huella de la herramienta está determinada por
las primeras cinco componentes de baja frecuencia
del espectro. Con ello es posible caracterizar la huella
de la herramienta en una superficie maquinada bajo
las condiciones experimentales presentadas.
11
�Caracterización de superficies maquinadas por medio de ... / Fco. Eugenio López Guerrero et al
Los valores convencionales de Ra y Rz representan escencialmente la huella de la herramienta,
por lo que es posible mejorar la calidad de la superficie
en términos de la herramienta de maquinado.
Se demostró la influencia de la velocidad de
avance sobre la calidad superficial, y se encontró
una velocidad de avance que produce mejor calidad
superficial.
Es de esperarse que los valores de alta frecuencia
del espectro determinen la rugosidad del material al
ser maquinado. Con ello sería posible encontrar el
valor de rugosidad óptimo bajo las condiciones de
corte utilizadas.
Utilizando el método de manera inversa, es posible calcular los valores con los que una superficie
fue maquinada a partir de su análisis de rugosidad.
MEJORAS A DESARROLLAR
El presente trabajo utilizó valores de corte necesarios para obtener superficies con rugosidades acentuadas y por lo tanto fácilmente identificables. Futuros trabajos deberán considerar valores de corte y
herramental para acabados de alta calidad.
Es deseable hacer un análisis de rugosidad microscópico para establecer una relación entre las
componentes de alta frecuencia de los espectros y
las características de rugosidades a ese nivel en la
zona maquinada. Es de esperarse que exista un valor
característico de rugosidad del material al ser
maquinado.
Estudios comparativos utilizando técnicas como
ésta o similares podrán determinar diferencias y similitudes entre las propiedades de rugosidad natural
(como por ejemplo superficies en grietas de fractura) y rugosidades en superficies maquinadas.
RECONOCIMIENTOS Y EQUIPO UTILIZADO
El presente trabajo fue realizado por los autores
como parte de su proyecto de investigación en el
Doctorado de Materiales FIME-UANL bajo el apoyo
de PROMEP y PAICYT 2001 (contrato CA55601), CONACYT 2002 (contrato 37668-U) utilizando
las instalaciones del Centro de Manufactura Integrada
12
por Computadora y del Programa Doctoral de
Materiales de la FIME UANL:
· Rugosímetro marca Mitutoyo surftest 211 series 178
· Centro de maquinado EMCO VMC 300
· Microscopio óptico NIKON a 5X, 20X, 40X y 100X
Los autores agradecen el apoyo de la M.C.
Guadalupe Ramírez López de la Coordinación de Servicio Social de FIME y al Prof.Dr. Alberto Pérez del
Programa Doctoral en Materiales de FIME.
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Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
�Actividad fotocatalítica de
L-Bi2MoO6 y H-Bi2MoO6 en la
degradación de rodamina B
por acción de luz visible
Daniel Sánchez Martínez, Azael Martínez de la Cruz,
Enrique López Cuéllar, Ubaldo Ortiz Méndez
División de Estudios de Posgrado, FIME-UANL
azmartin@gama.fime.uanl.mx
RESUMEN
En el presente trabajo se evaluó la actividad fotocatalítica del óxido
semiconductor Bi2MoO6 por acción de luz visible en la degradación de rodamina
B (RhB) en solución acuosa. El Bi2MoO6 fue sintetizado por reacción en estado
sólido en sus dos formas cristalinas más representativas, la fase de baja LBi2MoO6 y de alta temperatura H-Bi2MoO6. Durante la cinética de degradación
de RhB, el polimorfo L-Bi2MoO6 presentó la mejor actividad fotocatalítica. Se
disminuyó el tamaño de partícula mediante una molienda mecánica a diferentes
tiempos, logrando conseguir para el polimorfo de baja temperatura, L-Bi2MoO6,
un aumento en la actividad fotocatalítica del 50%.
PALABRAS CLAVE
Bi2MoO6, fotocatálisis, rodamina B.
ABSTRACT
The photocatalytic activity of the semiconductor oxide Bi2MoO6 by visible
light in the degradation of Rhodamine B in aqueous solution was evaluated in
this research. The Bi2MoO6 was synthesized by solid state in the two crystaline
forms, low L-Bi2MoO6 and high H-Bi2MoO6 temperature. The L-Bi2MoO6
presents the best photocatalytic activity. The particle size was reduced using a
ball mill in different times. An increase of the photocatalytic activity of 50% was
achieved for the polymorf of low temprature, L-Bi2MoO6.
KEYWORDS
Bi2MoO6, photocatalysis, RhB
INTRODUCCIÓN
La creciente demanda de la sociedad para la descontaminación de aguas
contaminadas de diversos orígenes, materializada en regulaciones cada vez más
estrictas, ha impulsado en la última década, el desarrollo de nuevas tecnologías
de purificación como los procesos o técnicas avanzadas de oxidación (TAO´s o
PAO´s). Las TAO´1-5 se basan en procesos fisicoquímicos capaces de producir
cambios profundos en la estructura química de los contaminantes.6,7 Un ejemplo
de estas técnicas es la fotocatálisis heterogénea.
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
13
�Actividad fotocatalítica de L-Bi2MoO6 y H-Bi2MoO6 en la degradación de ... / Daniel Sánchez Martínez, et al.
En los últimos años la fotocatálisis heterogénea
se ha posicionado como una tecnología promisoria,
eficiente y limpia para la remoción de contaminantes
orgánicos en aguas residuales.8-10 La fotocatálisis
heterogénea es un proceso que se basa en utilizar
un sólido semiconductor (normalmente de banda de
energía prohibida ancha) que es capaz de absorber
directa o indirectamente energía radiante (visible
o UV) igual o superior a su banda de energía
prohibida.
A través de la tecnología de la fotocatálisis
heterogénea existen reportes de degradación de
sustancias como fenoles, 11,12 clorofenoles, 13,14
halocarburos,15,16 surfactantes,17,18 pesticidas,19,20
cianuros, 21,22 mercaptanos, 23 colorantes 24-26 y
aceites pesados.27,28 En este sentido, la fotocatálisis
heterogénea permite la reducción de contaminantes
en aguas residuales hasta la total mineralización de
los compuestos en CO2 y H2O o bien hasta valores
mínimos donde otros métodos fallan.
Diversos óxidos semiconductores han sido
probados con anterioridad como fotocatalizadores,
entre los que destaca el TiO2 en su forma polimórfica
de anatasa. La alta actividad fotocatalítica exhibida
por el TiO2 aunada al bajo costo del material y a
su nula toxicidad, han convertido al TiO2 en el
fotocatalizador por excelencia. No obstante, el TiO2
presenta el inconveniente de ser activado en la región
UV del espectro, misma que constituye tan sólo el
4% del espectro solar limitando así su aplicación. 29
Por lo anterior, se ha explorado la posibilidad que
presentan diversos óxidos semiconductores para ser
activados con luz visible.
La actividad fotocatalítica del óxido semiconductor
Bi2WO6 ha sido probada anteriormente en el visible
para la descomposición de agua en hidrógeno y
oxígeno30,31 así como para la degradación de diversos
orgánicos como el acetaldehído, cloroformo y
rodamina B.32-35 La estructura cristalina que presenta
este óxido es conocida como del tipo Aurivillius. Las
cuales pueden describirse como capas de octaedros
tipo perovskita de composición (An-1MnO3n+1)2-,
donde n representa el número de capas de octaedros
tipo perovskita que están separados por láminas de
composición (Bi2O2)2+.
El mineral keochillinite (Bi2MoO6) presenta una
estructura del tipo Aurivillius y ha sido descrito
14
por Raymond36 como un sistema ortorrómbico con
parámetros de celda a= 5.4822 Å, b= 16.1986 Å,
c= 5.5091 Å, Z= 4 y con un grupo espacial Pca21,
cuyos datos cristalinos son muy similares a la fase
Bi2WO6.
El Bi 2 MoO 6 llega a cristalizar en cuatro
fases polimórficas, que pueden ser aisladas en
incrementos de temperatura, las cuales tienen
diferentes aplicaciones como conductor iónico,37
material ferroeléctrico,38 y también catalizador.39
Las fases mas importantes son el polimorfo de baja
temperatura L-Bi2MoO6 [γ(L)] con una estructura
tipo Aurivillius y el polimorfo de alta temperatura
H-Bi2MoO6 [γ(H)], este último con una estructura
tipo Sillen.40
La actividad fotocatalítica de los polimorfos
de Bi2MoO6 se probó utilizando como modelo la
degradación oxidativa del colorante rodamina B. El
colorante, cuya estructura molecular se observa en
la figura 1, pertenece a la familia de los xantanos y
es utilizada en la industria cosmética, farmacéutica
y de alimentos. Fue el primer colorante naranja
empleado para la investigación del agua subterránea
y puede ser aplicada para la coloración de algodón,
seda, papel, bambú y cuero. Dado su potencial como
agente cancerígeno, descubierto recientemente, el
estudio de su remoción de aguas residuales se hace
un tópico de interés relevante.41
Fig. 1. Estructura de la Rodamina B (RhB).
EXPERIMENTACIÓN
Diseño del reactor
Se diseñó un reactor con el propósito de llevar a
cabo las pruebas fotocatalíticas mediante el uso de
óxidos semiconductores en la degradación de RhB.
El reactor está constituido por tres secciones, como
se observa en la figura 2:
En la sección (S1) se representa la parte de
enfriamiento del reactor, por donde se hace circular
agua para mantener una temperatura de trabajo de
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
�Actividad fotocatalítica de L-Bi2MoO6 y H-Bi2MoO6 en la degradación de ... / Daniel Sánchez Martínez, et al.
Fotografía del reactor fotocatalítico antes de encender
la lámpara de xenón.
Fig. 2. Reactor Fotocatalítico.
25ºC ± 2. En la sección S2 se coloca la sustancia
a degradar, que en este caso particular de estudio
es la rodamina B (RhB), junto con el compuesto
fotocatalizador y la sección S3 es la tapa del reactor,
donde se posicionó inmersa la lámpara para estar en
contacto directo con la solución de RhB y el material
fotocatalizador.
Síntesis de los fotocatalizadores
La síntesis de los óxidos cerámicos utilizados
como fotocatalizadores fue realizada por reacción
en estado sólido. Para este propósito se partió de
los óxidos Bi2O3 (Aldrich) y MoO3 (Merck). Los
óxidos de partida se mezclaron en la proporción
estequiométrica adecuada en un mortero de ágata
durante 20 minutos. Posteriormente los polvos
se colocaron en un crisol de porcelana que fue
transferido a un horno eléctrico para llevar a cabo
el tratamiento térmico a 550°C para la obtención
del polimorfo de baja temperatura y a 700°C para
la síntesis del polimorfo de alta temperatura, en
ambos casos la mezcla de la reacción permaneció
en el horno eléctrico durante un tiempo de reacción
de 96 horas.42
Caracterización estructural
La caracterización estructural de las fases
sintetizadas se llevó a cabo mediante la técnica de
difracción de rayos-X en polvo, utilizando para
dicho propósito un difractómetro Bruker Advanced
X-ray Solutions D8 con radiación de Cu K (λRX=
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
1.5406 Å), un detector de alta velocidad Vantec
1 y un filtro de níquel. Para el cálculo del tamaño
de cristal a partir de los difratogramas se utilizó la
ecuación de Scherrer.43 la determinación del tamaño
de las partículas se midió utilizando un microscopio
óptico Olympus BX60 para uso de reflexión y
transmisión.
Propiedades ópticas
Para el cálculo de banda de energía prohibida
en este estudio se utilizó un equipo Perkin Elmer
Precisely Lambda 35 espectrofotómetro UV/VIS
con esfera de integración.
Propiedades texturales
El área superficial de los óxidos fue determinada
mediante la técnica de área superficial BET
(Brunauer Emmett Teller) utilizando un NOVA
2000e Quantachrome Instrument (Surface Area &
Pore Size Analyzer), en el cual se realizó la adsorción
con N2 empleando celdas de 9 mm a 77 K, con un
tiempo de desgasificación de 1 hora a 300ºC.
Pruebas fotocatalíticas
Para la prueba de los molibdatos como
fotocatalizadores se colocaron 100 mL de una
solución de RhB en un vaso de precipitados de
250 mL y se le añadió 220 mg del fotocatalizador,
luego se colocó en ultrasonido durante 20 minutos
con el fin de eliminar aglomerados, posteriormente
se retiró del ultrasonido y se le agregaron 120 mL
de solución de RhB para completar los 220 mL.
La solución se colocó en el reactor, se midió el pH
15
�Actividad fotocatalítica de L-Bi2MoO6 y H-Bi2MoO6 en la degradación de ... / Daniel Sánchez Martínez, et al.
de la solución al inicio y al final de la degradación
de RhB, posteriormente se colocó la solución en
agitación durante 1 hora en oscuridad hasta alcanzar
el equilibrio de adsorción-desorción y se tomó una
alícuota de 7 mL una vez transcurrido este tiempo,
se encendió una lámpara de Xenón de 2100 lm y se
tomaron alícuotas de 7 mL en diferentes intervalos
de tiempo las cuales fueron centrifugadas durante 20
min a 4000 rpm. Por último la solución filtrada, fue
analizada por espectroscopía de UV-VIS a λ= 554
nm que es el punto de mayor absorción de la RhB.
Los experimentos se llevaron a una temperatura de
25 ºC ±2.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Como resultado de la síntesis de L-Bi2MoO6 se
obtuvieron polvos policristalinos, cuya difractograma
se muestra en la figura 3, de intensa coloración
amarilla. En contraparte los polvos obtenidos para
el polimorfo de alta temperatura, H-Bi2MoO6, fueron
de color blanco opaco y su difractograma se presenta
en la figura 4.
Las características de los fotocatalizadores
se muestran en la tabla I, y se determinaron
mediante las técnicas mencionadas en la sección de
experimentación.
Se realizaron pruebas fotocatalíticas variando
la concentración de RhB a 5ppm y 10ppm (figura
5). El polimorfo que presentó la mejor actividad
Fig. 4. Difractograma del polimorfo de alta temperatura
(H-Bi2MoO6).
Tabla I. Características de los fotocatalizadores
obtenidos.
Compuesto
Tamaño de
cristal
(nm)
Área
superficial
BET (m2/g)
H-Bi2MoO6(ES)
52
4.21
L-Bi2MoO6(ES)
Activado
mecánicamente
(L-Bi2MoO6)
80
3.82
5 hrs
16
5.61
11 hrs
17
6.32
21.5 hrs
18
8.47
Fig. 5. Pruebas fotocatalíticas a diferente concentración
a) L-Bi2MoO6 y b) H-Bi2MoO6 a una concentración de RhB=
5 ppm, c) L-Bi2MoO6 y d) H-Bi2MoO6 con RhB= 10 ppm.
Fig. 3. Difractograma del polimorfo de baja temperatura
(L-Bi2MoO6).
______________________________________________
Nota: Para apreciar las figuras a color, el lector puede
consultar el artículo en su formato electrónico, en la
página de la revista Ingenierías en Internet.
16
fotocatalítica en la degradación de RhB a las dos
concentraciones de trabajo fue el de baja temperatura
L- Bi2MoO6 que presentó un Eg menor y un área
superficial mas grande, además de que presenta una
estructura consistente de capas tipo perovskita de
octaedros de MoO6, la cual es a menudo ventajosa
para fotocatalizadores.44
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
�Actividad fotocatalítica de L-Bi2MoO6 y H-Bi2MoO6 en la degradación de ... / Daniel Sánchez Martínez, et al.
Para poder aumentar la actividad fotocatalítica
de ambos materiales se realizó una molienda
mecánica mediante un molino de bolas para
disminuir el tamaño de partícula y por consiguiente
aumentar su área superficial. La figura 6 muestra los
difractogramas del polimorfo de baja temperatura,
obtenido mediante reacción en estado sólido y
activado mecánicamente.
