diseño y análisis microestructural y electroquímico de aleaciones de AlCoMn para aplicaciones en generación de energía

JOSE GUADALUPE PEREYRA HERNANDEZ

. RESUMEN Una serie de aleaciones de Aluminio (Al), Cobalto (Co) y Manganeso (Mn) fueron diseñadas y fabricadas, con la finalidad de usarse como el electrodo ánodo en un arreglo electroquímico, para generar energía eléctrica. La aplicación de estas aleaciones, son como electrodo ánodo en pilas galvánicas primarias, una alternativa a las actuales pilas comerciales, pero hechas con materiales menos nocivos para el medio ambiente, ya que generalmente, las pilas de desecho pueden causar grandes daños, principalmente contaminando el agua de consumo humano y animal. Las aleaciones fueron diseñadas con diferentes pesos atómicos, y fabricadas por técnica de inducción electromagnética, en un horno especial con sistema de alto vacío, ubicado en el Laboratorio de Fundición del CIICAp. Los diferentes porcentajes atómicos (at%) de los elementos Alx – Mny – Coz, variaron de acuerdo a x = 40–70, y = 5–30, z = 10–35. Las aleaciones fueron divididas en tres grupos, uno de ellos quedó en las condiciones iniciales de fabricación, y a los otros, se les aplicó un tratamiento térmico de recocido a 600 °C y a 1100 °C por 3 h y 1 h respectivamente. Debido al at% de las aleaciones, se obtuvieron distintas características micro-esctructurales, las cuales van de acuerdo, como ya se mencionó, tanto a las condiciones de fabricación como a los tratamientos térmicos aplicados posteriormente, y se realizaron los estudios consecuentes para relacionar dichas características con las propiedades eléctricas y electroquímicas. De igual forma, se estudiaron las propiedades mecánicas de las aleaciones, con la finalidad de evaluar su comportamiento mecánico y su resistencia, en diferentes condiciones. Dentro de los estudios mecánicos, se incluyen la microdureza Vickers, una técnica que, en muchos ámbitos de la industria de los metales, es indispensable llevarse a cabo, para evaluar la dureza del material en cuestión. También, durante en el proceso de análisis de los resultados de la micro-dureza, se observó que se habían generado una serie de fracturas, producto de las marcas piramidales de las indentaciones, lo cual, sirvió para realizar pruebas de estrés crítico y poder así determinar la resistencia de estas aleaciones al quiebre por efectos mecánicos. Teniendo en mente los objetivos de este proyecto, se llevaron a cabo análisis eléctricos de Resistencia y Resistividad en las aleaciones, para tener un mejor panorama de su comportamiento, para conducir la electricidad a través de ellas, cuyos resultados fueron mejores en las aleacionesde mayor contenido de at% de Al. También, se crearon unos prototipos, con las aleaciones como ánodo, grafito comercial como cátodo y como electrolito una solución en gel de KOH al 3M, para así poder evaluar la generación de energía eléctrica de las aleaciones, los resultados a pesar de no ser prometedores, son importantes para demostrar que es posible la generación de electrones de estas aleaciones, y en su paso a través del electrolito, pudiera conectarse una resistencia como un LED para iluminarlo. La importancia del estudio de los procesos y mecanismos a través de los cuales se desarrolla la corrosión, impulsa el estudio de técnicas electroquímicas como la polarización, impedancia y corrosión química por inmersión, los cuales se llevaron a cabo en las aleaciones. La importancia de los estudios de polarización radica en que permiten obtener información para estimar la intensidad de corrosión Icorr de nuestras aleaciones, pues de otra manera no sería posible, debido a que, en la equivalencia entre las semirreacciones de reducción y oxidación, en un potencial mixto, éstas se anulan. En la misma sinergia, es importante evaluar el comportamiento de los metales que están en continua inmersión en medios agresivos, como es el caso de las pilas galvánicas, esto se logra sumergiendo el material en condiciones similares, y después de cierto tiempo se puede estimar la resistencia que presenta a la corrosión, por pérdida de peso, con referencia al valor de peso inicial. Estos estudios fueron de gran importancia para los objetivos planteados, pues entre las características que se buscan para que un material sea un excelente ánodo, son mínima auto-corrosión, máximo potencial a circuito abierto y mínima polarización anódica

ABSTRACT A series of alloys of Aluminum (Al), Cobalt (Co) and Manganese (Mn) were designed and manufactured, in order to be used as the anode electrode in an electrochemical arrangement, to generate electrical energy. The application of these alloys, is as an anode electrode in primary galvanic batteries, an alternative to current commercial batteries, but made with materials that are less harmful to the environment, since generally, waste batteries can cause great damage, mainly polluting water for human and animal consumption. The alloys were designed with different atomic weights percents (at%), and manufactured by electromagnetic induction technique, in a special furnace with a high vacuum system, at the Laboratorio de Fundición del CIICAp. The different at% of the Alx - Mny - Coz elements, varied according to x = 40–70, y = 5–30, z = 10–35. Alloys were divided into three groups, one of them was left in the initial conditions, and the others were annealed at 600 ° C and at 1100 ° C, for 3 h and 1 h respectively. Due to the at% of the alloys, different micro-structural characteristics were obtained, which are in accordance, as already it said, both the manufacturing conditions and the heat treatments applied later, and the consequent studies were carried out to relate these characteristics with electrical and electrochemical properties. Similarly, the mechanical properties of the alloys were studied, in order to evaluate their mechanical behavior and resistance, under different conditions. Within the mechanical studies, the Vickers micro-hardness is included, a technique that, in many areas of the metal industry, is essential to carry out, to evaluate the hardness of the material in question. Also, during the process of analyzing the results of microhardness, it was observed that a series of fractures had been generated, as a result of the pyramidal marks of the indentations, which helped to perform a critical stress test and thus be able to determine the resistance of these alloys to breaking due to mechanical effects. Keeping in mind the objectives of this project, electrical Resistance and Resistivity analyzes were carried out in the alloys, to have a better overview of their behavior to conduct electricity through them, whose results were better in the alloys with higher Al at%. Also, prototypes were created, with the alloys as anode, commercial graphite as cathode and as electrolyte a KOH 3M gel solution, in order to evaluate the generation of electrical energy of the alloys; the results, despite not being promising, are important to demonstrate that the generation ofelectrons from these alloys is possible, and while they pass through the electrolyte, a resistor such as an LED could be connected to illuminate it. The importance of studying the processes and mechanisms through which corrosion occurs, prompts the study of electrochemical techniques such as galvanostatic polarization, impedance and chemical corrosion by immersion, which were carried out on the alloys. The importance of galvanostatic polarization studies, is that it allows obtaining information to estimate the intensity of corrosion Icorr of our alloys, since otherwise, it would not be possible, because the equivalence between the reduction and oxidation in half-reactions in a mixed potential is override. In the same synergy, it is important to evaluate the behavior of metals that are in continuous immersion in aggressive media, such as galvanic cells, this is achieved by submerging the material under similar conditions, and after a certain time its resistance to corrosion, due to weight loss, with reference to the initial weight value. These studies were of great importance for the objectives, since among the characteristics that are sought for a material to be an excellent anode, are minimum self-corrosion, maximum open circuit potential and minimum anodic polarization.

Tipo de documento: Tesis de doctorado

Formato: Adobe PDF

Audiencia: Investigadores

Idioma: Español

Área de conocimiento: INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Campo disciplinar: CIENCIAS TECNOLÓGICAS

Nivel de acceso: Acceso Abierto