NICANOR PRENDES RUBIERA CEDEX-MINISTERIO DE FOMENTO, ESPAÑA

La respuesta al comportamiento de los materiales -de construcción- debe buscarse en la microestructura, entendiendo por tal la distribución, forma, estado y disposición de los elementos -o fases- constituyentes, además de la naturaleza de su composición química, cristalográfica, y el estado mecánico -o tensional- (deformaciones, resiliencias y fisuras) de cada una de ellas.

De lo anterior se colige la necesidad, por una parte, de "acceder" a dicha "microestructura" y, por otra, de establecer una serie de parámetros, específicos, con la finalidad de extraer variables que expliquen los fenómenos que, o bien se desarrollan en los materiales, o puedan hacerlo potencialmente.

Este exordio lleva implícito, lógicamente, el uso de técnicas microscópicas, capaces de "penetrar" en la microestructura y proporcionar imágenes que, a su vez, configuran la base para los análisis estereológicos y de cuantificación que conforman las variables y definen los parámetros a establecer.

Como dificultad añadida es preciso remarcar que, a esta micro y nanoescala, además, las propiedades espaciales y de comportamiento no están sujetas a las mismas leyes gravitaciones, por ejemplo, de nuestro "entorno" en las que su influencia no se da, siendo más importantes las fuerzas interatómicas, de compensación iónica o simetría cristalográfica, lo que complica -más aun si cabe- la interpretación de los datos.

La "transformación" de imágenes en parámetros (cuantificación) se hace a partir del uso de las Técnicas de Proceso Digital de Imágenes, basadas en la conversión de aquella (la imagen) en una matriz numérica en la que a cada pixel (o unidad de información) se le asocia un valor, o nivel de gris, que define una propiedad lumínica que, a su vez, depende de una característica específica -espacial- del elemento identificativo.

Concatenando las propiedades de cada fase, la respuesta que dan para cada técnica (incluso no de imágenes), el espectro analítico de los diferentes sensores (EDX- WDX, etc.,), puede elaborarse una cartografía temática de propiedades que justifique, por sí misma, las relaciones causa/efectos en los materiales de construcción.

Seminarios Internacionales de Fronteras de la Ciencia de Materiales Aula de Seminarios Departamento de Ciencia de Materiales E. T. S. de Ingenieros de Caminos, UPM C/ Profesor Aranguren s.n. 28040 Madrid

Para más información contactar con: Dr. José Ygnacio Pastor (+34) 913 366 684. [email protected].

Vídeo Realizado por el Gabinete de Tele-Educación de la Universidad Politécnica de Madrid, grabado por el departamento ciencia de los materiales.

XUN MENG OCEAN UNIVERSITY OF CHINA, QINGDAO (CHINA)

Composite materials are widely becoming the choices for many structural applications especially in navigation fields and offshore oil and gas industry, driven by lightweight and corrosion resistance compared to traditional metal. Until recently, interest has focused on the use of composites in structures for offshore wind turbines (OWT). The prospect of deep-water exploration and multi-MW turbine's application is generating a new impetus for high performance material. Engineers aim at using material with a maximum of efficiency, that is to increase the bearing capability and if possible saving weights and cost simultaneously.

MALECON is a patented hybrid material of ETS Ingenieros Navales (UPM), which stands for 'Material Laminado Estructural para Construcción Naval'. It is a new fiber-metal hybrid material developed specifically for marine industry applications.

We present the current development of OWT exploration by focusing on the supporting structures. Physical properties and detailed configuration of MALECON are given here. We have also calculated various models as benchmarking examples with MALECON using specific software for the analysis and design of composite laminated structures. Several improved parameters are put forward in order to evaluate the performance of this new material for structural use. Results show that within certain limits and with optimal configuration, MALECON is efficient both from the point of mechanical performance and cost competitiveness compared to metal. Additionally, global models of the tower are simulated using the finite element method with the purpose of analyzing the response of the hybrid material against various combined loads, which might be endured during the service life of the structure.