Tabla II. Constante de velocidad y t1/2 de la degradación hB
(5 ppm) a una relación de 1 mg/mL de fotocatalizador.
Método
Fase
Constante
de
velocidad
(min-1)
tiempo de
vida media
(t1/2 min)
Estado sólido
H-Bi2MoO6
0.0006
1155
L-Bi2MoO6
0.0011
630
L-Bi2MoO6
21.5 h
0.0021
330
Activado
mecánicamente
Fig.6. Difractograma del polimorfo de baja temperatura
(L-Bi2MoO6), JCPDS No. 01-084-0787 –Keochilinite– Bi2MoO6
(color rojo). a) estado sólido, y activado mecánicamente
b) 5 horas, c) 11 horas y d) 21.5 horas.
Una vez hecho lo anterior se realizó una prueba
fotocatalítica con el polimorfo de baja temperatura
activado durante 21.5 horas y se comparó con
el mismo sin activación mecánica (ver figura 7)
resultando una mejora en su actividad fotocatalítica
para la degradación de RhB. Los datos cinéticos
más significativos para los óxidos obtenidos son
mostrados en la tabla II.
Fig. 7. Prueba fotocatalítica de degradación de RhB con
L-Bi2MoO6 a) estado sólido y b) activado mecánicamente
durante 21.5 horas.
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
CONCLUSIONES
El óxido Bi2MoO6 en sus dos formas policristalinas
de alta y baja temperatura mostró actividad
fotocatalítica para la degradación de RhB por acción
de la luz visible. Una mayor actividad fotocatalítica
fue observada en el polimorfo de baja temperatura
(L-Bi2MoO6), lo anterior puede estar asociado a su
arreglo cristalino en forma de capas tipo perovskita
de octaedros MoO6 y su menor valor de banda de
energía gap. Mediante la activación mecánica del
polimorfo L-Bi2MoO6 se le pudo aumentar su área
superficial y por lo tanto su actividad fotocatalítica
en la degradación de RhB hasta un 50% más que por
reacción en estado sólido.
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Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
�Materiales poliméricos
dieléctricos
Jesús G. Puente Córdova,A M. Edgar Reyes Melo,A,B
Beatriz C. López Walle,A,B Virgilio Á. González GonzálezA,B
Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales. FIME-UANL
CIIDIT, FIME-UANL
jesus_ime@hotmail.com
A
B
RESUMEN
Los materiales dieléctricos juegan un papel importante en el desarrollo de
nuevos dispositivos electrónicos. En este trabajo se presenta el estudio de las
propiedades mecánicas (módulo elástico complejo: E*=E´+ iE´´) y dieléctricas
(permitividad relativa compleja: εr*=εr´- iεr´´) de un copolímero, el polivinil
butiral (PVB), con la finalidad de evaluar la capacidad bifuncional de este
material. Reometría tradicional, análisis mecánico dinámico (DMA) y análisis
dieléctrico dinámico (DDA) son las técnicas instrumentales para evaluar las
propiedades del PVB. A partir de los datos experimentales se desarrolló un
modelo empírico que establece una relación entre las propiedades mecánicas
y dieléctricas (E´vs. εr´) del PVB; el incremento de εr’ produce un decaimiento
exponencial de E’.
PALABRAS CLAVE
Polivinil butiral, dieléctrico, polímero, viscoelasticidad
ABSTRACT
Dielectric materials play an interesting role in the development of new
electronic devices. In this work, the study of mechanical (complex elastic modulus:
E*=E´+ iE´´) and dielectric properties (complex relative permittivity: εr*=εr´iεr´´) of a copolymer, the polyvinyl butyral (PVB) are showed. The bifunctional
capacity evaluation of this material is performed by traditional rheometry,
dynamic mechanical analysis (DMA) and dynamic dielectric analysis (DDA).
From the experimental data, a empirical model was developed, it establishes a
relationship between the mechanical and dielectric properties (E´ vs. εr´) of the
PVB; the increasing of εr´ produces an exponential decay in the value of E´.
KEYWORDS
Polyvinyl butyral, dielectric, polymer, viscoelasticity
INTRODUCCIÓN
Un material dieléctrico es aquel en el que la estructura electrónica de sus
átomos constituyentes es tal que, a una escala mayor al tamaño del átomo, todo el
conjunto de átomos pueden posicionarse de una manera particular en el espacio,
definiéndose una estructura atómica o molecular a la cual se encuentran ligados los
electrones de valencia, de tal forma que dichas partículas subatómicas no pueden
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
19
�Materiales poliméricos dieléctricos / Jesús G. Puente Córdova, et al.
desplazarse libremente bajo la acción de un campo
eléctrico externo. Si la estructura atómica y por ende
la estructura electrónica de un material dieléctrico no
cambian en el tiempo, entonces están en equilibrio
con el medio, y cuando dicho material es sometido a la
acción de un campo eléctrico externo, sus estructuras
(atómica y electrónica) tienden a modificarse para
buscar nuevamente el equilibrio, esto a través de un
fenómeno de polarización eléctrica y/u orientación
de dipolos eléctricos.
Es importante mencionar que cuando el campo
eléctrico aplicado es eliminado, el material tiene
una fuerte tendencia a restablecer sus características
estructurales originales. Aquellos materiales que
pueden llegar a restablecer por completo su estructura
cuando se elimina el campo eléctrico aplicado,
podrán repetir el fenómeno un número infinito de
veces, y se identifican como materiales dieléctricos
ideales. Por supuesto estos materiales no existen
en la naturaleza; sin embargo habrá algunos que
tengan un comportamiento cercano al ideal, a estos
materiales se les denomina “materiales dieléctricos”,
siendo su principal aplicación el almacenamiento de
energía eléctrica.
En los materiales dieléctricos es poco probable
encontrar electrones libres, lo que trae como
consecuencia que estos materiales también sean
buenos aislantes eléctricos, pudiendo llegar a tener
una resistividad de 108 a 1016 Ωm. De lo anterior
se establece que los materiales dieléctricos son
buenos aislantes eléctricos, sin embargo un buen
aislante eléctrico no necesariamente tiene buenas
propiedades dieléctricas.
La eficiencia con la que un material aislante
eléctrico puede llevar a cabo la función de dieléctrico
se manifiesta a través de su permitividad dieléctrica (ε).
Para un material isotrópico, esta propiedad ε, es
“una constante” de proporcionalidad que relaciona
a un campo eléctrico aplicado a dicho material (H)
con el campo eléctrico resultante (B) al interior del
mismo, ecuación (1).
Para este caso en particular, debido a que los
paralelos, la ε se considera un
vectores son
escalar. Sin embargo, para el caso de materiales
no isotrópicos ε debe considerarse como un tensor
de segundo orden, ya que relaciona a dos campos
eléctricos que matemáticamente son tensores de
primer orden.
20
(1)
La permitividad de un material se reporta
normalmente en relación con la permitividad del
vacío, ε0=8.8541878176x10-12 F/m, denominándose
permitividad relativa, εr. En este sentido, a manera
de ejemplo, se han reportado para materiales
poliméricos valores de εr para el poliestireno de 2.4
a 3.1, para el polifluoruro de vinilo 8.0, y para el PET
3.0. Es importante mencionar que en los polímeros,
la magnitud de εr está asociada principalmente al
número de “dipolos eléctricos permanentes” que
conforman su estructura macromolecular. Estos
dipolos eléctricos son el resultado de una distribución
asimétrica de los electrones en los grupos químicos
de las cadenas poliméricas.
Cuando se aplica un campo eléctrico externo, los
dipolos se orientan elásticamente para neutralizar
la acción del campo eléctrico; el número y el tipo
de dipolos orientados definen la magnitud de εr.
La estructura electrónica en los grupos químicos
que forman parte de los polímeros también puede
modificarse bajo la acción del campo eléctrico
externo, induciéndose la formación de nuevos dipolos
eléctricos (dipolos eléctricos no permanentes) que, al
orientarse, también contribuirán a la magnitud de εr.
La facilidad con que se puede inducir la formación de
nuevos dipolos en un material polimérico se conoce
como polarizabilidad, α.
Entre los materiales más comunes que se utilizan
como dieléctricos se encuentra el material cerámico
titanato de bario o BaTiO 3, cuya permitividad
relativa puede alcanzar valores de hasta 6900.1
En general, los materiales cerámicos son mejores
dieléctricos que los materiales poliméricos, sin
embargo presentan desventajas tales como, su alta
fragilidad y elevadas temperaturas de proceso o
transformación, lo que limita sus aplicaciones en
dispositivos electrónicos modernos y mecatrónicos,
los cuales deben tener cierta flexibilidad mecánica
o capacidad de amortiguamiento de vibraciones
mecánicas. 2,3 Algunos materiales poliméricos
han sido utilizados como dieléctricos,4-7 con el
inconveniente de que la comprensión de la relación
propiedades dieléctricas-morfología tiene aún
muchas interrogantes, entre otras razones debido a
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�Materiales poliméricos dieléctricos / Jesús G. Puente Córdova, et al.
que los polímeros son materiales que se encuentran
alejados del equilibrio termodinámico.
En este trabajo se presenta la evaluación de las
propiedades mecánicas y dieléctricas de un material
polimérico cuya estructura es de tipo copolímero,
el polivinil butiral o PVB, de tal manera que el
comportamiento viscoelástico del PVB es analizado
no solamente a partir de su manifestación mecánica,
sino también a partir de su manifestación dieléctrica.
Estos resultados permitirán establecer la capacidad
bi-funcional (mecánica y dieléctrica) del PVB.
EL POLIVINIL BUTIRAL
El polivinil butiral o PVB es un copolímero
(desarrollado en 1928 por Canada Shawinigan
Chemicals) utilizado principalmente en el proceso
de fabricación de “vidrio laminado” para la industria
automotriz.8,9 El PVB se obtiene al modificar el
poli-alcohol vinílico al hacerlo reaccionar por
condensación con butiraldehído en medio ácido.
El resultado de este proceso de modificación
produce cadenas poliméricas cuya estructura está
formada por tres tipos de unidades estructurales
a lo largo de las cadenas de PVB, (ver figura 1),
razón por la cual se considera al PVB como un
copolímero.10,11 Las condiciones de síntesis del PVB
determinan el contenido y distribución de las tres
unidades estructurales, pudiendo tener variaciones
en la composición de 65% mol para las unidades
estructurales del butiral, 34% mol las del alcohol y
3% mol para el acetato.
Fig.1. Representación esquemática de la estructura
química del copolímero PVB.
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
Debido a su estructura molecular a base de
enlaces covalentes, el PVB es un aislante eléctrico.
En la figura 1, se identifican los grupos químicos que
conforman la estructura química del PVB: acetales,
hidroxilos y acetilos. Estos grupos químicos debido a
la distribución asimétrica de sus electrones se pueden
considerar como dipolos eléctricos, que bajo la acción
de un campo eléctrico externo pueden orientarse de
una manera tal que contribuyen a la magnitud de εr.
Se ha demostrado que mediante un proceso de dopaje
con yodo, I2 , se puede incrementar la conductividad
eléctrica del PVB, resultado de la disminución tanto
de la energía de activación de la conducción como de
la capacidad de almacenamiento de carga eléctrica.12
También se ha reportado que un dopaje del PVB con
la sal cloruro de níquel (NiCl2) permite incrementar
el valor de su permitividad relativa.13 La relación
entre las propiedades dieléctricas y mecánicas es un
tema que presenta aún muchas interrogantes.
PRINCIPIO FÍSICO DE LOS ANÁLISIS DINÁMICOS:
MECÁNICO Y DIELÉCTRICO
La naturaleza viscoelástica de los polímeros
se puede interpretar como un comportamiento
intermediario entre un líquido viscoso puro y un
sólido elástico ideal. En consecuencia el estudio
de la reología o viscoelasticidad de los polímeros
requiere de técnicas dinámicas u oscilatorias que
permitan deconvolucionar la parte elástica y viscosa
de estos materiales. En base a lo anterior se utilizan
en este trabajo dos técnicas experimentales de base,
el análisis mecánico dinámico y el análisis dieléctrico
dinámico.
El principio físico del análisis mecánico dinámico
o DMA por sus siglas en inglés, se fundamenta
en someter una película o probeta a un estímulo
mecánico periódico en forma sinusoidal, bajo
condiciones isócronas o isotérmicas. Debido al
carácter viscoelástico del polímero estudiado,
el estímulo aplicado y la respuesta obtenida se
encuentran en un ángulo δm de desfase, lo que permite
deconvolucionar la respuesta en dos partes, una que
está en fase y otra desfasada /2 radianes del estímulo
aplicado. Esto permite el cálculo de dos módulos,
que pueden representarse en un número complejo,
E*=E´+ iE´´. La parte real de este número está
asociada al comportamiento elástico del polímero,
21
�Materiales poliméricos dieléctricos / Jesús G. Puente Córdova, et al.
en tanto la parte imaginaria se relaciona con la parte
viscosa del mismo. El cociente de la componente
imaginaria y real del módulo elástico complejo se
le conoce como tan δm o factor de pérdida.
Por otra parte, si en lugar de aplicar un estímulo
mecánico a la probeta, se aplica un estímulo eléctrico
(campo eléctrico) de manera periódica siguiendo
una forma sinusoidal, la respuesta obtenida será
una corriente eléctrica que estará en desfase un
ángulo δe con respecto al estímulo aplicado. Por
lo tanto, de manera análoga al cálculo del módulo
elástico complejo, en este caso en particular se puede
calcular la permitividad dieléctrica relativa compleja,
εr*=εr´-iεr´´, en donde la parte real está asociada al
almacenamiento “elástico” de cargas eléctricas, y
la parte imaginaria se relaciona con la disipación
de estas cargas en forma de corriente eléctrica.
Esta técnica es conocida como análisis dieléctrico
dinámico o DDA por sus siglas en inglés.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
En esta sección se describen las pruebas
experimentales que fueron utilizadas en este
trabajo de investigación y que tienen por objetivo
correlacionar las manifestaciones mecánica y
dieléctrica de la viscoelasticidad del PVB.
Películas delgadas de PVB
Para una buena caracterización dieléctrica y
mecánica, la geometría es un aspecto fundamental,
requiriéndose que las probetas sean en forma
de películas delgadas (espesor alrededor de 100
μm), siendo el área y principalmente el espesor,
los aspectos geométricos más importantes. Por lo
anterior, es necesario determinar el comportamiento
reológico del PVB en disolución con la finalidad de
definir la concentración más adecuada para preparar
las películas por vaciado o “casting”.
Se utilizó un reómetro Anton Paar con geometría
de platos paralelos a 25°C para determinar la
viscosidad dinámica de cuatro disoluciones de
PVB en tetrahidrofurano (THF); para asegurar la
homogeneidad de las disoluciones se dejaban estas
bajo agitación magnética (700 RPM), a 40°C durante
30 min. Las concentraciones de cada una fueron: 5,
10, 15 y 20% wt de PVB. A partir de la disolución
22
en THF con la concentración seleccionada (10%
wt), cuya determinación se discutirá en la siguiente
sección, se prepararon películas por “casting”,
separando el disolvente por convección natural a
temperatura ambiente durante 24 horas.
Una vez obtenidas las películas delgadas de PVB,
estas fueron caracterizadas mediante la aplicación de
estímulos mecánicos y eléctricos de tipo oscilatorio
en un amplio intervalo de frecuencias y temperaturas.
Para el estudio mecánico oscilatorio se utilizó
la técnica DMA. Por otra parte, la aplicación de
estímulos eléctricos oscilatorios, se llevó a cabo
utilizando DDA.
Análisis mecánico dinámico
Las películas obtenidas fueron estudiadas
mediante DMA, utilizando un DMA 8000 de
Perkin Elmer midiendo el módulo elástico complejo
(E*=E´+ iE´´). Las mediciones se llevaron a cabo
en modo tensión bajo condiciones isócronas a
una frecuencia de 1 Hz, aplicando una amplitud
de deformación de 10 μm y en un intervalo de
temperaturas (T) de 25-105°C.
