Obtención de conductores iónicos con base en el sistema de óxido de circonio

Abstract

La circonia (ZrO2) es un material cerámico de gran interés industrial y comercial. Por su elevada dureza, se utiliza en mezclas para mejorar las propiedades mecánicas de algunos materiales, para fabricar instrumentos de corte y cerámicos funcionales. Por su alto punto de fusión (2650ºC), superior al de la alúmina, es posible emplearlo para la fabricación de crisoles que se usan en fundición y aplicaciones refractarias. Gracias a que es un material biocompatible y resistente al desgaste, se usa para fabricar prótesis de cadera, rodilla y piezas dentales. Dopado con algunos óxidos presenta conductividad iónica, útil en la fabricación de celdas de combustible, sensores de gas, ventanas inteligentes, etc. Este trabajo consistió en sintetizar circonia dopada con óxido de calcio o itrio por los métodos de precipitación controlada y precursor polimérico, o Pechini, partiendo de precursores que contenían los cationes de interés, como el oxicloruro de circonio, el acetato de itrio y el acetato de calcio; los porcentajes de los dopantes que se incorporaron a la matriz de circonia se establecieron en 8, 10 y 15%, con los cuales se garantizó la estabilización de la fase cúbica a temperatura ambiente. Se tomó como referencia el trabajo desarrollado por John Jairo Cabrera, egresado del programa de ingeniería Física, entre otros [2, 10, 15]. Las sales se diluyeron en agua destilada y se utilizó hidróxido de amonio como agente precipitante. Los polvos resultantes de la síntesis fueron sometidos a molienda durante una hora para homogeneizar, des-aglomerar y reducir el tamaño de las partículas. Fue necesario estudiar muy bien las variables involucradas en los procesos de síntesis, con el objeto de tener un buen control, en cuanto a las características morfológicas, estructurales y dimensionales de los polvos resultantes, ya que éstas influyen de manera directa sobre las propiedades finales de los óxidos, concretamente sobre las propiedades eléctricas. Las muestras se trataron térmicamente para obtener polvos cerámicos con tamaño de partícula nanométrico que permitan conformar dispositivos bien densificados y aceptables propiedades de conductividad iónica. Se utilizaron técnicas de análisis no destructivas para caracterizar la materia prima y los compactos conformados, mediante Difracción de Rayos X (DRX), para conocer las fases cristalinas presentes en la muestra, Espectroscopia Infrarroja con Transformada Rápida de Fourier (FTIR), para definir grupos funcionales que existen en la muestra, y Microscopia Electrónica de Transmisión (MET), para determinar la morfología y el tamaño de la partícula. Además se caracterizaron las muestras eléctricamente mediante impedancia compleja y curvas de conductividad en función del inverso de la temperatura, obteniendo la energía de activación necesaria para que los mecanismos de conducción iónica puedan darse. Los resultados obtenidos de la investigación proporcionaron datos que permitieron establecer el efecto de los métodos de síntesis, de la cantidad y naturaleza de los dopantes, temperatura y tiempo de sinterización y presión de conformado de las muestras, sobre las propiedades eléctricas de los dispositivos conformados.