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Teresa Campo Perfecto

Universidad Autónoma de Madrid, España

La fabricación a gran escala de estructuras de SWCNT´s, con estructura y forma predeterminadas, tiene como objetivo la síntesis de dispositivos de esas dimensiones nanométricas. En particular los nanotubos de carbono verticalmente alineados han sido estudiados como posibles candidatos como emisores de campo. Sin embargo, no está muy claro como emplear estos novedosos dispositivos debido a la falta de estrategias ante el crecimiento a gran escala y en posiciones concretas de SWCNT´s.

En este trabajo se han sintetizado SWCNT´s de alta pureza empleando ACCVD (alcohol catalytic chemical vapour deposition) sobre sustratos de Si y cuarzo parcialmente cubiertos por una fina capa de TiN. Este material ha sido depositado empleando Ion-Beam Sputtering, utilizando un blanco de TiN y un cañón de Ar- N2. Posteriormente, se han depositado por inmersión sobre los sustratos, los catalizadores de acetatos de Co y Mo disueltos en etanol.

Como resultado, se ha demostrado que las áreas de TiN previenen el crecimiento de SWCNT´s, siendo este responsable de la acumulación de catalizador en los límites de TiN/Si. De esta manera se han obtenido SWCNT´s verticalmente orientados. Puesto que el crecimiento se restringe a una pequeña superficie, las paredes de los SWCNT´s interactúan entre ellas mediante fuerzas de Van der Waals. Estos extraordinarios resultados son completamente reproducibles empleando diferentes máscaras (milimétricas y micrométricas) para obtener deposiciones parciales de TiN sobre los sustratos. También se han realizados nanolitografías para obtener dimensiones menores de patrones de TiN/Si, consiguiendo resultados satisfactorios a escala nanométrica.

La caracterización de estos SWCNT´s fue llevada a cabo por FESEM, TEM y espectroscopía Raman, revelando la formación de SWCNT´s de muy alta pureza en las áreas deseadas de Si no cubiertas por TiN. Este procedimiento representa un método simple y original para la síntesis controlada de SWCNT´s sobre diferentes sustratos, y demuestra la posibilidad de fabricar SWCNT´s en una amplia variedad de estructuras y dimensiones.

Mónica Carboneras

Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas - CSIC, España

Entre los materiales metálicos, el magnesio es considerado actualmente un potencial candidato como biomaterial para aplicaciones temporales, siendo incluso teóricamente más idóneo que los materiales de uso convencional (aceros inoxidables, Ti y sus aleaciones, aleaciones Co-Cr).

Entre las excelentes propiedades del magnesio cabe destacar su baja densidad y módulo elástico cercano al del hueso, así como el hecho de que los iones provenientes de su degradación son solubles en el medio fisiológico, no son tóxicos y su exceso puede ser fácilmente excretado en la orina. Como contrapartida, el magnesio presenta una cinética de biodegradación demasiado rápida que puede conducir a la pérdida de propiedades del implante por su reabsorción en el organismo antes de que el tejido dañado se haya reparado.

En este contexto, las investigaciones llevadas a cabo por el grupo de Degradación y Durabilidad de Biomateriales Metálicos del CENIM (CSIC) están abordando dicha problemática mediante la aplicación de diversas estrategias que persiguen como objetivo la ralentización y control de la biodegradación del magnesio.

Las líneas de trabajo desarrolladas contemplan el estudio del material desde diferentes perspectivas, tales como la selección del método de procesado, la adición de elementos aleantes o la realización de modificaciones superficiales, evaluando su efecto en el comportamiento del material tanto en condiciones in vitro como in vivo.

Sara Serena Palomares

Instituto de Cerámica y Vidrio - CSIC, España

Las características fisicoquímicas y microestructurales de las fases, incluida la porosidad, que constituyen un material son responsables de sus propiedades y decisivas en la respuesta del material en su entorno de trabajo. Identificar y conocer la combinación de fases estables y las que se pueden desarrollar en un conjunto de condiciones externas determinado es, en definitiva, una cuestión central en el desarrollo y la aplicación de nuevos materiales. La termodinámica aplicada a la ciencia de los materiales nos permite realizar estudios previos de simulación de ambas situaciones.