Análisis dieléctrico dinámico
Las mediciones de DDA se llevaron a cabo en un
rango de frecuencias de 20 Hz- 2 MHz, utilizando
un electrómetro Agilent E4980A. El voltaje aplicado
que define al campo eléctrico utilizado como
estímulo osciló entre -1 y 1 V, todo esto a diferentes
temperaturas, desde 25°C hasta 115°C en intervalos
de 10°C. En la figura 2 se muestra el esquema de
instrumentación utilizado, donde el electrómetro
evalúa la capacitancia de la muestra, C´ y el factor
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�Materiales poliméricos dieléctricos / Jesús G. Puente Córdova, et al.
Fig. 2. Esquema de la instrumentación DDA de películas
delgadas.
de pérdida, tan δe, siendo posible a partir de estos
valores calcular la parte real y la parte imaginaria
de la permitividad relativa compleja, εr*, de acuerdo
con las siguientes ecuaciones:
donde
(2)
(3)
siendo ε0 la permitividad del vacío, A el área de los
electrodos (ver figura 2) y d el espesor de la muestra.
La ecuación (3) define a la tan δ e como el
cociente de la componente imaginaria y real de la
permitividad relativa compleja. A este parámetro
también se le conoce como factor de pérdida, y es
análogo a la tan δm calculada a partir del módulo
elástico complejo.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En esta sección se presentan los resultados
obtenidos a partir del DMA y DDA. Posteriormente,
dentro de esta misma sección, se comparan las
manifestaciones mecánica y dieléctrica de la
viscoelasticidad del PVB.
Películas delgadas de PVB
En la figura 3 se observa que en todos los casos (5,
10, 15 y 20% wt) a bajas tasas de deformación (entre
10-3 y 10-1 s-1) la viscosidad permanece casi constante
(comportamiento de fluido newtoniano), en tanto a
tasas de deformación mayores a 10-1 s-1 la viscosidad
disminuye considerablemente, lo que corresponde a
un comportamiento de tipo pseudoplástico. A medida
que la concentración de solvente aumenta, existe una
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
Fig. 3. Reograma de PVB-disolvente en función de la
rapidez de deformación.
disminución global en las curvas, tanto en la región
Newtoniana, como en la pseudoplástica.
La facilidad para manipular al PVB se incrementa
a medida que aumenta la concentración de solvente,
aunque con esto disminuya evidentemente la
cantidad de PVB. De acuerdo con la figura 3 el
comportamiento reológico de las formulaciones
10, 15 y 20% wt de PVB, no presentan diferencias
significativas. En cambio la formulación con
menor cantidad de PVB (5% wt) presenta una
disminución considerable de la viscosidad. Por
esta razón se seleccionó la formulación con 10%
wt de PVB, pudiéndose también haber utilizado las
formulaciones con 15 o 20% wt de PVB.
Análisis mecánico dinámico
La figura 4 muestra la parte real de E*, la cual está
asociada a la parte elástica del PVB. En esta figura se
identifica una disminución de E’ conforme aumenta
la temperatura, en un intervalo desde 25 hasta 105°C,
donde es posible distinguir tres zonas diferentes.
En la primera zona (25-50°C) hay un decremento
poco pronunciado de E´ (dE´/dT~0) asociado a
movimientos moleculares localizados de los grupos
químicos más pequeños del PVB. En la segunda
zona definida por un intervalo de temperaturas de 50
a 85°C, se presenta un decremento pronunciado de
E´ a medida que aumenta la temperatura. Esto está
asociado a la manifestación mecánica de la transición
vítrea y corresponde a un aumento importante de
23
�Materiales poliméricos dieléctricos / Jesús G. Puente Córdova, et al.
más importante que la elasticidad cauchótica. Este
comportamiento se puede interpretar como una
tendencia al flujo por parte del polímero cuando la
temperatura se incrementa.
Fig. 4. Parte real del E* y tan δm del PVB, en función de
la temperatura (a 1 Hz).
grados de libertad de los movimientos moleculares
de las cadenas del PVB. Finalmente, en la tercera
zona, a altas temperaturas (T > 85°C), E´ sigue
disminuyendo conforme aumenta la temperatura,
de una manera tal que E´ podría considerarse
“constante”. Este comportamiento está asociado a
la elasticidad de tipo “cauchótica” del PVB, la cual
es función del número de entrecruzamientos físicos
entre las cadenas de PVB.
Por otra parte, en tan δm vs. T, se identifican tres
zonas análogas a las tres zonas de E’ en los mismos
intervalos de temperatura. En la primera zona, de
25 a 50°C, tan δm permanece casi constante, con
una magnitud de ≈0.13. Este bajo valor de tan δ m
indica que en este intervalo de temperatura la parte
viscosa es menos importante que la elástica, lo cual
concuerda con los elevados valores de E’~3.9x108 Pa,
en el mismo intervalo de temperatura. Posteriormente
en el intervalo de 50 a 69°C, tan δ m aumenta
considerablemente hasta un valor máximo de 1.75,
y de 69 a 85°C tan δm disminuye también de manera
muy pronunciada hasta un valor de 0.44. El máximo
de tan δm a 69°C es un indicador de la manifestación
mecánica de la temperatura de transición vítrea (Tg)
del PVB, y está relacionado con el pronunciado
decremento de E’ en el mismo intervalo de
temperatura. Finalmente, a temperaturas superiores
a 85°C tan δm tiene nuevamente un incremento,
el cual está relacionado con el comportamiento
identificado como “cauchótico” en E’; pero a
medida que aumenta la temperatura en esta región,
tan δm muestra que la viscosidad se hace cada vez
24
Análisis dieléctrico dinámico
Los resultados obtenidos a partir del análisis
dieléctrico dinámico se resumen en las figuras 5 a 7.
La figura 5 muestra para varias temperaturas la
variación de la parte real de εr* en un intervalo de
frecuencias de 20 Hz- 2 MHz. A una temperatura
de 115°C, a bajas frecuencias (20 Hz a 4 KHz),
εr’ permanece casi constante con una magnitud
promedio de 3.15. Posteriormente en un intervalo
de frecuencias de 4 KHz a 1 MHz, εr’ disminuye
considerablemente hasta un valor de 2.71. A
frecuencias mayores a 1 MHz, εr’ tiene un aumento
importante, el cual está asociado a corrientes
eléctricas parásitas en la interfase del electrodo y
la película de PVB. Por otra parte, los resultados
obtenidos de las mediciones experimentales de εr’
a temperaturas inferiores a 115°C, muestran que la
curva de εr’ se desplaza hacia las bajas frecuencias.
Este comportamiento indica que los movimientos
de los dipolos eléctricos asociados al decremento
de εr’ cuando la frecuencia aumenta, son procesos
térmicamente activados.
Los movimientos térmicamente activados de los
dipolos eléctricos que definen a las curvas εr’ de
la figura 5 se manifiestan de una manera análoga
en las curvas tan δe (ver figura 6) en función de la
Fig. 5. Parte real de la εr* del PVB, en función de la
frecuencia y la temperatura.
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curvas representan aspectos eléctricos del mismo
fenómeno (comportamiento viscoelástico o reológico
del PVB). Como consecuencia de lo anterior la
temperatura de transición vítrea, que corresponde al
máximo de tan δe en la figura 7, es de 75°C.
Fig. 6. Tan δe del PVB, en función de la frecuencia y la
temperatura.
frecuencia, en las cuales se identifica de manera
clara un máximo o pico, que se desplaza hacia
las bajas frecuencias a medida que la temperatura
disminuye.
Con la finalidad de poder comparar la
manifestación mecánica y la manifestación dieléctrica
del comportamiento viscoelástico del PVB, a partir
de las figuras 5 y 6 se construyeron curvas isócronas
de εr´ y tan δe a la frecuencia más baja que permitió
medir el equipo (20 Hz). Estas curvas experimentales
se muestran en la figura 7, las cuales al igual que las
curvas experimentales isócronas de E’ y tan δm de
la figura 4, presentan tres zonas diferentes pero en
intervalos de temperatura ligeramente desfasados.
Esto último, se debe a que los resultados de la figura
4 representan aspectos mecánicos y en la figura 7 las
Fig. 7. Parte real de la
de la temperatura.
εr*y tan δe del PVB, en función
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
Comparación entre DMA y DDA
En la figura 8 se muestra la comparación
de la parte real del E* y la parte real de la εr*
del PVB, en función de la temperatura. Aquí se
aprecia que es posible identificar una relación
entre las manifestaciones mecánica y dieléctrica
de la viscoelasticidad de dicho material. A bajas
temperaturas el valor de E se mantiene uniforme
mientras la ε r´ posee un valor muy bajo, casi
constante. Por otro lado, a altas temperaturas,
pasando la región de la transición vítrea del PVB, se
observa el efecto contrario; el valor de E’ disminuye
mientras el valor de εr´ aumenta.
Fig. 8. Comparación de E´ y εr´ en función de la
temperatura.
El gráfico 9 muestra la comparación de tan δm
obtenida por DMA y la tan δe obtenida mediante
DDA (estímulo mecánico vs. estímulo eléctrico), en
función de la temperatura. En esta figura se identifica
de manera más clara que la Tg calculada a partir del
DMA es de 69°C, mientras que la Tg estimada a partir
del DDA es de 75°C. La diferencia entre estos valores
se debe, entre otros aspectos, a que en el DMA el
estímulo mecánico induce movimientos en todos los
grupos químicos que constituyen las macromoléculas
del PVB, mientras que en el DDA el estímulo eléctrico
actúa de manera selectiva sobre los grupos químicos
que presentan momento dipolar eléctrico.
25
�Materiales poliméricos dieléctricos / Jesús G. Puente Córdova, et al.
Fig. 9. Comparación de tan
función de la temperatura.
δm (DMA) y tan δe (DDA), en
A partir de los datos experimentales de la figura
8 se construyó el gráfico de la figura 10, en la que se
muestra de manera clara, como el incremento de εr’
corresponde a un decaimiento exponencial de E’.
Fig. 10. Modelo empírico de la relación entre E´ vs.
para el PVB.
ε r´
CONCLUSIONES
La evaluación de las propiedades dieléctricas (tan δe)
mediante DDA permite estimar la temperatura de
transición vítrea del PVB, la cual es comparable con
la estimada a partir de las mediciones experimentales
de DMA.
Es posible determinar una relación entre las
propiedades mecánicas y dieléctricas del copolímero
PVB. El incremento de las propiedades dieléctricas
del PVB induce un decaimiento exponencial de sus
propiedades mecánicas.
26
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stability of poly(vinyl chloride) nanocomposites
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
investigated by TG–FTIR–MS”, J Therm Anal
Calorim, 2010, 100, pp. 667–677.
12. Chand S., Kumar N.; “Effect of iodine on
electrical conduction in PVB films”, Journal
of Materials Science Letters 8, 1989, pp. 10091010.
13. El-Sherbiny M.A., El-Rehim N. S. A.;
“Spectroscopy and dielectric behavior of pure and
nickel-doped polyvinyl butyral films”, Polymer
Testing 20, 2001, pp. 371-378.
27
�Recuperación de fibras
de carbono de materiales
compuestos termofijos con
agua y alcohol bencílico
en estados subcríticos y
supercríticos
Rodolfo Morales IbarraA, Mitsuru SasakiB,C, Motonobu GotoD,
Armando T. QuitainB, Saida Mayela García MontesA
Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME, Programa Doctoral en
Ingeniería de Materiales
B
Kumamoto University, Japan, Graduate School of Science and Technology
C
Kumamoto University, Japan, Bioelectrics Research Center
D
Nagoya University Department of Chemical Engineering
E
CIIDIT, UANL
rodolfomoralesibarra@hotmail.com
A
RESUMEN
En este trabajo se utilizó agua y alcohol bencílico en condiciones subcríticas
y supercríticas para recuperar fibras de carbono de materiales compuestos
para su reutilización potencial en componentes de alto desempeño. Los
parámetros experimentales fueron la temperatura y el tiempo para la reacción de
descomposición. Los métodos fueron evaluados por el índice de descomposición
de la resina epóxica, que alcanzó hasta 89.1% y 93.7% con agua supercrítica
y alcohol bencílico supercrítico, respectivamente. Las muestras fueron
caracterizadas mediante microscopía de barrido de electrones (SEM, Scanning
Electron Microscopy), que mostró fibras de carbono recuperadas limpiamente.
PALABRAS CLAVE
Reciclaje, Fibras de Carbono, Fluidos Subcríticos, Fluidos Supercríticos.
ABSTRACT
Benzyl alcohol and water in subcritical and supercritical conditions were
used in this work for recovering carbon fibers from composite materials
aimed to their potential reuse in high performance components. The reaction
temperatures and decomposition times were the experimental parameters.
The methods were evaluated by the decomposition rate of epoxy resin, which
reached up to 89.1% and 93.7% with supercritical water and supercritical
benzyl alcohol, respectively. The samples were characterized by scanning
electron microscopy (SEM), that showed cleanly recovered carbon fibers.
KEYWORDS
Recycling; Carbon Fiber; Subcritical Fluids; Supercritical Fluids.
28
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
�Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al.
INTRODUCCIÓN
Existen varias directrices que promueven el
reciclaje de materiales compuestos, tales como el
incremento de su uso en la industria aeroespacial,
automotriz e industrias relacionadas; la cantidad
de aeronaves que están llegando al fin del ciclo
de vida; la generación de la legislación y política
medioambientalista; el posible desarrollo de una
industria de reciclaje de compuestos, por citar
algunas. La descomposición de matrices poliméricas
de compuestos se lleva a cabo de manera muy rápida
por fluidos supercríticos comparado con métodos
convencionales y experimentales.1,2 Los fluidos
subcríticos y supercríticos tienen el potencial para ser
la nueva manera de reciclar materiales compuestos
ya que hoy en día estos materiales están siendo
confinados o incinerados,3 lo cual no es una solución
ideal desde el punto de vista medioambiental. Además,
fibras muy limpias pueden ser recuperadas por este
método. Por ejemplo, hasta un 79.3% de índice de
descomposición puede ser alcanzado utilizando agua
supercrítica. La reacción de descomposición puede
ser mejorada aun más, alcanzando hasta un 95.4%
de índice de descomposición agregando KOH como
catalizador4 y hasta un 95% con alcohol supercrítico
en sistemas de flujo semicontinuo.5,6 También se
ha incrementado el uso de n-Propanol para este
propósito.7 Mientras que las fibras retienen hasta
un 98% de su resistencia a la tensión comparado
a las fibras vírgenes8, el uso de diferentes aditivos
ha demostrado que las fibras inclusive pudieran
tener mejores propiedades después de tratamientos
supercríticos.9
La industria de los compuestos se ha incrementado
mundialmente, en el 2000 el consumo Europeo de
compuestos termofijos alcanzó las 106 toneladas por
año.10 En el 2005, la producción de plásticos en Japón
fue de más de 6.1 millones de toneladas3 y de más
de 210 millones de toneladas en todo el mundo,1 y
en el 2008, la demanda mundial de fibras de carbono
alcanzó 20,000 toneladas por año.4 Las ventajas de
los materiales compuestos son muchas, incluyendo
construcción monolítica de componentes de baja
densidad, alta resistencia y relativamente buen
comportamiento en fatiga comparado a los metales
en aplicaciones aeroespaciales. Consecuentemente,
los fabricantes están incrementando el porcentaje
de materiales compuestos utilizados en aeronaves
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
y automóviles, de tal manera que algunos diseños
de aeronaves comerciales utilizan ya más de 50%
de materiales compuestos en relación al peso,
específicamente hablando de sistemas, fibra de
carbono - resina epóxica. Actualmente, la cantidad
de aeronaves que alcanzan su fin de ciclo de vida
son más de 100 unidades por año, mientras que los
desechos de compuestos del sector automotriz fueron
hasta 60,000 toneladas en el año 2011. Todos estos
materiales de desecho son manejados en actualidad
únicamente en vertederos. La legislación en la
Unión Europea demandará a todos los fabricantes de
vehículos el reciclaje de componentes que alcanzan
el fin de ciclo de vida, con un objetivo de 85% de
reciclabilidad de los materiales en vehículos nuevos
a partir del 2015.11 La legislación gubernamental está
siendo utilizada no solo para proveer de incentivos/
penalidades, sino también para prohibir prácticas
actuales (por ejemplo, desechos). De tal manera que
la reutilización y el reciclaje sean las únicas buenas
opciones para seguir adelante con esta industria.
