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Ingeniería de materiales

Proceso dominado

Grupos del Ipen y de la USP logran elaborar el corazón de los sensores de oxígeno, una pieza que hasta ahora se importaba en Brasil

Los sensores están en todas partes. Puede encontrárselos en las más diversas formas y áreas de aplicación. En los dispositivos utilizados para contar la gente que entra o sale de los comercios, en el análisis químico de las bebidas y en la identificación de algunas moléculas de gas en medio de un millón de otras moléculas que componen el aire. En la industria siderúrgica, por ejemplo, la tarea de controlar el proceso de producción del acero se efectúa con el auxilio de un sensor descartable. Dispuesto en un vagón que carga 200 toneladas de acero a una temperatura de 1.600° Celsius, este dispositivo, antes de derretirse, tiene unos 4 ó 5 segundos para medir el nivel de oxígeno en el metal, una magnitud fundamental para la determinación de las características finales del producto.

Este sensor está compuesto por más de diez componentes, pero, tan solo uno de éstos, precisamente el más importante, elaborado en material cerámico y caracterizado como el corazón del sensor, no se fabrica en Brasil. Con todo, y a juzgar por los resultados que se desprenden de un estudio llevado a cabo por dos grupos de la Universidad de São Paulo (USP) y uno del Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen, sigla en portugués) con óxidos cerámicos, tal dependencia del producto importado podrá terminar, con el aporte de tecnología nacional.

“Estamos en condiciones no solamente de desarrollar un material igual, sino incluso mejor, porque actuamos precisamente en el punto más problemático del sensor: el fenómeno intergranular”, dice el profesor Reginaldo Muccillo, del Ipen, coordinador del proyecto temático sobre materiales cerámicos financiado por la FAPESP. El grupo del Ipen forma parte del Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cerámicos (CMDMC), uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid, sigla en portugués) de la Fundación, en los que se promueve la interacción con las industrias.

El fenómeno intergranular se relaciona con el proceso de fabricación de los materiales cerámicos, que tiene como punto de partida un polvo que puede tener varios componentes. Para transformar este polvo tanto en un recipiente como en un sensor, se debe colocar el material dentro de un horno a altas temperaturas, en un proceso conocido como sinterización. El producto final es un material sólido constituido por pequeños granos. La zona de contacto que existe entre éstos, llamada zona intergranular, es crítica para el paso del oxígeno y de calor, y la para conducción de electrones y, al margen de determinar las propiedades mecánicas.

“En el proyecto temático el énfasis recae en el estudio de las propiedades eléctricas”, relata Muccillo. Tal elección obedece al hecho de que en la mayoría de los sensores es necesario utilizar una señal eléctrica para efectuar las mediciones deseadas. “Si el contorno del grano no es bien elaborado, el material se vuelve resistente al paso de iones de oxígeno”, explica el profesor Douglas Gouvêa, del Departamento de Ingeniería Metalúrgica y de Materiales de la Escuela Politécnica de la USP, que elabora la estructura interna (microestructura) de las cerámicas.

“Estudiamos la forma de procesar estos materiales para obtener un grano mayor o menor, y porosidad mínima o máxima, dependiendo de cada aplicación”, informa. Al tercer grupo que participa en el proyecto lo encabeza el profesor Renato Jardim, del Instituto de Física de la USP, experto en los fenómenos de transporte eléctrico a bajas temperaturas de los materiales superconductores. “Un grupo complementa al otro”, dice Muccillo.

Amplia aplicación
Este proyecto, que se inició en septiembre de 2000 y se prevé que esté concluido en agosto del año venidero, comprende el estudio de varios óxidos cerámicos, tales como los óxidos de circonio, estaño y aluminio, manganitas de lantanio y superconductores cerámicos. Estas sustancias tienen amplias aplicaciones en dispositivos, sensores, baterías y células de combustible. Como ejemplo de aplicación del óxido de circonio, Muccillo menciona el sensor de oxígeno, que puede usarse tanto en la industria siderúrgica, en el proceso de producción de acero, como en la producción automotriz, para determinar en tiempo real el tenor de oxígeno en el motor y en el caño de escape de los vehículos. Estos sensores hacen posible un mayor rendimiento y un mejor control del equilibrio entre aire y combustible. También se usan en las calderas de hospitales, donde permiten ahorrar combustible.

Muccillo estudia el óxido de circonio desde 1979. Tamaña dedicación ha resultado en una solicitud de patente de la preparación de una masa cerámica hecha a base de óxido de circonio y óxido de magnesio, que se usará en sensores de oxígeno descartables que tienen una vida útil de 10 segundos antes de desintegrarse dentro de los vagones que transportan acero caliente. El investigador informa que Brasil, aun cuando tiene la materia prima para la producción de óxido de circonio y sus laboratorios de investigación tienen capacidad para desarrollar materiales apropiados para los sensores, importa el componente cerámico. “Un kilo de óxido sería suficiente para hacer unos mil sensores. Una pequeña planta que produjera 500 kilos por mes podría cubrir la demanda actual del país”, afirma el coordinador.

Tratamiento térmico
Douglas recuerda que una de las ideas discutidas en el marco del proyecto temático consiste en la reactivación de la producción de óxido de circonio en Brasil, abandonada luego de que el Ipen desactivó su planta piloto. El investigador enfatiza que el grupo puede brindar una interesante contribución en las etapas de conformación y quema de las cerámicas, partes del proceso dominadas plenamente tan solo por las empresas que en el exterior poseen la tecnología de fabricación del corazón del sensor. En la fase de quema, por ejemplo, su grupo logró reducir la temperatura de sinterización del óxido de circonio de 1.550ºC durante dos horas a 1.350ºC por diez segundos. “Es realmente una condición especial de fabricación. Pero si la industria logra bajar la temperatura a 1.350ºC durante media hora conseguirá una mejora energética enorme”, dice Muccillo.

Los investigadores han dado muestras ya de la posibilidad de lograr mejoras energéticas en el proceso de fabricación, con la reducción de la temperatura y del tiempo de sinterización. De ahora en adelante trabajarán en la caracterización del material, para tener la seguridad de que todas las propiedades de la cerámica se mantendrán y que ésta podrá usarse para la producción industrial de sensores.

El Proyecto
Estudio de Fenómenos Intergranulares en Óxidos Cerámicos (nº 99/10798-0);  Modalidad Proyecto Temático; Coordinador Reginaldo Muccillo – Ipen; Inversión R$ 309.075,00 y US$ 216.752,00

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