Analysis and development of an aqueous tape casting ceramic process

Análisis y desarrollo de un proceso cerámico acuoso de colada en cinta

En este trabajo se empleó el proceso a escala laboratorio desarrollado por Navarro (ver bibliografía del documento) para la producción de cerámica piroeléctrica como caso de estudio para diseñar una metodología de alto nivel para el escalado de los procesos cerámicos.

Se adoptó un enfoque doble como base para esta metodología. Se usó un enfoque “centrado en el proceso” que consideraba la secuencia de las operaciones de proceso, su factibilidad a gran escala y los problemas potenciales previsibles para un escalado. Por otra parte, un enfoque “centrado en el producto” analizó la calidad del producto con respecto a los requerimientos (especificaciones) del cliente; también incluía el análisis del potencial del proceso para llevarlo a cabo dentro de un intervalo de tolerancia esencial. Se buscó lograr este objetivo a través del uso de una técnica estadística, el control de procesos estadístico.

Con el enfoque “centrado en el producto”, se compararon las características mecánicas y eléctricas de las láminas obtenidas en el proceso a escala laboratorio con los requerimientos industriales. Las láminas cerámicas mostraron características satisfactorias, excepto por su resistencia.

Se investigaron los parámetros de proceso para optimizar la microestructura cerámica sinterizada y para entender su influencia relativa sobre el logro de características adecuadas que permitan la manipulación y la maquinación. Se estudiaron la densidad y el tamaño de grano como funciones de la densidad “verde” y la temperatura de cocción. El incremento de la densidad “verde” desde el valor original de 37% a aproximadamente 65% de la densidad teórica –por medio de prensado caliente– permitió a las láminas alcanzar una microestructura más homogénea y densidad de sinterizado cerca de 97% de la teórica. Gracias a los incrementos en la densidad “verde”, se pudo reducir la temperatura de sinterización (en 100ºC) y el tiempo total de sinterización (en 190 minutos)

Conformado de estructuras denso/porosas por colado de suspensiones acuosas con agarosa para aplicaciones en celdas SOFC

Conformation of dense/porous structures by straining aqueous suspensions with agarose for application in SOFC cell

Las investigaciones sobre pilas de combustible se han centrado en el desarrollo de los electrolitos, electrodos y en el estudio de las reacciones y mecanismos que permitan la obtención de energía de forma más eficiente. En el caso de las pilas de óxido sólido (SOFC), su estructura está conformada por una región porosa y una región densa en una configuración tipo “sandwich”, en la cual el núcleo denso está confinado entre dos superficies porosas.

Estas pilas se conforman por varios métodos, como el tape casting/screen printing o tape calendering, que no son totalmente efectivos puesto que la eficiencia del dispositivo disminuye en el tiempo por incremento de la resistencia óhmica en el plano de la interfase electrolito/electrodos, o son muy costosos. Una posible solución a este problema sería la eliminación de dicha interfase. Esto es posible aplicando un proceso como el colado o inyección de suspensiones coloidales en molde metálico a bajas temperaturas.

En consecuencia, en este trabajo se plantea la aplicación de esta metodología, en suspensiones acuosas de alúmina aditivadas con agarosa para obtener cuerpos denso/porosos sin interfase, empleando diversas técnicas para generar porosidad. Se logró una región porosa, con poros de diámetro inferior a 100 mm, y una región densa con un porcentaje de densificación cercano a 98%, sin interfase entre ellas.