Esta industria tiene gran potencial de desarrollo
debido al alto valor invertido en la manufactura de
compuestos, costos de materia prima, certificaciones
y el desarrollo de las tecnologías necesarias.
Este articulo describe un método experimental
de recuperación y caracterización de materiales
compuestos carbono - epoxy utilizando agua y alcohol
sub y supercrítico como medio de descomposición
de la matriz polimérica. Ambos solventes pueden ser
considerados como “amigables” al medio ambiente
debido a su bajo potencial de toxicidad y su capacidad
de disolver compuestos epóxicos. El enfoque de este
articulo está en el índice de descomposición de las
matrices poliméricas y la caracterización de las
fibras recuperadas por microscopía de barrido de
electrones.
EXPERIMENTAL
Materiales
Para este estudio se utilizaron preimpregnados
de fibra de carbono - epoxy. El preimpregnado
contiene 40% con respecto al peso en resina. Las
condiciones de curado del preimpregnado fueron
60 minutos a 180 °C bajo vacio. Las muestras
fueron manufacturadas con 4 capas de material
preimpregnado de aproximadamente 0.5 g (1 cm de
29
�Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al.
ancho y 4 cm de largo) como se muestra en la figura
1a. Las fibras de carbono recuperadas se muestran en
la figura 1b después de una reacción a 400 °C. Cada
muestra fue pesada antes y después de la reacción
de descomposición.
Fig. 1. a) Muestra de compuestos antes de la reacción
de descomposición. b) Fibras de carbono recuperadas
después de la reacción de descomposición
Reacciones de Descomposición Subcríticas y
Supercríticas
Un esquema del aparato experimental (AKICO
Co. Japan) se muestra en la figura 2, el cual
consiste en un reactor de inconel de tipo batch
(aproximadamente 8.8 cm3 de volumen interno) y un
horno eléctrico. El reactor se agita en forma mecánica
en una oscilación cíclica horizontal con amplitud de
2 cm y una frecuencia fija de 60 ciclos por minuto.
Se utilizó un volumen fijo de 4.4 cm3 de solvente
en cada experimento. Se utilizó agua destilada
Fig. 2. Diagrama esquemático del aparato experimental.
a) Reactor Batch, b) Horno eléctrico, c) Movimiento
mecánico horizontal cíclico.
30
para los experimentos hidrotérmicos y alcohol
bencílico para los experimentos solvotérmicos.
Las propiedades críticas (Tc, temperatura crítica y
Pc, presión crítica) del agua y el alcohol bencílico
son Tc = 375 °C, Pc = 22.06 MPa y Tc = 403 °C,
Pc = 4.57 MPa, respectivamente. El tiempo que el
reactor tarda en llegar a la temperatura en el horno
es aproximadamente 15 min.
Índice de Descomposición
El índice de descomposición (DR) de la resina
epóxica en los compuestos fue calculado de acuerdo
a la cantidad de resina remanente en composición
sólida después del tratamiento, como se indica en
la ecuación 1:
DR = (Mc-Mr) / Me
(1)
donde DR es el índice de descomposición (porcentaje
en peso), Mc es la masa del compuesto antes del
tratamiento de descomposición, Mr es la masa del
compuesto después del tratamiento de descomposición
y Me es la masa de la resina epóxica en el compuesto
antes del tratamiento de descomposición. Un DR =
100% indicaría una recuperación de fibras de carbono
completamente limpias.
Diseño de Experimentos
El diseño de experimentos hidrotérmicos se
presenta en la tabla I y el de los solvotérmicos en
la tabla II. Después de haber medido Mc, el reactor
fue cargado con la muestra de compuesto y el
solvente. El reactor se colocó entonces en el horno
eléctrico, previamente calentado a la temperatura
deseada. Después de cierto tiempo, según el diseño
de experimentos, el reactor fue enfriado en agua a
temperatura ambiente; el producto de la reacción
de descomposición fue filtrado y separado en sus
fases líquida y sólida. Las fibras de carbono son
entonces recuperadas y enjuagadas con etanol y
agua destilada; inmediatamente después, las fibras
fueron colocadas en baño ultrasónico en agua por 10
minutos y secadas en la campana de extracción por
al menos 24 horas para entonces medir Mr.
Análisis Termogravimétrico del Compuesto
Se llevó a cabo un análisis termogravimétrico
en una muestra del compuesto carbono-epoxy
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�Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al.
calentando a 5 °C/min desde temperatura ambiente
hasta 900 °C en una atmósfera de N2, utilizando
crisoles de platino, uno para la muestra y uno vacío
como referencia. El equipo utilizado fue un TG/DTA
SII Nanotechnology EXSTAR 6000.
Microscopía de Barrido de Electrones (SEM)
Se utilizó un SEM FEI Nova NanoSEM 200 para
el estudio de las superficies de las fibras de carbono
recuperadas.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Análisis Termogravimétrico de la Muestra del
Compuesto
El termograma del análisis del TGA-DTA del
material compuesto se muestra en la figura 3, y
sirve de referencia para conocer la temperatura para
recuperar las fibras de carbono. La curva derivativa
de pérdida de peso en la misma figura (en rojo),
DTG µg/min muestra un solo pico en el intervalo de
temperatura entre los 300 °C y los 550 °C, indicando
que la resina se degrada completamente a esta última
temperatura. Las temperaturas máximas utilizadas
en los experimentos hidrotérmicos y solvotérmicos
fueron 400 °C y 425 °C respectivamente las
cuales son relativamente bajas comparadas con las
mostradas en el pico del termograma.
los experimentos hidrotérmicos se incrementaron
conforme a la temperatura y tiempo de reacción.
Los experimentos a 250 °C mostraron resultados
pobres con respecto al DR. Después de 1 hora, el
DR fue 4%; después de 2 horas el DR fue 14%; a 4
horas el DR alcanzó apenas 21%; a 6 horas el DR
fue 25% y a 8 horas no superó el 24%. El ligero
decremento entre las 6 horas y las 8 horas se debe
a los residuos sólidos que inclusive después de la
descomposición quedan adheridos a la superficie
del compuesto y que es difícil lavarlos. Ninguno de
los experimentos a 250 °C produjo fibras de carbono
limpias y quedaron como si no se hubieran tratado,
con el aspecto de la figura 1a. Los resultados de
los experimentos a 300 °C muestran el incremento
de DR con respecto al tiempo. La delaminación de
los compuestos ocurrió en algún momento entre
las 4 horas y las 6 horas. Después de 8 horas, fue
posible recuperar algunas fibras de carbono limpias
en los extremos del compuesto. Los experimentos
a 350 °C alcanzaron su valor máximo después de
2 horas de tratamiento. La delaminación ocurrió
después de 4 horas de tratamiento y las fibras libres
de resina fueron recuperadas después de 6 horas.
Aunque después de 8 horas de tratamiento el DR
fue 82%, una gran cantidad de fibras de carbono
fueron recuperadas libres de resina. A 375 °C, se
llevaron a cabo experimentos más cortos ya que se
esperaban valores de DR más altos a temperaturas
cercanas al punto crítico. A esta temperatura, después
de 30 minutos, el DR fue 34% sin delaminación ni
recuperación de fibras de carbono, mientras que a
1 hora el DR alcanzó 82% con delaminación entre
Fig. 3. TGA-DTA análisis del compuesto carbono-epoxy.
Índice de Descomposición de los Experimentos
Hidrotérmicos y Solvotérmicos
Las curvas de DR de agua subcrítica y supercrítica
se muestran en la figura 4 y los datos de DR
también se encuentran tabulados en la tabla I. De
manera general, los índices de descomposición de
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
Fig. 4. Índice de descomposición de los experimentos
hidrotérmicos.
31
�Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al.
Tabla I. Índice de descomposición de los experimentos hidrotérmicos.
Experimento
Temperatura1 (°C)
Tiempo
Masa de Compuesto (g)
Índice2 Compuesto/
Solvente (g/mL)
Índice de
Descomposición (%)
1
250
1h
0.5201
0.118
4.4
2
250
2h
0.5343
0.121
14.7
3
250
4h
0.5246
0.119
21.7
4
250
6h
0.5244
0.119
25.4
5
250
8h
0.5835
0.133
24.1
6
300
1h
0.559
0.127
23.8
7
300
2h
0.5751
0.131
43.9
8
300
4h
0.5512
0.125
70.8
9
300
6h
0.5683
0.129
72.5
10
300
8h
0.5715
0.130
76.1
11
350
1h
0.5563
0.126
77.2
12
350
2h
0.5216
0.119
81.5
13
350
4h
0.548
0.125
81.8
14
350
6h
0.4973
0.113
83.6
15
350
8h
0.53
0.120
82.4
16
375
30 min
0.4956
0.113
34.4
17
375
1h
0.5492
0.125
82.3
18
375
2h
0.5395
0.123
85.1
19
375
4h
0.5288
0.120
84.4
20
375
6h
0.5374
0.122
82.3
21
400
15 min
0.5303
0.121
24.5
22
400
30 min
0.5618
0.128
82.4
23
400
1h
0.5754
0.131
89.1
24
400
2h
0.556
0.126
80.4
25
400
4h
0.5066
0.115
87.2
1. Temperatura - Tiempo en alcanzar la temperatura en reactor: 15 minutos aproximadamente.
2. Índice de masa Compuesto/Solvente: 4.4 mL fijos de volumen de solvente en todos los experimentos.
capas. Los resultados de DR fueron 85%, 84%
y 82% después de 2, 4 y 6 horas de tratamiento
respectivamente. En este caso también quedan
residuos. Los experimentos a 400 °C mostraron que
después de 15 min el DR alcanzó 24%, y después
de 30 minutos el DR fue 82% y la delaminación
entre capas fue parte de este resultado. Después
de este punto, se recuperaron fibras de carbono
limpias. Después de 1 hora el DR alcanzó 89%,
pero decreció a 80% después de 2 horas, para tener
un nuevo incremento a 87% después de 4 horas.
La mejor explicación para el decremento en DR
después de 1 hora de tratamiento es la aparición de
32
micropartículas esféricas que permanecen adheridas
a las fibras de carbono las cuales incrementan Mr.
Por lo tanto, podemos inferir que en realidad hay
una mayor descomposición en esos experimentos;
debido a la naturaleza gravimétrica del análisis y
particularmente en esos experimentos, el DR no
refleja de manera precisa la real descomposición
de la matriz polimérica y recuperación de fibras de
carbono.
Las curvas de DR de alcohol bencílico subcrítico
y supercrítico se muestran en la figura 5. Los
datos de las descomposiciones solvotérmicas
también se muestran tabulados en la tabla II. Los
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�Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al.
Tabla II. Índice de descomposición de los experimentos solvotérmicos.
Experimento
Temperatura1 (°C)
Tiempo
Masa de Compuesto (g)
Índice 2 Compuesto/
Solvente (g/mL)
Índice de
Descomposición (%)
1
250
1h
0.547
0.124
-17.0
2
250
2h
0.5365
0.122
-6.7
3
250
4h
0.5783
0.131
10.0
4
250
6h
0.5414
0.123
36.8
5
250
8h
0.5627
0.128
33.2
6
300
1h
0.5436
0.124
92.1
7
300
2h
0.5298
0.120
92.0
8
300
4h
0.5541
0.126
91.2
9
300
6h
0.5113
0.116
92.1
10
300
8h
0.5349
0.122
90.9
11
350
15 min
0.5196
0.118
-1.1
12
350
30 min
0.5605
0.127
92.4
13
350
1h
0.5277
0.120
92.2
14
350
2h
0.5606
0.127
92.3
15
350
4h
0.5441
0.124
93.1
16
400
15 min
0.5576
0.127
67.3
17
400
30 min
0.5586
0.127
93.3
18
400
1h
0.563
0.128
93.7
19
400
2h
0.5261
0.120
92.0
20
400
4h
0.5476
0.124
92.5
21
425
15 min
0.549
0.125
91.9
22
425
30 min
0.5369
0.122
93.4
23
425
1h
0.5132
0.117
90.8
24
425
2h
0.5517
0.125
92.2
25
425
4h
0.5165
0.117
90.7
1. Temperatura - Tiempo en alcanzar la temperatura en reactor: 15 minutos aproximadamente.
2. Índice de masa Compuesto/Solvente: 4.4 mL fijos de volumen de solvente en todos los experimentos.
experimentos con alcohol bencílico generaron
valores de DR relativamente más altos comparados
con los experimentos hidrotérmicos, inclusive a bajas
temperaturas y tiempos de reacción cortos. A 250 °C
los resultados tienen un comportamiento interesante,
a saber de DR -17% y -7% para 1 hora y 2 horas
respectivamente. Estos valores negativos pueden
ser explicados por el presente propuesto mecanismo
de reacción de descomposición bajo la influencia de
absorción de alcohol bencílico; en dicho escenario, el
alcohol bencílico es absorbido en la matriz orgánica
y comienza la solvólisis. En dichos experimentos, los
tiempos son cortos y las temperaturas relativamente
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
Fig. 5. Índice de descomposición de los experimentos
solvotérmicos.
33
�Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al.
bajas, por lo que no se ha suplido suficiente energía
ni ha pasado suficiente tiempo para completar o
inclusive iniciar la descomposición; por ello el
incremento en el valor Mr que provoca valores
negativos de DR. El DR fue 10%, 36% y 33% para
4, 6 y 8 horas respectivamente. El delaminado de
los compuestos ocurrió después de 2 horas y fue
posible recuperar algunas fibras de carbono limpias
después de 4 horas. A 300 °C el DR fue similar
para los cinco experimentos, 92%, 92%, 91%, 92%
y 90% para 1, 2, 4, 6 y 8 horas respectivamente. Es
posible inferir que la mayoría de las fibras de carbono
del compuesto pueden ser recuperadas inclusive
a tiempos cortos de reacción, ya que las muestras
recuperadas en estos experimentos muestran fibras
de carbono limpias y libres de residuos de resina
epóxica. Un comportamiento similar fue observado a
350 °C con DR de -1%, 92%, 92%, 92% y 93% para
15 min, 30 min, 1, 2 y 4 horas respectivamente. En
los experimentos a 350 °C se recuperaron fibras de
carbono relativamente limpias y libres de residuos. A
400 °C el DR fue 67%, 93%, 93%, 91% y 92% para
15 min, 30 min, 1, 2 y 4 horas respectivamente en
donde se encontró delaminación en el experimento
de 15 min sin recuperación de fibras de carbono
limpias, mientras que en el resto de los experimentos
se recuperaron fibras de carbono limpias y libres de
residuos epóxicos. A 425 °C en alcohol bencílico
supercrítico, el DR alcanzó 91%, 93%, 90%, 92%
y 90% para 15, 30, 1, 2 y 4 horas respectivamente;
en todos los experimentos a dicha temperatura se
recuperaron fibras de carbono limpias. La mayoría
de las reacciones de descomposición solvotérmicas
mostraron resultados con un alto DR de más de
90% excepto en algunos experimentos a 250 °C o
tiempos de reacción demasiado cortos, por ejemplo,
15 minutos a 350 °C.
Caracterización mediante SEM
La caracterización de las fibras de carbono
recuperadas con agua supercrítica a 400 °C mediante
SEM se presenta en la figura 6. La figura 6a
corresponde a las fibras recuperadas después de 15
minutos de reacción de descomposición, claramente
consistente con el DR de 24%, donde la resina
aún cubre la totalidad de las fibras; se presentan
rompimiento de la integridad física de la resina y
múltiples fragmentos de residuos sólidos. La figura 6b.