La respuesta a la cuestión sobre las fases presentes y su estabilidad, ha estimulado el desarrollo de métodos de estudio cuyas raíces se encuentran en la termodinámica clásica y la termodinámica química, como son las técnicas CALPHAD (Calculation of Phase Diagrams). Mediante ellas se trata de combinar los diagramas de equilibrio fases y la termoquímica del sistema para obtener una descripción termodinámica que sea consistente con los datos experimentales existentes. Para ello, han de ser establecidas las funciones de energía libre de Gibbs de las distintas fases del sistema, descritas mediante un modelo teórico apropiado.

El desarrollo de modelos termodinámicos y bases de datos generales y consistentes son dos puntos clave en las metodologías actuales, y ampliamente utilizadas en las herramientas termodinámicas disponibles. La gran ventaja de estos métodos es que permiten predecir de forma bastante fiable el comportamiento de las fases de sistemas multicomponentes altamente complejos, basándose en la extrapolación de sus sistemas de orden inferior.

En la actualidad el desarrollo de programas informáticos específicos para este tipo de cálculo, unido al uso universal de ordenadores personales cada vez más potentes, hace posible considerar a los métodos de cálculo termodinámico como verdaderas herramientas de simulación termodinámicas para entender no solo la estabilidad de fases en el material sino su evolución en diversas condiciones.

A lo largo de la exposición, se describirán y comentarán las bases de los métodos CALPHAD, haciendo especial énfasis en los modelos termodinámicos más extendidos, con ejemplos en sistemas multicomponente basados en circona, alúmina o sílice o sistemas basados en fosfatos como CaO-P2O5 o ZnO-P2O5. Así mismo, se expondrá una revisión de las bases de datos termodinámicas y programas de cálculo existentes en el mercado. Finalmente, se mostrarán algunos ejemplos de aplicación de la técnica tanto en la síntesis o formulación de materiales como en simulaciones de procesos de reacción en materiales de circona, disolución-hidratación de biomateriales, procesos de oxido-reducción y corrosión de refractarios, entre otros.

Jesús Ruiz

Departamento de Ciencia de Materiales, UPM

Las tensiones residuales son aquéllas que permanecen en el interior del material en ausencia de cargas externas. Su origen está en los tratamientos mecánicos y térmicos empleados en los procesos de fabricación o en las cargas aplicadas cuando la pieza o componente se encuentran en servicio. Dichas tensiones pueden provocar cambios dimensionales y distorsiones en las piezas fabricadas que las hagan inservibles para su aplicación. Si las tensiones residuales son grandes, pueden producirse grietas en el componente que aceleran su rotura. Sin embargo, sus efectos no siempre son negativos. Se pueden aplicar tratamientos para "diseñar" un estado de tensiones residuales que mejore ciertos aspectos del comportamiento mecánico del material, como es el caso del "shot peening" o el "laser shock processing".

En el caso de piezas y componentes de gran responsabilidad (industrias energéticas, nucleares, aeronáutica, astronáutica,…), o en el caso de grandes series de piezas (industria automovilística, engranajes, cigüeñales,…) donde la sustitución de un componente defectuoso puede costar mucho dinero, es preciso caracterizar con precisión las tensiones residuales. La medida de tensiones residuales es por tanto de interés para la industria de fabricación de piezas y componentes críticos en automoción, transporte en general, aeronáutica, industria naval, generación de energía y otras.

