Integración de la tecnología cerámica multicapa

Abstract

[spa] En esta tesis doctoral se estudia la problemática existente en la aplicación de los nanomateriales y la nanotecnología para la preparación de dispositivos basados en tecnología cerámica multicapa. Un punto clave de la tecnología cerámica multicapa, debido a la complejidad de su obtención, es la preparación del sustrato cerámico o sustrato en verde, "green tape". Sobre los sustratos se conforman las diferentes capas que constituyen la estructura monolítica. Los primeros sustratos obtenidos son de materiales "convencionales" o sub-micrométricos sobre los que hemos empleado técnicas de crecimiento de materiales nanoestructurados como nanohilos y nanofilms. El conocimiento adquirido con estos sustratos se aplicado en la preparación de sustratos de nanomateriales, como nanofibras de carbono o nano SiC. Con todo ello, este trabajo pretende demostrar la enorme capacidad de la tecnología cerámica multicapa desarrollada, tanto para trabajar con materiales tan diversos, como son los metales, las cerámicas o los polímeros, como del enorme potencial de campos de aplicación que nos abre. A lo largo de la tesis se ha explicado su caracterización por diferentes técnicas así como el desarrollo de una pauta de validación de la formulación que se ha desarrollado. Dos etapas son básicas en su preparación: la dispersión del sólido en el solvente y la adición sobre la dispersión de diferentes aditivos orgánicos que darán al sustrato en verde las prestaciones mecánicas (flexibilidad, resistencia) y de otras propiedades muy deseables como la homogeneidad, la estabilidad o la laminabilidad. Durante la etapa de dispersión se aplican técnicas de caracterización como el potencial Z de las partículas, ya que permite conocer el entorno de estabilidad de la dispersión, su dependencia con el pH o la cantidad del aditivo dispersante. También se utiliza BET para determinar la superficie específica del sólido y las técnicas de dispersión de luz para el análisis del tamaño de partícula. Estas dos propiedades son muy importantes para predecir la proporción de componentes de la formulación. Estos sustratos han demostrado su compatibilidad con técnicas de crecimiento de nanomateriales para hacer sensores o dispositivos. Técnicas como el crecimiento de nanohilos para CVD, tradicionalmente relacionadas con sustratos de Si, y técnicas de deposición de films, como el sputtering para crecimiento de capas de nanométricas de Molibdeno para celdas fotovoltaicas, desarrolladas habitualmente sobre vidrio flotado, están desarrolladas sobre sustratos cerámicos. Por su parte los sustratos basados en compuestos de nanomateriales han sido preparados tanto para dispositivos calefactores como para materiales graduales para aplicaciones tribológicas. Aparte de la preparación de los sustratos, para la consolidación de los materiales se han utilizado procesos de sinterización convencional, sinterización en fase liquida y sinterización reactiva, en hornos de mufla hasta 1650ºC y en hornos de Spark Plasma Sintering o "SPS". Tanto los materiales como sus propiedades se han caracterizado con técnicas como el Raman, XRD, DSC, TEM o SEM además de la caracterización funcional de los diferentes materiales. Se han preparado dispositivos calefactores basados en las composiciones de nanofibras de carbono donde, aparte de alguna de las técnicas de caracterización antes descritas, se ha utilizado la termografía de infrarrojos. Con todo este trabajo se ha profundizado en el conocimiento de la tecnología cerámica multicapa y se han explorado algunos de sus límites aplicados a los nanomateriales y con las nanotecnologías.

[eng] In this thesis we study the existing problems in the application of nanomaterials and nanotechnology for the preparation of multilayer ceramic technology based devices. A key point of the multilayer ceramic technology, due to the complexity of their preparation is the preparation of the ceramic green substrate or "green tape". The different layers that form part of the monolithic structure are made of this substrates. The first substrates are obtained from "conventional" materials or sub-micrometer on which we have employed growth techniques and nanostructured materials such as nanowires or nanofilms. The obtained knowledge from these substrates is applied in the preparation of substrates of nanomaterials, such as carbon nanofibers or nanoSiC. Whit all, this study aims to demonstrate the enormous capability of the developed multilayer ceramic technology, both to work with such diverse materials, just for instance, such as metals, ceramics or polymers, and the huge potential of application fields that opens. The characterization is explained by various techniques and the development of a pattern of validation of the formulation is developed during Thesis. Two stages are essential in the preparation: The dispersion of the solid in the solvent and the addition of the dispersion of various organic additives that give the green substrate in the mechanical properties (flexibility, strength) and other highly desirable properties such as homogeneity, stability or lamination capability. During the dispersion step characterization techniques are applied as the Z potential of the particles, since it shows the environment stability of the dispersion, the pH dependency, or the amount of the dispersant additive. BET is also used to determine the specific surface of the solid and light scattering techniques for particle size analysis. These two properties are very important to predict the ratio of components in the formulation. These substrates have shown their support growth techniques nanomaterials for sensors or devices using techniques such as the growth of nanowires for CVD, traditionally associated with Si substrates, are grown on ceramic substrates or deposition techniques films such as sputtering of the layer growth of nanometric molybdenum for photovoltaics cells usually grown on float glass. Meanwhile based substrates made of nanomaterials have been prepared for both heating devices and tribological applications. Moreover, the preparation of the substrates for the materials consolidation have been used in conventional processes sintering, liquid phase sintering and reaction sintering in box furnaces to 1650 ° C and in spark plasma sintering furnaces ("SPS"). With all of this work, we have got deeply knowledge of the multilayer ceramic technology and we have explored some of the limits applied to nanomaterials and with the nanotechnologies.