34
muestra algunas fibras limpias recuperadas después
de 30 minutos de tratamiento. En la figura 6c se
observan las fibras obtenidas después de 1 hora de
tratamiento con algunos residuos sólidos adheridos
en la superficie de las fibras. Las fibras relativamente
limpias de la figura 6d se obtuvieron después de 2
horas de tratamiento y las de la figura 6e después de
4 horas. La espectroscopía de rayos X por electrones
dispersados (EDS) de la figura 6f demuestra que
el tratamiento superficial original de las fibras de
carbono con azufre (sizing) permanece después de la
reacción de descomposición por agua supercrítica.
La figura 7 presenta las muestras que exhibieron
microesferas adheridas a la superficie de las fibras
de carbono en agua supercrítica a 400 °C. Se
encontraron micropartículas con tamaño de entre 3 y
5 µm adheridas a la superficie de fibras de carbono
en los tratamientos de 30 minutos, 1, 2 y 4 horas de
descomposición. Se propone que el mecanismo de
formación consiste en que la resina epóxica se quiebra
en pequeñas residuos y micropartículas, luego la
agitación horizontal provoca turbulencia en el reactor
y moldea por “boleo” los residuos solubilizados en
esferas. Estas microesferas adheridas a la superficie
de las fibras incrementan notablemente el valor de
Mr, provocando un decremento en el valor de DR en
los experimentos de agua supercrítica con duración
mayor a 1 hora. Las muestras que presentaron
estas microesferas fueron lavadas y enjuagadas
de nuevo con agua, acetona y tetrahidrofurano,
para ser de nuevo colocadas en baño ultrasónico
con los mencionados solventes durante 5, 10, 15
y 30 minutos. Aún después del procedimiento de
lavado se observó que las microesferas permanecen
adheridas a la superficie de las fibras de carbono. La
figura 7a. muestra las microesferas entre 2 y- 3 µm de
diámetro después de 30 min de tratamiento, la figura
7b, las microesferas adheridas a una capa residual de
resina sólida en una muestra con un tratamiento de
descomposición de 1 hora. Es notable y relativamente
obvia la afinidad de las microesferas a adherirse a
estas capas de resina sólida. La figura 7c muestra las
microesferas adheridas también en una muestra con
un tratamiento de 1 hora de descomposición, la figura
7d, a las microesferas de entre 2 y 3 µm de diámetro
adheridas a fibras de carbono con un tratamiento de
2 horas. En la figura 7e se aprecian microesferas más
pequeñas, de 1 a 2 µm lo cual es la base para pensar
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
�Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al.
Fig. 6. Micrografías SEM de las fibras de carbono recuperadas por el proceso hidrotérmico en agua supercrítica
después de: a) 15 min; b) 30 min; c) 1 hora; d) 2 horas; e) 4 horas; f) EDS of fibras de carbono recuperadas con agua
supercrítica a 400 °C después de 15 min.
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
35
�Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al.
Fig. 7. Micrografías SEM de microesferas en la superficie de las fibras de carbono recuperadas en agua supercrítica a
400 °C después de: a) 30 min; b) 1 hora; c) 1 hora; d) 2 horas; e) 4 horas; f) 4 horas.
36
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
�Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al.
Fig. 8. Micrografías SEM de fibras de carbono recuperadas por alcohol bencílico supercrítico a 425 °C después de: a)
15 min; b) 30 min; c) 1 hora; d) 2 horas; e) 4 horas; f) EDS de las fibras de carbono recuperadas con alcohol bencílico
supercrítico a 425 °C después de 15 min.
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
37
�Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al.
en la posibilidad del mecanismo de descomposición y
“moldeado” de las microesferas; la figura 7f. muestra
las microesferas adheridas a las fibras de carbono
después de un tratamiento de 4 horas.
Las muestras de las reacciones con alcohol
bencílico supercrítico a 425 °C se reportan en la
figura 8. De la figura 8a a la figura 8e se muestran
las fibras de carbono recuperadas de las reacciones
de descomposición de 15 min, 30 min, 1, 2 y 4
horas respectivamente. El EDS (figura 8f) de fibras
de carbono recuperadas con alcohol bencílico
supercrítico después de 15 minutos de tratamiento
no muestra rastro del tratamiento superficial (sizing)
original en las fibras.
Las diferencias entre las pruebas con diferentes
solventes son visibles en la caracterización SEM y
son apreciables de los valores más altos de DR en las
reacciones con alcohol bencílico. Además, las fibras
de carbono recuperadas con alcohol bencílico se
encuentran más limpias y tienen una menor cantidad
de residuos sólidos adheridos en la superficie. En
cuanto a los mecanismos, se puede decir que la
descomposición en los experimentos de agua y alcohol
consisten en un proceso de difusión-descomposición
de polímeros por rompimiento de los enlaces C-OC y C-N-C, además de la transferencia de masa de
monómeros y compuestos. La difusión del alcohol
bencílico supercrítico y su absorción en la matriz
polimérica explica los valores negativos obtenidos en
algunos experimentos. Por otra parte, el mecanismo
en agua supercrítica consiste en el rompimiento de la
matriz polimérica en piezas pequeñas y monómeros
y una posterior disolución de residuos.
CONCLUSIONES
El agua y el alcohol bencílico son ambos
buenos solventes bajo condiciones subcríticas y
supercríticas para el reciclaje químico de compuestos
de matriz polimérica termofija. El resultado de
estos procedimientos es la recuperación de fibras
relativamente limpias después de los tratamientos.
El alcohol bencílico supercrítico mostró resultados de
DR más altos, por encima de 90%. El agua supercrítica
mostró resultados de DR por encima de 80%. En
algunos casos los DR alcanzados son más altos que los
reportados para sistemas de flujo semicontinuos usando
solventes orgánicos en presencia de catalizadores.
38
La turbulencia generada por el movimiento cíclico
horizontal del equipo experimental hace una
diferencia importante contra otros sistemas tipo batch.
La recuperación de fibras de carbono limpias por el
método solvotérmico ha sido corroborado por SEM.
Después de la caracterización SEM, se puede inferir
que también el método hidrotérmico produce fibras
de carbono limpias en cuyo caso, las microesferas
encontradas en la superficie están en detrimento del
valor de DR mas las descomposición real es mayor.
Ambos métodos, solvotérmico e hidrotérmico son
factibles para industrialización. El alcohol bencílico
pudiera presentar una opción más viable en términos
de seguridad industrial debido a la menor presiones
presentes en los reactores comparado con el agua
supercrítica. Cualquiera de estos métodos deberá
ser ajustado a escala industrial tomando en cuenta
los factores de costos, tipos de reactores, aspectos
medioambientales y las propiedades de las fibras
recuperadas.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen las becas doctorales al
CONACYT y el apoyo brindado por el personal en
los diferentes laboratorios.
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39
�Detección y aislamiento robusto
de fallas en tiempo finito
Efraín Alcorta GarcíaA, Francisco Eduardo López CastilloA,
Salvador Saucedo FloresB
A
Universidad Autónoma de Nuevo León, Posgrado en Ingeniería Eléctrica,
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
B
Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica, Unidad Zacatenco (ESIME Zacatenco)
efrain.alcortagr@uanl.edu.mx.
RESUMEN
Seguridad y confiabilidad en la industria es una prioridad de la actualidad.
Una forma de apoyarla es mediante el uso de sistemas de supervisión del
desempeño, los cuales incluyen diagnóstico de fallas así como mecanismos de
tolerancia de fallas. En este trabajo se propone un algoritmo robusto que converge
en tiempo finito para la detección y aislamiento de fallas, permitiendo aumentar
la confiabilidad de la detección a partir del tiempo de convergencia, el cual puede
ser fijado arbitrariamente. El resultado se logra sin alterar la dinámica propia
del residuo. El algoritmo es probado con un modelo de simulación.
PALABRAS CLAVE
Falla, generación de residuos, observadores, sistemas lineales,
convergencia.
ABSTRACT
Nowadays, security and reliability in the industry is a priority. A way to
support it is by using performance monitoring systems, which include diagnosis
and tolerance mechanisms failures. In this wor is proposed a robust algorithm
that converges in finite time, for failure detection and isolation allowing to
increase the reliability of detection from the time of convergence, which can be
set arbitrarily. The result is achieved without altering the dynamics of the residue.
The algorithm is tested with a simulation model.
KEYWORDS:
Fault, residual generation, observers, linear systems, convergence.
INTRODUCCIÓN
Como una manera de apoyar la mejora de los niveles de seguridad y
confiabilidad de procesos industriales, se han desarrollado algoritmos de
diagnóstico de fallas, los cuales básicamente pueden ser entendidos como
la realización de tres actividades: detección, aislamiento e identificación de
fallas. Cada una de estas acciones se ha convertido en un área de investigación
importante debido, entre otras cosas, a los efectos que pueden ocasionar fallas
en el flujo de producción e inclusive en la generación de paros no programados.
Así mismo, la información acerca de ocurrencia de fallas incipientes puede ser
40
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 78
�Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al.
utilizada para realizar mantenimiento predictivo, o bien, reducir los efectos
de las fallas, ya sea en el número de paros no programados así como en la
duración de estos.
En los algoritmos de diagnóstico de fallas generalmente se requiere de
la obtención de señales que dependen de las fallas, llamadas residuos. Los
residuos juegan un papel protagónico en el diagnóstico. De las diferentes
formas para generar residuos una manera comúnmente utilizada es mediante
el uso de observadores de la salida, ver por ejemplos en: P. M. Frank1, S.
X. Ding2, C. Chen & R. Patton3 y R. Iserman4. La generación de residuos
utilizando observadores, a diferencia de otras técnicas, permite ajustar algunas
características de desempeño de estos mediante la selección de ganancias
del observador o mediante post-filtrado. Una situación asociada al uso de
generadores de residuos basados en observadores, es que el hecho de que el
efecto de las condiciones iniciales desaparece solo de manera asintótica. Esta
situación generalmente se minimiza argumentando que solo hace falta esperar
un tiempo suficiente, pero que en la práctica es difícil de estimar con precisión.
En contraste, se busca reducir el tiempo de convergencia de los generadores de
residuos mediante la selección de la dinámica, como muestran S. X. Ding 2, C.
Chen & R. Patton3 y R. Iserman4.
El diseño de la dinámica que reduzca el tiempo de convergencia pudiera
comprometer la respuesta esperada, por lo que sería deseable contar con un
procedimiento que permita la convergencia del generador de residuos en tiempo
arbitrario (y pre-establecido) sin comprometer la dinámica del generador
de residuos. Este problema, tal y como se discute previamente, no ha sido
planteado. En la literatura existe un procedimiento reportado con características
de convergencia en tiempo finito5, el cual está fundamentado en un enfoque
de orden reducido, el cual puede ser limitante al desempeño de los algoritmos
de diagnóstico3.
Aquí se propone un algoritmo robusto para la detección y aislamientos
de fallas para sistemas con entradas desconocidas, el algoritmo propuesto
cuenta con la propiedad de convergencia en tiempo finito. El algoritmo
propuesto además de ser robusto es de orden completo y converge en tiempo
finito. El resultado propuesto aquí está basado en el esquema introducido en
A Continuous-Time Observer Which Converges in Finite Time6 tal y como lo
hacen en A Finite Time Unknown Input Observer For Linear Systems5, pero
utilizando un observador de orden completo con entradas desconocidas. El
algoritmo propuesto permite la convergencia en tiempo finito arbitrario, la
dinámica independiente del generador de residuos, así como un espectro amplio
para el diagnóstico de fallas, como se muestra en los ejemplos planteados por
S. X. Ding2, C. Chen3 y R. Iserman4.
PRELIMINARES
En esta sección se revisan los antecedentes que son utilizados para el
desarrollo del algoritmo de diagnóstico y aislamiento de fallas propuesto. La
base se encuentra en el diseño de observadores con convergencia de tiempo
finito, así como en los observadores (robustos) con entradas desconocidas.
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 78
41
�Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al.
Observadores con convergencia de tiempo finito
La convergencia en tiempo finito de observadores de Luenberger lineales es
tomada de R. Engel et al.6 Se considera un sistema lineal invariante en el tiempo
dado por
(1)
,
y la salida
. Considera que el par (A C) es
donde
observable (detectable al menos). Después se define dos observadores identidad
para el sistema (1) con f(t)=d(t)=0, es decir,
(2)
Se definen las siguientes matrices como:
Asignando H y el retraso de tiempo D tal que
el estimado de x está dado por
es estable, y
Como es destacado en R. Engel et al.6, teóricamente es posible hacer converger
al observador en un instante muy corto de tiempo D. La ecuación del estimado
de
es obtenida del hecho de que el error de estimación satisface un sistema
de ecuaciones diferenciales lineales, como es:
De donde se deduce que la siguiente relación es válida:
y que es de donde se obtiene el resultado reportado en R. Engel et al.6, la cual
representa una forma ingeniosa de resolver el problema de convergencia finita
del observador.
42
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 78
�Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al.
Observador robusto a entradas desconocidas
Los resultados del observador robusto de orden completo con entradas
desconocidas son tomados de M. Darouach 7. Considerando al sistema (1) con
f(t)=0. Un observador con entradas desconocidas robusto a d(t) es dado por:
(3)
con:
(3a)
Donde W es una matriz de ponderación arbitraria, la cual puede ser cero; M
debe ser estable (con valores propios con parte real negativa, lo cual se puede
garantizar si el par [PA, C] es detectable al menos o bien observable).
Note que mediante la definición (o la redefinición) de las matrices E y
F es posible la manipulación de la sensibilidad del estimado a las entradas
desconocidas, las cuales pudieran ser fallas. Las condiciones de existencia se
pueden resumir como sigue:
Teorema 1. Para el sistema (1) con f(t)=0, existe un observador (3) si y solo
si las siguientes condiciones se verifican (M. Darouach et al.7):
1. Rango(CE) = Rango (E)
2.
*
ALGORITMO PROPUESTO PARA LA DETECCIÓN Y DIAGNÓSTICO DE
FALLAS EN TIEMPO FINITO
Un procedimiento de diagnóstico de fallas generalmente consta de los
siguientes pasos (P. M. Frank 1):
1. Generación de residuos. Es una señal que idealmente depende
solo de las fallas. En la práctica los residuos se pueden ver afectados por
incertidumbre y están solo cercanos a cero.
2. Evaluación de residuos. Aquí se extrae la información sobre la
ocurrencia de fallas. Principalmente se utiliza una función de evaluación
y una comparación con un umbral.
3. Identificación de fallas. Se extrae de los residuos la información
sobre magnitud y tiempo de ocurrencia de una falla.
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 78
43
�Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al.
Se deja fuera de consideración a la identificación de fallas, examinando sólo
el problema de detección y aislamiento de estas. Note que un aspecto central para
su diagnóstico y aislamiento es el diseño de generadores de residuos.
Generación de residuos
Dentro de las diferentes variantes de generación de residuos disponibles en la
literatura (consultar los libros: Robust Model-Based Fault Diagnosis for Dynamic
Systems 3, Fault-Diagnosis SystemsAn Introduction from Fault Detectionto Fault
Tolerance4 y Diagnosis and Fault-Tolerant Control8), se pueden resumir en tres
grandes grupos: espacio de paridad, observadores, así como métodos basados en
identificación. Entre los dos primeros existe una cierta relación de equivalencia
así como un diseño unificado 2. Entre los dos primeros y el tercero existe una
relación de complementariedad9.
Dada la enorme variedad de métodos de diseño con entradas desconocidas
se estudia el enfoque basados en observadores, se dispone también de una gran
variedad de métodos de diseño para generadores de residuos. Los cuales pueden
ser burdamente catalogados como enfoques de orden completo y de orden
reducido.
