Microestructura y resistencia a la oxidación de materiales porosos basados en fibras cerámicas consolidados mediante técnicas cvd y sol-gel

Resumen

En la presente Tesis Doctoral se ha estudiado la microestructura y la resistencia a la oxidación de laminados porosos obtenidos a partir de fibras cerámicas con aplicación en sistemas de combustión. Estos materiales están formados por fibras tipo Tyranno recubiertas mediante tecnología CVD con una capa de carbón pirolítico (PyC) y otra de carburo de silicio (SiC). Además, se generan uniones entre las fibras que dotan al composite de suficiente rigidez para soportar las condiciones de combustión, con una porosidad del 95% en volumen muy adecuada para incrementar la potencia de estos dispositivos. Dado que en aplicación estos materiales trabajan a temperaturas entre los 750ºC (modo llama azul) y 1100ºC (modo radiante), se han estudiado los fenómenos de oxidación que se producen a estas temperaturas en función en función del tipo de fibra empleada (Tyranno LoxM o ZM) y de los espesores de PyC y SiC depositados, realizándose dos tipos de ensayos en flujo de aire: - en horno: se han evaluado las variaciones de masa sufridas por el material y se ha medido el espesor de las capas de oxido formadas - termogravimetría: se ha estudiado en detalle el proceso de quemado de la capa de PyC y el inicio de la oxidación tanto de la fibra como del recubrimiento de SiC Mediante diversos modelos de oxidación se ha estudiado la cinética de oxidación tanto del material en su conjunto como de cada una de las superficies expuestas a la atmósfera oxidante. Se ha comprobado que en el modo llama azul (T~750ºC) la oxidación progresa únicamente hacia el interior de la fibra mientras que en modo radiante (T>900ºC), la oxidación progresa en todas las superficies: superficie de la fibra y superficies interior y exterior del SiC. Cabe destacar que la cinética de oxidación de la superficie exterior del recubrimiento SiC es más rápida que la de la cara interior y crece con el espesor de SiC. Esto se debe a que la dirección preferente de crecimiento de los cristales ß-SiC <111>, es también en la que la oxidación progresa con mayor rapidez. Alternativamente, se ha desarrollado una ruta de consolidación basada en el uso de formulaciones sol-gel basadas en TEOS evitando el uso de gases inflamables y corrosivos como el MTS empleado en la ruta CVD. Mediante esta técnica se obtiene un recubrimiento (óxido de silicio) que recubre completamente las fibras Tyranno generando también uniones entre ellas. En estos ensayos se ha partido de una formulación de TEOS, agua y etanol típica para el depósito de sílice sobre materiales densos y se ha adaptado a las características especiales de las preformas porosas. Se ha investigado el efecto de la concentración de TEOS, de los parámetros de impregnación y de los de secado y sinterización. Los principales inconvenientes de esta ruta han sido la presencia de exceso de depósito entre las fibras y la heterogeneidad en su distribución en toda la superficie del material. Para solucionar estos problemas se han investigado diversos métodos de escurrido, arrastre con fluidos inmiscibles y centrifugado, comprobándose que los dos últimos reducen sustancialmente la presencia de depósitos que taponan los espacios entre fibras. Finalmente, se han diseñado un conjunto de experimentos para evaluar el comportamiento de estos materiales en aplicaciones de combustión: permeabilidad de las estructuras al paso del gas, integridad mecánica de las uniones entre fibras y ensayos de combustión con diversas aireaciones y potencias. Tanto los materiales obtenidos mediante CVD como los de la ruta sol-gel presentan buenas propiedades frente a la combustión de metano para diversos rangos de aireación y potencia. Por último, cabe destacar que los resultados obtenidos en la presente Tesis han sido empleados a escala industrial para comprender el deterioro que experimentan estos quemadores en diversos tipos de calderas. Adicionalmente, la tecnología tipo sol-gel está siendo considerada para su implantación a escala industrial.