Las técnicas de medida de tensiones residuales pueden clasificarse en dos tipos: destructivas y no-destructivas. De éstas últimas, las técnicas de difracción (rayos-X, neutrones y radiación sincrotrón) son las más aceptadas. En la presente charla se expondrán las distintas técnicas de difracción disponibles para la medida de tensiones residuales en materiales estructurales. Se discutirán las ventajas e inconvenientes de cada una y se mostrarán los resultados experimentales obtenidos

Claudio Aroca

Departamento de Física Aplicada. UPM, España

The possibility of tailoring the properties of a magnetic material to obtain the best performance in a given application has been traditionally an unreachable dream. Until recently the main research effort was dedicated to obtain specific materials for a wide range of applications i.e. soft magnetic materials, hard magnetic material, recording media, etc.. These materials were used in different devices with small modifications because their magnetic behavior was implicit to its composition or crystalline structure

Amorphous and nano crystalline materials were a very important change because they were like an unwritten book and its anisotropy and its soft or hard magnetic behavior was easily controlled by using different thermal treatments.

Nowadays the magnetic material seems more like an additional component of an integrated device. It is just an additional process, similar to the inclusion of a conductive path or the inclusion of transistors…Actually the magnetic anisotropy is almost perfectly controlled and the use of high vacuum and clean room techniques allows the growing of multilayer materials with excellent interfaces and the exchange interaction is a new element of design.

In the talk we will make a revision of the different techniques to perform the magnetic materials tailoring and its application to some devices or to solve some technical problems.

Emilio López López

Instituto de Cerámica y Vidrio - CSIC, España

El titanato de circonio presenta anisotropía cristalográfica en el coeficiente de expansión térmica, por lo que tiene un alto potencial como componente de materiales con bajo coeficiente de expansión, los cuales tienen aplicaciones en el ámbito de la cerámica estructural por su resistencia al choque térmico. La fabricación de materiales estructurales requiere de métodos de síntesis y conformado capaces de obtener piezas masivas.

La sinterización reactiva de compactos en verde obtenidos por colaje de suspensiones acuosas concentradas, es un método adecuado para obtener piezas masivas. Los compuestos y fases presentes en los materiales de titanato de circonio dependen de la composición de partida, la temperatura y el tiempo de sinterización, y de la velocidad de enfriamiento. Así, el titanato de circonio se puede obtener en su fase de alta (ZrTiO4) o baja (Zr5Ti7O24) temperatura.

En este trabajo se aborda la síntesis de materiales de titanato de circonio por sinterización reactiva de compactos en verde obtenidos a partir de suspensiones acuosas concentradas de circona y titania, para su posible aplicación como componente de materiales resistentes al choque térmico.

Se ha realizado la caracterización microestructural y termomecánica de los materiales fabricados mediante difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido de emisión de campo con análisis de dispersión de energías, microespectroscopía Raman, dilatometría diferencial, ensayos de flexión en tres y cuatro puntos, indentación instrumentada, técnicas de excitación por impacto y ensayos de fractura controlada mediante un sistema CMOD. Finalmente se ha evaluado su resistencia al choque térmico a partir de los factores de mérito de la teoría unificada de Hasselman.

Santiago Cuesta López Institute of Nuclear Fusion.UPM-Ecole Normale Superieure de Lyon, Francia

Common Bio-Nanotechnological designs for specialized applications can be highly benefited from particular biophysical assays dealing with molecular interactions. Indeed, providing a basic knowledge of the interactions involved in nanostructural assembly is a key aspect in the improvement of any design.

We would like to present different methodologies used successfully in the physics of DNA/RNA assembly for biotechnological applications:

A molecular probe for nano-scale short RNA and DNA fragments using high intensity UV laser pulses and the chemistry of the guanine radical has been developed. This technique is able to report structural information, dynamics and intra-base conformation within a nucleic acid molecule. It has shown to be a valuable tool in the study of "puzzle" pieces of gene regulation and in the synthesis of specific gene silencing oligomers to be delivered by organic nanoparticle approaches.

Complementarily we will focus in the discussion of several nano-calorimetry studies about DNA/RNA based hairpin nano-structures and their particular assemblies as bio-cellular sensors and drug delivery agents. We present thermodynamical results on hairpin and loop structures, with drug binding and release analysis.

In addition, full atom molecular modeling of basic hairpin structures has been also used as a valuable source of information for practical design.

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