Los diseños que están basados en observadores de orden reducido pueden
encontrar problemas que son de otra forma (con observadores de orden completo)
solubles. Esto queda de manifiesto cuando se utiliza el esquema de orden reducido
presentado por Y. Guan and M. Saif 10 con el sistema demostrado por Luan,
J.H., 11 el cual tiene un problema cuando el subsistema calculado robusto a las
perturbaciones es inestable y la ley de control nominal no logra estabilizarlo. En
este caso es bien sabido que no se puede hacer diagnóstico de fallas M. Kinnaert
et al12. Esta situación se verá ejemplificada más adelante mediante un modelo
presentado por Luan, J.H.11 y retomado en este trabajo.
Considerar el sistema con fallas y perturbaciones dado por (1), se tiene el
siguiente resultado:
Teorema 2. El sistema (C. Chen & R. Patton3):
(4)
Representa un generador de residuos de orden completo y robusto a las
perturbaciones d(t), si se satisfacen las ecuaciones (3a) y la siguiente condición
se cumple:
Nota 1. El proceso para determinar la aparición de una falla requiere, en
general, del diseño de un valor de umbral, con la finalidad de evitar falsas alarmas.
El diseño de umbrales para la detección no es discutido en este trabajo, el lector
interesado es remitido a literatura especializada, como ejemplifican S. X. Ding 2
y M. Blancke et al.8
Nota 2. Las fallas investigadas en este trabajo se considera que se manifiestan
francas en el residuo y el mínimo nivel de falla que puede ser detectado, está en
función del nivel de incertidumbre y el valor de umbral que se seleccione.
44
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 78
�Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al.
La idea consiste en hacer converger al generador de residuos robusto (3)
en tiempo finito siguiendo las ideas presentadas por R. Engel et al. 6 y descritas
brevemente en los preliminares. Para esto se requieren dos conjuntos de valores
propios (estables, es decir, con parte real negativa), a ser asignados. Los demás
pasos se volverán a describir aquí, pero aplicados al observador de orden completo
con entradas desconocidas.
Propuesta 1. Dado un sistema (1) y se supone que las condiciones de los
teoremas 1 y 2 se satisfacen. Asignando D>0 y una selección adecuada de las
matrices H1 y H2. Entonces el sistema (2) construido para el sistema (3) es un
generador de residuos robusto que converge en tiempo finito predeterminado
por el valor D.٭
Prueba. Asumiendo que las condiciones de existencia para los teoremas 1 y
2 se satisfacen, se procede a construir un generador de residuos (3), robusto a las
variables representadas por d(t)en (1). El diseño del generador de residuos con
convergencia en tiempo finito se sigue de la observación de la obtención de dos
ecuaciones dinámicas para el generador de residuos de orden completo y robusto
a las perturbaciones d(t) mediante:
El estimado de ζ (t) con convergencia en tiempo finito D está dado por:
(5)
El cual se logra con la definición de las matrices:
Asignando H1 y H2 de tal forma que junto con el retraso de tiempo D>0, se
y dado que es seleccionado estable. El generador de
tiene que
residuos resulta entonces de utilizar (5) en:
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 78
45
�Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al.
La propiedad de robustez de los observadores frente a la perturbación se
obtiene del teorema 1; mientras que la propiedad de ser generador de residuos
de la condición adicional dada en el teorema 2 y la convergencia en tiempo finito
al aplicar el algoritmo de R. Engel. 6
Nota 3. Una versión antigua de la propuesta 1 ha sido previamente presentada
por E. Alcorta Garcia et al.13 La diferencia básicamente consiste en que ahora se
puede garantizar que la matriz
, no será singular para algún valor de
D siempre que H1 y H2 sean seleccionadas de tal forma que las matrices A–H1C
y A–H2C tengan valores propios suficientemente distintos para alguna D>0.
EJEMPLO DE APLICACIÓN
Con la finalidad de mostrar el procedimiento propuesto, se considera el
modelo linealizado del sistema de control de posición de una aeronave, el cual
ha sido previamente utilizado por Luan, J.H.11 y tomado como ejemplo en E.
Alcorta Garcia et al13.
M
Considerar el siguiente sistema lineal
(6)
Donde
Es el vector de estado donde
representan los ángulos de guiada,
balanceo y cabeceo respectivamente
las correspondientes velocidades
angulares; la entrada de control consta de tres elementos asociados con fuerzas
en cada dirección: uT =[Lx Ly Lz]; la incertidumbre d(t) consiste en incertidumbre
del modelo:
Y las matrices del sistema:
46
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 78
�Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al.
F es igual a la primer columna de B y C es la matriz identidad de orden 6
(todos los estados están disponibles para medición. Este sistema es inestable en
lazo abierto, con lo que para poder realizar la tarea de diagnóstico es necesario
primero estabilizarlo mediante una retroalimentación de estado dada por:
u(t) = Kxx(t) + Kref r(t) ; con:
Las ganancias anteriores permiten una ubicación de polos en
{-2,-1.25,-1.75,-1.5,-2.5,-1} para una referencia dada con fines de mostrar el
algoritmo rT (t) = rT = [-0.5 0.5 1] para las posiciones angulares. El comportamiento
nominal del sistema (con f(t)=0) puede verse en la figura 1.
Fig. 1. Evolución de los ángulos del sistema en lazo cerrado.
DISEÑO DEL GENERADOR DE RESIDUOS
Primeramente se verifican las condiciones de existencia. La primera condición
se cumple sin problemas y la segunda es equivalente a que el par (PA, C) sea
observable. Construyendo P utilizando W=0. Se verifica la observabilidad y por
lo tanto la existencia del generador residual robusto.
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 78
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�Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al.
Seleccionando D=0.1. Las demás matrices se obtienen directamente a partir
de las fórmulas antes mencionadas.
Resultados de simulación
Los resultados pueden apreciarse en la figura 2, donde se presentan las
respuestas de los generadores de residuos con convergencia asintótica y en
tiempo finito.
En la figura 3 se presenta la respuesta de ambos observadores generadores
de residuos cuando se presenta una falla en t=0.5 s. Como se puede apreciar,
en los residuos con convergencia asintótica, la manifestación de la falla en
el residuo cuando el efecto de las condiciones iniciales no ha desaparecido,
obscurece la posibilidad de reconocer que la falla ha ocurrido. Note que a
pesar de seleccionar un radio de convergencia arbitrario, el tiempo que tarda el
residuo en que desaparezca el efecto de las condiciones iniciales no se puede
determinar de forma exacta, pues depende también del valor de la condición
inicial. En la misma figura se puede apreciar que en el caso de la convergencia
en tiempo finito, es claro a partir de qué momento el residuo es confiable. Esto
da una ventaja en cuanto al aspecto práctico y de confiabilidad de los algoritmos
utilizados para la detección y aislamiento de fallas.
Lo anterior sugiere que el aspecto de convergencia en tiempo finito debe ser
considerado como necesario en el diseño e implementación de algoritmos para
este fin.
48
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 78
�Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al.
Fig. 2. Evolución de los residuos tanto asintótico como el que converge en tiempo
finito.
Fig. 3. Evolución de los residuos en la presencia de fallas.
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�Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al.
CONCLUSIONES
La detección y aislamiento de fallas se puede hacer de forma robusta y con
tiempo de convergencia arbitrariamente corto. Esto sin la necesidad de recurrir
a técnicas no lineales como en el caso de los modos deslizantes o bien, al uso
de discontinuidades. El enfoque propuesto considera una estructura de orden
completo que permite la solución de problemas que no se pueden resolver con
esquemas de orden reducido.
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50
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 78
�Análisis electromagnético
de celdas con defecto en
microcinta y en plano de tierra
para filtros de microondas
Jorge Aguilar TorrenteraA, Gerardo García SánchezA,
César González CervantesB
Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME,
Departamento de Posgrado en Ingeniería Eléctrica
B
Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME
jorge.aguilart@uanl.mx
A
RESUMEN
Los filtros planares presentan grandes ventajas en el desarrollo de
transreceptores de sistemas de comunicación. Actualmente, las estructuras
de microncintas con defecto son un tema de interés en la investigación de los
sistemas de radiocomunicaciones que operan a frecuencias de microondas. Sin
embargo, algunas de ellas presentan radiación electromagnética significativa
a frecuencias mayores de resonancia, deteriorando la banda de rechazo de los
filtros. Se presenta un estudio comparativo del desempeño de celdas con defecto
en microcinta y con defecto en plano de tierra. Se determina el acoplamiento de
potencia en los puertos, frecuencias de corte, banda de atenuación y pérdidas;
entre otros parámetros. Los resultados se corroboran mediante prototipos de
celdas construidas en substrato FR4 “printed circuit board” diseñadas para
frecuencias de microondas.
PALABRAS CLAVE
Línea microcinta, circuitos planares, estructuras de tierra imperfectas,
microcintas imperfectas.
ABSTRACT
Planar filters have significant advantages in the development of the
transceivers of communications systems. Nowadays, defected microstrips
is a hot topic in the research on microwave systems. However, some of them
present significant radiation at frequencies above resonant frequency, which
impairs greatly the rejection band of filters. A comparison of radiation effects
in defected ground and defected microstrip cells is presented. Power coupling
to the ports, cut-off frequencies, losses and attenuation; among other responses,
are determined. Results are corroborated with measurements of defected
microstrips built on the same substrate FR4, which is commonly used for printed
circuit boards, and designed to resonate at microwave frequencies.
KEYWORDS
Microstrip line, planar circuits, defected ground structures, defected
microstrip.
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�Análisis electromagnético de celdas con defecto en microcinta y en plano de tierra... / Jorge Aguilar Torrentera, et al.
INTRODUCCIÓN
En los sistemas de comunicación que operan en las bandas de microondas
y ondas milimétricas es indispensable evaluar la relación de requerimientos de
los sistemas en su conjunto. Dichos requerimientos se establecen para cumplir
diferentes compromisos de diseño que se resumen en la evaluación del desempeño
de cada subsistema en términos de ruido, potencia consumida, linealidad, y
ganancia en frecuencia. Por ejemplo, en los amplificadores que operan en las
bandas de microondas, existe un compromiso entre figura de ruido mínima y
máxima ganancia en frecuencia.1 Así mismo, en los sistemas de comunicaciones
móviles, los bajos niveles de alimentación de los equipos terminales deterioran
la linealidad de los amplificadores de bajo ruido generando efectos de distorsión
no lineal que se manifiestan como una compresión o expansión de la ganancia;
etcétera. Comúnmente, para cumplir con los compromisos de diseño, se requiere
mitigar ruido y atenuar componentes espectrales no deseadas usando filtros que
operan en un intervalo amplio de frecuencia.
Este artículo trata sobre estructuras de microondas con defecto. Dichas
estructuras tienen aplicaciones en los sistemas de comunicaciones debido a los
altos niveles de atenuación introducidos a la frecuencia de resonancia así como a
sus bajas pérdidas de inserción, lo cual no es fácil de realizar con filtros cerámicos
de bajo orden. Las celdas a considerar son la microcinta con defecto en el plano
de tierra (DGS; del inglés, defected ground structure) y la microcinta con defecto
en la línea (DMS; del inglés, defected microstrip structure). Ambas celdas son
estructuras electromagnéticas bandgap que al ser introducidas periódicamente
presentan características de banda de rechazo y pasabandas a frecuencias de
microondas y ondas milimétricas.2 Debido a su fácil implementación, dichas
estructuras tienen una amplia gama de aplicaciones en sistemas de radiofrecuencia
tales como en antenas de parche, filtros de microondas, atenuadores de armónicos,
entre otros.3 Sin embargo, se ha encontrado que algunas estructuras con defecto
que se han propuesto para el diseño de filtros pueden presentar pérdida por
radiación significativa,4,5 lo cual da lugar a acoplamientos potenciales no deseados
con otras estructuras, como por ejemplo, la antena de un transreceptor. La
compatibilidad EM (electromagnética) entre subsistemas complejos se puede
analizar mediante procesos de simulación. Sin embargo, un análisis de la antena
y filtro de microondas en su conjunto representa grandes retos en virtud de que el
dominio de la solución de los campos electromagnéticos resulta ser muy grande
comparado con el tamaño de diferentes elementos estructurales básicos, lo que
hace que la simulación sea muy lenta y costosa en términos computacionales.
La figura 1 muestra la estructura DGS a considerar y que fue propuesta
inicialmente en.6 Los parámetros de la celda son la distancia de apertura, g, y
el tamaño de los grabados a y b que están conectados a una apertura angosta de
área W×g. Los grabados tienen un espesor igual al del conductor en el plano de
tierra, t.
La cinta en el plano superior tiene un ancho igual a W mm. Esta celda tiene
la capacidad de incrementar la inductancia y capacitancia equivalente distribuida
para formar el efecto de onda lenta, con lo cual se incrementa la reflexión a la
frecuencia de resonancia sin necesidad de variar el ancho de la microcinta. Esto
representa una ventaja estructural ya que se evitan discontinuidades y los efectos
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Fig. 1. Esquema de una celda DGS.
parásitos asociados que aparecen en otras estructuras como por ejemplo en los
filtros de impedancia escalonada.7
Por otro lado, la celda DMS se basa en un defecto en la línea microcinta que
consiste en grabar una ranura a lo largo de la línea como se muestra en la figura 2.
Esta estructura fue propuesta inicialmente en.3 En la microcinta convencional se
tiene una velocidad de propagación dada por c/√εeff, (la razón entre la constante de
la velocidad de la luz en el vacío y la raíz cuadrada de la permitividad efectiva de
la línea microcinta). El efecto de onda lenta se crea por la inductancia distribuida
a lo largo de la ranura grabada en la línea microcinta. La frecuencia de corte se
determina analíticamente a través de la inductancia y longitud de stub en la ranura.
Debido a sus características particulares, esta celda no se propuso para sustituir
a la estructura de tierra imperfecta sino para complementarla.3
Fig. 2. Esquema de la celda DMS.
Para el análisis de la radiación generada por celdas con defecto DGS y DMS
se consideran condiciones de absorción en el espacio libre que facilita los cálculos
en la simulación electromagnética. En este trabajo se emplea el simulador de
onda completa de estructuras 3D CST,I la cual es una herramienta de solución
numérica de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD, del inglés Finite
Difference Time Domain). Inicialmente, se analiza una microcinta convencional
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con el fin de obtener una referencia de desempeño con respecto a las microcintas
con defecto. En la simulación se encuentra la caja de simulación y las condiciones
en la frontera que evita la aparición de resonancias no deseadas. Posteriormente,
las estructuras DGS y DMS se sintonizan empleando el mismo substrato y las
mismas condiciones de frontera que las empleadas para la microcinta. Los
resultados de simulación se corroboran por mediciones hechas con el analizador
vectorial. Después, se muestra el cálculo de radiación empleando las capacidades
de post procesamiento de CST y se comparan las características en frecuencia
de las celdas utilizando parámetros S (de dispersión) medidos y calculados.
Finalmente, se dan las conclusiones de este trabajo.
LÍNEA MICROCINTA
La figura 3 muestra las variables geométricas de una microcinta convencional.
La estructura se diseñó usando el laminado FR4II el cual es ampliamente usado en
tarjetas de circuito impreso.8 Las características eléctricas del laminado empleado
Fig. 3. Microcinta convencional y sus parámetros geométricos.
así como las dimensiones de la microcinta con impedancia característica de 50
Ohms se listan en la tabla I. Cuando la microcinta se diseña como una línea de
transmisión de baja reflexión, las pérdidas intrínsecas se atribuyen a la disipación
de potencia en los metales, pérdidas en el dieléctrico y en un menor grado a las
pérdidas por radiación.9
TABLA I. Parámetros de la microcinta y substrato FR4.
Parámetro
Valor
W
2.95 mm
H
1.58 mm
L
85.0 mm
permitividad relativa, εr
4.9
conductividad cobre, σ
5.8×107 S/m
espesor del metal, t
34.0 µm
tangente de pérdidas, tan δ
0.025
Las figura 4.a muestra las condiciones de frontera y la figura 4.b muestra
las variables geométricas que definen el dominio de simulación y una selección
cuidadosa de sus parámetros permite mantener acoplamientos electromagnéticos
mínimos con las paredes de la caja de simulación. Las estructuras se excitan a
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través de puertos numéricos que introducen una onda transversal electromagnética
(TEM) en toda el área del puerto. Esto requiere de una pared eléctrica de
resistividad cero como condición en la frontera de los puertos. Las paredes
laterales se configuran para condiciones de absorción.
Fig. 4. Configuración de simulaciones en CST: a) condiciones EM de frontera
(izquierda), b) parámetros de la caja de simulación (derecha).
Cuando se simula dicha microcinta, CST da como advertencia que los
resultados pueden ser inexactos debido a la aparición de configuraciones de campos
electromagnéticos de alto orden. Esto se debe a la característica no homogénea
dieléctrico-aire que presenta, además de los modos de microcinta, configuraciones
de campo con acoplamiento en el espacio libre. Basándose en los resultados de
CST se corrobora que no hay inexactitud en el cálculo de los campos al analizar
el balance de energía que invoca al Teorema de Poynting.10 En la simulación, la
transmisión de potencia depende del acoplamiento de potencia en la estructura y
también de la selección de las dimensiones de la caja de simulación y de los puertos
de entrada-salida, como se muestra en la figura 4.b. La impedancia característica
de la microcinta, Z0, es diferente a la impedancia de los puertos (la cual se
mantiene fija en todo el intervalo de frecuencias) ya que los campos penetran en
el dieléctrico al incrementar la frecuencia dando lugar a cambios en la constante
de propagación. Lo anterior resulta en una línea de transmisión dispersiva y con
reflexiones pequeñas. Así mismo, diferentes fenómenos como la creación de
campos eléctricos no transversales asociados a pérdidas óhmicas, dependencia de
la permitividad del substrato con la frecuencia y la no homogeneidad del sistema
de materiales dan origen al modo de propagación cuasi-TEM.
El acoplamiento de potencia en los puertos de entrada-salida representa en
sí mismo un problema de optimización en el que la selección de variables de
los puertos numéricos y dimensión de la caja de simulación permite reducir el
coeficiente de reflexión de la estructura. En dicha optimización se considera
que la impedancia TEM de la microcinta es igual a la impedancia de los puertos
que se utiliza para normalizar los parámetros S. La optimización se realizó
satisfactoriamente en un intervalo amplio de frecuencias al minimizar el coeficiente
de reflexión en el puerto de entrada calculado a la máxima frecuencia de interés,
ωmax. El coeficiente de reflexión en el puerto de entrada está dado por:
(1)
donde Zin es la impedancia vista por el puerto hacia el interior de la estructura.
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En general, la impedancia de entrada vista desde el puerto tiene la
ecuación:7,10
(2)
donde Ps es la potencia promedio de la fuente (normalizada a 1W en simulaciones).
Ploss corresponde al promedio de potencia debido a las pérdidas asociadas a
la reflexión en el puerto lejano; disipación por efecto óhmico; pérdidas en el
dieléctrico; y radiación. ω es la frecuencia angular, I es el fasor de corriente en el
puerto de entrada y Wm y We es la energía magnética y eléctrica, respectivamente,
en el volumen encerrado por la caja de simulación. El coeficiente de reflexión
definido por la ecuación 1 toma en consideración todos los fenómenos de
propagación que tienen lugar en la guía de onda. La optimización basada
únicamente en la minimización del parámetro |S11| no toma en cuenta la reflexión
en el puerto lejano (por definición) ni las pérdidas introducidas a lo largo de
la línea que son significativas en la variación de la impedancia de entrada con
respecto a la impedancia característica TEM de referencia.
Para una microcinta convencional se puede considerar que la impedancia de
entrada tiene un carácter puramente resistivo ya que la diferencia entre la energía
de los campos eléctricos y la energía de los campos magnéticos es prácticamente
igual a cero. La potencia acoplada al puerto se optimiza al encontrar la combinación
de valores de la caja de simulación de la figura 4.b que minimiza la diferencia
|Zin(ωmax) − Z0|, siendo Z0 la impedancia característica TEM. Una ventaja de este
método reside en que CST puede realizar el cálculo de la impedancia de línea
como una etapa de post procesamiento sin incurrir en un costo computacional
elevado. La tabla II muestra los parámetros encontrados que reducen el efecto
de la caja de simulación en las respuestas de la línea microcinta y también en
las celdas con defecto.
TABLA II. Parámetros de simulacion en CST
Parámetro
Wport
Hport
Htop1
Htop2
Ltotal
Wtotal
Valor
12W
10H
15H
5H
85 mm
85 mm
La figura 5 muestra el vector de densidad de flujo de potencia en la microcinta,
mostrando una reducción pequeña en la transmisión de potencia a lo largo del
eje de propagación, ex. La potencia transmitida por la microcinta está dada por
la integral:9
(3)
donde Et y Ht son los fasores de los campos transversales eléctricos y magnéticos
respectivamente, y dA es el vector del área infinitesimal de la sección transversal
de la línea de transmisión. En coordenadas cartesianas dA=dzdyex. Debido a que
la microcinta es una estructura cuasi-TEM, el vector de flujo presenta dispersión
y esto crea pérdidas por radiación. El cálculo de la pérdida de potencia se calcula
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mediante el vector de Poynting en la frontera con la caja de simulación. La
potencia radiada está dada por:
(4)
donde S es el fasor del flujo de potencia neta que abandona la estructura, ∂V
corresponde a la superficie formada por la paredes laterales definidas por la
condición de absorción y dA es el vector de superficie diferencial del plano con
dirección del vector normal que apunta hacia afuera de la estructura.
La ecuación 4 se implementa como una etapa de post-procesamiento en CST
y se empleará en las siguientes secciones para realizar el cómputo de pérdidas
por radiación.
Fig. 5. Vector de densidad de potencia a lo largo de la microcinta a 3.5 GHz.
RESPUESTAS EN FRECUENCIA
Utilizando simulación EM y un mallado de baja resolución (relativa a la
longitud de onda mínima), se sintonizaron las celdas para resonar a 1.5 GHz. Es
importante mencionar que en este proceso no se consideró optimizar los parámetros
de diseño con una resolución alta, como la que se emplea para el análisis de
radiación que se trata posteriormente, en virtud del alto costo computacional
que implica la sintonización de las variables de diseño. La figura 6 muestra los
prototipos construidos en FR4. Los parámetros obtenidos por simulación para
DGS son α=23.8 mm, b=23.8 mm, y g=0.4 mm; y para DMS son Ws=0.5 mm,
Lm=51.55 mm, y We=0.35 mm (ver figura 1 y figura 2, respectivamente).
Las mediciones se llevaron a cabo con el Analizador Vectorial de Redes
HP 8753 en el intervalo de frecuencias 30 kHz - 3 GHz. La figura 7 muestra el
VNA (por sus siglas en inglés; Vector Network Analyzer);III los dispositivos de
prueba para calibrar el VNA en condiciones de circuito corto, abierto y thru para
un sistema de 50 Ohms; y los cables tipo APC-7 y conectores tipo N empleados.
Las figuras 6 y 7 muestran las bases metálicas empleadas sobre las cuales se
fijan el conector N hembra. En este método de alimentación las “condiciones
de absorción” se encuentran limitadas por las bases metálicas de aluminio que
actúan como paredes laterales de espesor igual a 1 pulgada y que modifican las
condiciones de radiación, principalmente en el defecto de tierra. Esto da lugar a
discrepancias entre las mediciones y resultados experimentales a altas frecuencias
que se muestran a continuación.
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Fig. 6. Prototipos de las celdas DGS y DMS: a) vista del plano de tierra con defecto
(arriba), b) vista de la microcinta con defecto (abajo).
Fig. 7. Medición de las celdas con defecto utilizando el analizador vectorial HP 8753.
Para el diseño de las celdas, se han propuesto circuitos de respuesta Butterworth
de parámetros concentrados para modelar resonancia3 y punto de corte a 3dB6 de
las celdas DMS y DGS, respectivamente. Estos modelos circuitales no permiten
analizar la atenuación a frecuencias altas, en las bandas de rechazo de los filtros,
por lo que se hace indispensable el modelado EM. Las figuras 8 y 9 muestran la
magnitud de los parámetros S utilizando un mallado más fino que el utilizado
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en el proceso de sintonización, dando lugar a variaciones en la frecuencia de
resonancia. Se muestra que ambas estructuras presentan aproximadamente la
misma profundidad de atenuación en resonancia. La celda DGS presenta el punto
de frecuencia de corte de 3 dB, f3dB (= 0.6 GHz) menor que el que presenta la celda
DMS; con f3dB = 1.01GHz. La celda DMS presenta periodicidad en las respuestas,
mostrando un primer cero aproximadamente a 3.2 GHz y un segundo polo a 4.8
GHz. También se muestra que la celda DMS introduce una baja atenuación para
componentes alrededor de 3.2 GHz. Por otro lado, la celda DGS no presenta
periodicidad e introduce una atenuación casi constante a frecuencias mayores de
resonancia. El parámetro |S11| muestra un acoplamiento alto a bajas frecuencias
y periodicidad en la respuesta de la celda DMS.
Fig. 8. Magnitud de parámetros de transmisión.
Fig. 9. Magnitud de parámetros de reflexión.
Los resultados experimentales que se obtuvieron del VNA HP 8753 se
muestran en la figura 10. En la figura 10.a, MARKER 1 se fija a una frecuencia
de resonancia de la celda DGS igual a 1.720 GHz; indicando una atenuación igual
a 25.85 dB. Los resultados de CST muestran una atenuación igual a 28.87 dB,
casi exactamente a la misma frecuencia de resonancia. Por otro lado, la figura
10.b, muestra |S21| con MARKER 1 a 1.600 GHz indicando una atenuación igual
a 29.26 dB, lo cual contrasta muy bien con resultados de CST; una frecuencia
de resonancia igual a 1.580 GHz y atenuación igual a 28.42 dB. Para la celda
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DGS, se encontró una diferencia en |S21| de 5 dB a frecuencias cercanas a 3 GHz.
Se presume que esta diferencia se debe principalmente al efecto de la base de
aluminio empleada para la alimentación y que actúa sobre los campos radiados.
Otras lecturas de los parámetros hechas con el VNA muestran diferencias menores
entre los resultados de simulación y experimentales.
Fig. 10. Parámetros |S21| medidos con el analizador vectorial HP 8753: dgs (arriba),
b) dms (abajo).
Los parámetros S11 medidos (gráficas no mostradas aquí) muestran una alta
correspondencia con los resultados simulados en el intervalo medido (3kHz 3GHz). Se encuentra que a 3 kHz, el parámetro |S11| medido para la celda DGS
es igual a −28.3 dB y para la celda DMS es de −32.5 dB. Esto muestra que el
diseño de las microcintas que alimentan a las celdas y la optimización de campo
acoplado en los puertos de la microcinta fueron realizados correctamente.
PÉRDIDAS POR RADIACIÓN
A continuación se comparan las pérdidas por radiación de tres estructuras:
la microcinta convencional, la celda DGS y la celda DMS. La radiación en
microcintas presenta diferentes mecanismos, no únicamente como la propagación
de ondas en la línea microcinta que se acoplan directamente al espacio libre,
sino también como ondas que se propagan dentro del dieléctrico en zigzag y que
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eventualmente se difractan en la interface del dieléctrico con la pared lateral. La
figura 11 muestra las pérdidas por radiación calculadas por la ecuación 4. Se
observa que las tres estructuras presentan radiación baja a frecuencias menores a
1 GHz. En particular; la microcinta convencional presenta pérdidas por radiación
muy bajas en todo el intervalo de interés y menores que sus pérdidas óhmicas,
como era de esperarse.
La figura 11 muestra que la estructura de microcinta imperfecta tiene un
desempeño muy similar al de la microcinta convencional, en contraste con la
celda de tierra imperfecta en la que la radiación se incrementa considerablemente
a partir de la frecuencia de resonancia. En la celda DGS se acentúa el efecto
de difracción en la interface del dieléctrico; siendo una fuente potencial de
interferencia con otras estructuras planares. Dichas pérdidas afectan la banda de
rechazo y profundidad de atenuación a frecuencias mayores que resonancia. Esto
da lugar a bajas pérdidas por inserción en la banda de rechazo (aproximadamente
igual a 10 dB para frecuencias mayores a 3 GHz, ver figura 8) y una disminución
sostenida de las pérdidas de retorno con la frecuencia (ver figura 9). Las pérdidas
por radiación pueden ser de hasta 40% la potencia del puerto a la máxima
frecuencia de interés.
Fig. 11. Pérdida por radiación normalizada a 1 W.
Es importante resaltar el desempeño de la microcinta imperfecta, que resulta
ser similar al de la microcinta convencional en términos de radiación. Los
acoplamientos de campo cercano alrededor de la ranura con ancho Ws seleccionado
(ver figura 2), siendo éste parámetro mucho menor que la longitud de onda,
reduce la dispersión de campos alrededor de la celda. Se puede corroborar que
la característica de baja radiación es un factor a considerar en la selección de
dicha estructura. Por otro lado, análisis EM muestran que los efectos pelicular
(skin) y de proximidad incrementan considerablemente las pérdidas óhmicas con
la frecuencia, como una característica intrínseca de la celda de microcinta con
defecto. Debido a los altos niveles de potencia acoplados en el espacio que rodea
a la imperfección introducida en el plano de tierra es de fundamental importancia
considerar los efectos de las pérdidas por radiación, las cuales no son analizadas
explícitamente en 3,6.
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CONCLUSIONES
El diseño de filtros basado en microcintas con defecto requiere del análisis
de las pérdidas por radiación como una característica a considerar en la
selección de la celda. Se comprobó experimentalmente y por simulación que
las celdas DMS y DGS se pueden diseñar con gran exactitud para resonar a una
frecuencia predeterminada empleando modelado EM de 3D. Se comprobó que
en el modelado es crucial emplear una densidad en el mallado alta para obtener
una correspondencia aceptable entre resultados teóricos y experimentales. Las
pequeñas discrepancias encontradas en los parámetros S en todo el intervalo
de frecuencia valida el método de simulación desarrollado. Se encuentra
experimentalmente que los efectos de alto orden asociados a las pérdidas
por radiación dependen en gran medida del espacio que rodea a las celdas, lo
cual requiere de un esquema de medición con condiciones de absorción y sin
reflexiones con la estructura de alimentación. Originalmente, la celda DMS se
propuso como una estructura complementaria a la celda DGS en virtud de que
un diseño en cascada de dichas estructuras presentaría una banda de rechazo
más amplia y una mejora en la atenuación. Del análisis EM se encuentra que la
celda DGS puede producir acoplamientos potenciales con componentes planares,
por lo que la complementariedad de las celdas DMS y DGS debe ser evaluada
cuidadosamente considerando fundamentalmente los efectos de radiación.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue realizado como parte del proyecto de investigación financiado
por PRODEP, UANL-PTC-826 con Carta de Aceptación 103.5-15-6797.
REFERENCIAS
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Linear and Nonlinear Techniques, Dallas, TX: John Wiley, 1990.
2. K. Chul-Soo, P. Jun-Seok, D. Ahn, L. Jae-Bong, “A novel 1-D periodic
defected structure for planar circuits.” IEEE Microwave and Guided Wave
Letters, vol. 10, pp. 131-133, abril 2000.
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aplicación de tierras (DGS) y microcintas imperfectas (DMS), Tesis Doctoral,
Sección de Comunicaciones, Cinvestav-IPN, junio 2008, 292 pp.
4. Jorge Aguilar-Torrentera, Zabdiel Brito-Brito, Juan C. Cervantes-González
y Carlos A. López, “EM simulation of a low-pass filter based on microstrip
defected ground structure,” Comsol Conference Boston 2012, Proc., 10-14
octubre, 6 pp.
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circuits,” High Frequency Electronics, pp. 50-54, 2008.
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Microwave Theory Tech., vol. 49, pp. 86-4537, enero 2001.
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IEEE Press, 1992.
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II. Accurate Plastics Inc., Epoxi-Glass™ G10, FR4 sheets.
III. Equipo empleado para enseñanza e investigación que se encuentra en el
Laboratorio de Microondas de FIME-UANL.
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63
�Colaboradores
Aguilar Garib, Juan Antonio
Ingeniero Mecánico y Maestro en Metalurgia por
el Instituto Tecnológico de Saltillo. Doctorado en
Ingeniería de Materiales por la UANL (1991). Es
Profesor Investigador de la FIME-UANL, miembro
del SNI nivel I y de la Academia Mexicana de
Ciencias. Editor de la Revista Ingenierías en la
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica.
Editor en jefe del Journal of Microwave Power and
Electromagnetic Energy.
Aguilar Torrentera, Jorge
Ingeniero en Electrónica por la Universidad
Autónoma Metropolitana, campus Azcapotzalco
(1991). Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica
con opción a Telecomunicaciones por el CinvestavIPN, (1994). Doctor en Ciencias por University
College London, en el área de Telecomunicaciones.
Desde 2014 está adscrito al Departamento de
Posgrado de Ingeniería Electrónica de Facultad de
Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad
Autónoma de Nuevo León.
Alcorta García, Efráin
Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones (1989),
Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (1992)
por la Universidad Autónoma de Nuevo León
(UANL), y graduado de Dr.-Ing. en Ingeniería
Eléctrica de la Universidad Gerhard Mercator de
Duisburg, Alemania, en 1999. Ocupa una posición
de enseñanza e investigación en la UANL. Miembro
del Sistema Nacional de Investigadores, nivel 1.
Cavazos Flores, Raúl Sergio
Ingeniero Mecánico Electricista, realizó su servicio
social, en el programa doctoral de la Facultad de
64
Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad
Autónoma de Nuevo León. Ha desarrollado
proyectos en compañías del ramo automotriz,
refrigeración e iluminación, actualmente trabaja
en el área de ingeniería de planta en la compañía
Productos Lithonia Lighting de México.
Delgado Acosta, Mario Antonio
Profesional Técnico en máquinas de combustión
interna. Ingeniero Mecánico Electricista de la
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la
Universidad Autónoma de Nuevo León.
García Montes, Saida Mayela
Licenciada en Química Industrial (2008), Maestra
en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con
especialidad en Materiales (2011) y Doctorado en
Ingeniería de Materiales (2018) por la Universidad
Autónoma de Nuevo León. Líder de Innovación
en la empresa Multiceras desde Abril del 2017,
encargada de la gestión en materia de protección de
propiedad intelectual; Vinculación con empresas,
IES/CI, proyectos de Innovación.
García Sánchez, Gerardo Arturo
Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones por la
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la
Universidad Autónoma de Nuevo León.
González Cervantes, César
Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones (1990)
y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con
especialidad en Electrónica (1996) por la Facultad
de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL.
Obtuvo el Master en Iniciación a la Investigación
en Comunicaciones por la Universidad Pública de
Navarra, Campus Arrosadia, España (2008).
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�Colaboradores
Goto, Motonobu
Ingeniero Químico (1979), Maestro en Ciencias
(1981) y Doctor en Ingeniería Química (1984) por
la Universidad de Nagoya, Japón. Es profesor del
Departamento de Ingeniería Química, en la Escuela
de Ingeniería de la Universidad de Nagoya, Japón,
desde 2012.
López Castillo, Francisco Eduardo
Ingeniero en Electrónica y Automatización en 2013
y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica
en 2015 por la Facultad de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo
León.
López Cuéllar, Enrique
Ingeniero Mecánico Electricista y Maestro en
Ciencias de la Ingeniería Mecánica por la FIME UANL. Doctorado en el INSA de Lyon en 2002.
Actualmente es Catedrático Investigador en la
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la
UANL. Es nivel 2 en el SNI.
López Guerrero, Francisco Eugenio
Ingeniero Mecánico Electricista e Ingeniero
en Control y Computación por la Facultad de
Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad
Autónoma de Nuevo León. Doctor en Ingeniería
de Materiales de la misma universidad, trabajando
en conjunto con el Departamento de Materiales
y Automatización de la Universidad Técnica de
Hamburgo. Profesor de tiempo completo de la
División de Ingeniería Mecatrónica de la FIME.
Miembro del Cuerpo Académico “Sistemas
Integrados de Manufactura”.
López Walle, Beatriz
Ingeniera Mecánica -opción Mecatrónica- (2003)
por la UNAM. Doctora en Microrobótica (2008)
en la Université de Franche-Comté, en Besançon,
Francia. Catedrático Investigador de la FIMEUANL. Miembro del SNI nivel 1.
Martínez de la Cruz, Azael
Licenciado en Química Industrial por la UANL,
Doctorado en Ciencias Químicas por la Universidad
Complutense de Madrid, actualmente es profesor
investigador de FIME-UANL, es miembro del SNI,
nivel 2.
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
Morales Ibarra, Rodolfo
Profesor - Investigador de la UANL-FIME desde el
2009 y Profesor Asociado en Nagoya University,
Japón desde el 2017. Ingeniero en Materiales por
la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de
la Universidad Autónoma de Nuevo León. (2007).
Maestro en Ciencias con acentuación en Estructuras
y Materiales Aeroespaciales en la Université de
Bordeaux, France - UFR de Physique (2009). Doctor
en Ingeniería de Materiales por la Universidad
Autónoma de Nuevo León codirigido con Kumamoto
University, Japón (2014) sobre reciclaje de materiales
compuestos mediante fluidos supercríticos. Cuenta
con Maestría en Administración de Negocios
con acentuación en Relaciones Industriales por la
UANL-FIME (2011).
Ortiz Méndez, Ubaldo
Egresado de la Facultad de Ciencias FísicoMatemáticas de la UANL, obtuvo su DEA en Ciencias
de Materiales en la Universidad Claude Bernard
de Lyon, Francia y su Doctorado en Ingeniería de
Materiales en el INSA de Lyon, es investigador de
la FIME-UANL, y miembro del SNI.
Puente Córdova, Jesús Gabino
Ingeniero Mecánico Electricista (2010), Maestro en
Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad
en Materiales (2013) y Doctor en Ingeniería de
Materiales en la misma institución (2018) por la
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la
Universidad Autónoma de Nuevo León.
Quitain, Armando T.
Ingeniero Químico (1992) y Maestro en Ciencias
en Ingeniería Química (1996) por la Universidad
De La Salle, Manila, Filipinas. Doctor en Ingeniería
Química por la Universidad de Nagoya, Japón.
Es profesor asistente en la Escuela de Graduados
en Ciencia y Tecnología de la Universidad de
Kumamoto, Japón.
Reyes Melo, Martín Edgar
Ingeniero en Industrias Alimentarias por la Facultad
de Agronomía de la UANL. Maestría en Ciencias
de la Ingeniería Mecánica con especialidad en
Materiales por la FIME-UANL. Doctorado en
Ciencia de Materiales (2004) en la Universidad
Paul Sabatier de Toulouse, Francia. Es catedrático
65
�Colaboradores
investigador en la FIME de la UANL. Es miembro
del SNI nivel I, y desde 2011 miembro de la
Academia Mexicana de Ciencias AMC.
Sánchez Martínez, Daniel
Ingeniero Mecánico Electricista (2003), Maestro en
Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad
en Materiales (2006), Doctorado en Ingeniería de
Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica
y Eléctrica (2010) de la Universidad Autónoma de
Nuevo León. Miembro del SNI nivel 1.
Sasaki, Mitsuru
Ingeniero Químico (1995), Maestro en Ciencias
en Ingeniería Química (1997) y Doctor en
Ingeniería Química (2000) por la Universidad de
66
Tohoku, Sendai, Japón. Fue investigador en el
Genesis Research Institute, Inc., Nagoya, Japón;
investigador asociado en el Departamento de
Química Aplicada y Bioquímica, Universidad de
Kumamoto. Desde 2005 es profesor asociado en la
Escuela de Graduados de Ciencia y Tecnología de
la Universidad de Kumamoto, Japón.
Saucedo Flores, Salvador
Ingeniero Mecánico Electricista de la Universidad
Autónoma de Nuevo León, titulado en 1970. Cursó
la Maestría en Ingeniería Eléctrica con especialidad
en Control Automático en el Centro de Investigación
y Estudios Avanzados de IPN, obteniendo el grado
en 1980. Es Profesor Investigador de la ESIME del
IPN Unidad Zacatenco desde 1972.
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
�Información para colaboradores
Se invita a profesionistas, profesores e investigadores
a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de
divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los
aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes
de investigación.
El envío de artículos a la revista Ingenierías para su
publicación implica el ceder los derechos de autor a la
UANL.
Es requisito que las colaboraciones sean producto del
trabajo directo de los autores estableciendo claramente su
contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro,
didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán
estar redactadas en primera persona.
Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje
de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable.
Los criterios aplicables a la selección de textos serán:
originalidad, rigor científico, precisión de la información, el
interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje.
Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo.
CRITERIOS EDITORIALES
Los autores de artículos de revisión o divulgación
deberán contar con una producción directa reconocida en la
temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer
una panorámica del campo temático, separar las dimensiones
del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una
conclusión que derive del material presentado.
No se aceptan reportes que muestren solamente
mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de
las mediciones acompañados de su análisis detallado, un
desarrollo metodológico original, una manipulación nueva
de la materia o ser de gran impacto y novedad social.
Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean
validados científicamente dentro del propio trabajo. No
se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión
o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen
mediciones y se efectúe un análisis de correlación
para su validación. No se aceptan protocolos de
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
investigación, proyectos, propuestas o trabajos de
carácter especulativo.
Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse
al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos.
LINEAMIENTOS EDITORIALES
Es requisito enviar para su consideración editorial:
artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor
con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico
.doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección:
revistaingenierias@uanl.mx
El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres.
El número máximo de autores por artículo es cinco. La
extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas
tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía
Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo.
Los artículos deben incluir un resumen tanto en
español como en inglés, de no más de 100 palabras, así
como un máximo de 5 palabras clave tanto en español
como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en
el orden citado en el texto.
Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los
siguientes datos: Autores o editores, título del artículo,
nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial,
año de publicación, volumen y número de páginas.
Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por
página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm
en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar
incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos
individuales en formato .tif, .eps o .jpg
CONTACTO
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
de la Universidad Autónoma de Nuevo León,
Edificio 7, 1er. piso, ala norte.
Tel.: 8329-4000 Ext. 5854
Fax: 8332-0904
E-mail: revistaingenierias@uanl.mx
67
�Código de ética
Autores
Los autores deben presentar una narración concisa y
exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión
objetiva de su significado intelectual y científico.
Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos
manuscritos que se encuentren en consideración por otras
publicaciones.
Los autores deben incluir en su manuscrito detalles
suficientes y referencias a fuentes de información
públicas para hacer posible la reproducción del trabajo
por terceros.
Los autores deben abstenerse de presentar críticas
personales en sus trabajos.
Los autores deben citar aquellas publicaciones que son
antecedentes esenciales para comprender el trabajo.
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que hayan obtenido mediante comunicación privada que
no se localice en publicaciones.
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que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso
explícito correspondiente.
Los autores deben abstenerse de incluir información
obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales
como documentación para concursos o solicitudes de
becas.
Los autores deben abstenerse de citar publicaciones
que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente
con la materia.
Los autores deben reconocer mediante una nota de
agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos
que hayan contribuido significativamente al desarrollo del
trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido
de manera importante, pero sin que hayan llegado a
cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera.
Los autores deben reconocer mediante una nota de
agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos
que hayan contribuido de manera importante, pero sin
que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los
hubiera, señalando la fecha de su muerte.
Los autores deben abstenerse de utilizar nombres
ficticios o seudónimos.
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presentan en su manuscrito.
Revisores
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evaluar un manuscrito si no se consideran calificados,
carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún
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estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar.
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conflicto de intereses que detecten.
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para revisión como un documento confidencial.
Los revisores deben abstenerse de expresar críticas
personales.
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a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el
cual consiste en la contribución significativa al desarrollo
y preparación del trabajo.
Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de
manera suficiente para que el editor, los miembros de
cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento
de las observaciones.
Los autores deben incluir a los coautores fallecidos
que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la
fecha de su muerte.
Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir
información, argumentos o interpretaciones no publicadas
contenidas en un manuscrito bajo consideración,
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Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
�Código de ética
excepto con el consentimiento expreso de los autores
posteriormente al proceso de evaluación.
Los revisores deben considerar en su revisión posibles
errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante
de otros.
Los revisores deben informar al editor si encontraran
alguna semejanza substancial entre el manuscrito y
cualquier otro trabajo.
Los revisores no deberán intentar contactar a los
autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a
haber emitido su fallo.
Editor
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a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación,
juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos,
sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen
étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor.
El editor debe considerar un manuscrito enviado para
revisión como un documento confidencial.
El editor debe abstenerse de expresar crítica
personal.
El editor debe explicar y apoyar su juicio final
para que los autores comprendan el fundamento de las
observaciones.
El editor debe abstenerse de utilizar la información
no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados
en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con
el permiso del autor.
El editor deben abstenerse de desplegar información
sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a
ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite
consejo profesional.
El editor debe respetar la independencia intelectual
de los autores.
El editor debe procesar los manuscritos con
diligencia.
El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad
para aceptar o rechazar un artículo enviado para su
publicación.
Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
El editor debe delegar en los miembros del consejo
editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o
rechazar un artículo enviado para su publicación en casos
en que se presente conflicto de interés con el editor.
El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad
editorial a alguno de los miembros de los consejos
editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito
que se somete a consideración de la revista.
Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y
Comité Técnico)
Los miembros del cuerpo editorial deberán estar
dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones
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Los miembros del cuerpo editorial deben declinar
cualquier invitación para brindar consejo si se les
presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse
vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a
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Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al
editor cualquier conflicto de intereses que detecten.
Los miembros del cuerpo editorial deben considerar
un manuscrito enviado para revisión como un documento
confidencial.
Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse
de expresar críticas personales.
Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y
apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor,
los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan
el fundamento de las observaciones.
Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse
de utilizar la información no publicada, argumentos o
interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido,
excepto cuando se cuente con el permiso del autor.
Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse
de desplegar información sobre un manuscrito en proceso
de revisión o publicación a cualquier persona fuera de
aquellos que se les solicite consejo profesional.
Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar
la independencia intelectual de los autores.
69
�Ingenierías, Abril-Junio 2018, Vol. XXI, No. 79
�Televisión a color
El Ing. Guillermo González Camarena obtuvo en 1940 la patente mexicana MX-40235 para su invento
denominado “Adaptador cromoscópico para aparatos de televisión” y en 1942 la Oficina de Patentes y Marcas
de Estados Unidos le otorgó la patente 2.296.019 por esa misma invención.
Página en la que se muestra uno de los esquemas de la invención del adaptador cromoscópico para aparatos
de televisión, publicado por la Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos en 1942.
��
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Title
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Ingenierías
Description
An account of the resource
Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería.
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Título Uniforme
Ingenierías
Año de publicación
El año cuando se publico
2018
Año
Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación.
21
Número
Número de la revista
79
Mes de publicación
Mes cuando se publicó
Abril-Junio
Día
Día del mes de la publicación
1
Periodicidad
La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual)
Trimestral
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A name given to the resource
Ingenierías, 2018, Año 21, No 79, Abril-Junio
Creator
An entity primarily responsible for making the resource
González Treviño, José Antonio, Director
Subject
The topic of the resource
Ciencia
Tecnología
Ingeniería
Investigación
Publicaciones periódicas
Description
An account of the resource
Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería.
Publisher
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Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Contributor
An entity responsible for making contributions to the resource
Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor
Ocañas Galván, Cyntia, Redacción
Date
A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource
01/04/2018
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
2020941
Source
A related resource from which the described resource is derived
Fondo Universitario
Language
A language of the resource
spa
Relation
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Coverage
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