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Dise�o y Construcci�n de un Sintetizador de Nanotubos de Carbono de Bajo costo Mediante Descarga de Arco El�ctrico

 

Design and Construction of a Low Cost Carbon Nanotube Synthesizer Using Electric Arc Discharge

 

Projeto e constru��o de um sintetizador de nanotubo de carbono de baixo custo usando descarga de arco el�trico

 

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Correspondencia: diego.mayorga@espoch.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de investigaci�n

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*Recibido: 30 de enero de 2021 *Aceptado: 15 de febrero de 2021 * Publicado: 11 de marzo de 2021

                        I.          Ingeniero Mec�nico, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.

                     II.          Ingeniero Mec�nico, Magister en Gerencia de Proyectos de Ecoturismo, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.

                  III.          Ingeniero Mec�nico, Magister en Dise�o Producci�n y Automatizaci�n Industrial, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.

                  IV.          Investigador Independiente, Ecuador.

 

 

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Resumen

Resumen: Para dise�ar y construir un sintetizador de nanotubos de carbono (CNT) mediante descarga de arco el�ctrico, se aplicaron m�todos ingenieriles desarrollando un dispositivo capaz de generar un nanomaterial de estudio v�lido para investigaci�n. As� que, para obtener una m�quina que cumpla con los requisitos de s�ntesis de los CNT, se utiliz� el dise�o concurrente, en el que se combina el punto de vista de dise�o, funcionalidad, construcci�n y mantenimiento. En este caso, en la revisi�n bibliogr�fica se determinaron las caracter�sticas de fuente de corriente continua, voltaje, amperaje, distancia entre electrodos, velocidad de giro del �nodo y hermeticidad bajo una presi�n de vac�o, necesarios para la s�ntesis de CNT. El segundo paso fue el dise�o conceptual, determinando las necesidades de los futuros usuarios: profesores, estudiantes y tesistas, para realizar un Despliegue de Funci�n de Calidad (QFD). Como tercer punto, se realiz� un an�lisis funcional y modular, para determinar las acciones que requiere el sintetizador y seleccionar la mejor alternativa para cumplirlas; por medio del dise�o de materializaci�n, donde mediante el uso de bibliograf�a y softwares como ANSYS, se dimensionaron los componentes mec�nicos del equipo. Finalmente, se construy� el sintetizador de CNT, capaz de cumplir con las condiciones de s�ntesis necesarias con componentes generados bajo criterios de dise�o mec�nico, obteniendo los primeros CNT y estudio de los mismos con un microscopio SEM.

Palabras clave: Descarga de arco el�ctrico; dise�o concurrente; Ingenier�a Mec�nica; nanomateriales; nanotubos de carbono; sintetizador.

 

Abstract

Abstract: To design and build a carbon nanotube synthesizer (CNT) by electric arc discharge, engineering methods were applied developing a device capable of generating a study nanomaterial valid for research. So, to obtain a machine that meets the synthesis requirements of CNTs, concurrent design was used, which combines the point of view of design, functionality, construction and maintenance. In this case, the bibliographic review determined the characteristics of the direct current source, voltage, amperage, distance between electrodes, speed of rotation of the anode and tightness under vacuum pressure, necessary for the synthesis of CNT. The second step was the conceptual design, determining the needs of future users: professors, students and thesis students, to carry out a Quality Function Deployment (QFD). As a third point, a functional and modular analysis was carried out to determine the actions required by the synthesizer and select the best alternative to fulfill them; Through the materialization design, where by using bibliography and software such as ANSYS, the mechanical components of the equipment were dimensioned. Finally, the CNT synthesizer was built, capable of meeting the necessary synthesis conditions with components generated under mechanical design criteria, obtaining the first CNTs and studying them with an SEM microscope.

Keywords: Electric arc discharge; concurrent design; Mechanical Engineering; nanomaterials; Carbon nanotubes; synthesizer.

 

Resumo

Resumo: Para projetar e construir um sintetizador de nanotubos de carbono (CNT) por descarga de arco el�trico, foram aplicados m�todos de engenharia desenvolvendo um dispositivo capaz de gerar um nanomaterial de estudo v�lido para pesquisa. Assim, para obter uma m�quina que atendesse aos requisitos de s�ntese dos CNTs, foi utilizado o projeto concorrente, que combina o ponto de vista de projeto, funcionalidade, constru��o e manuten��o. Nesse caso, a revis�o bibliogr�fica determinou as caracter�sticas da fonte de corrente cont�nua, tens�o, amperagem, dist�ncia entre eletrodos, velocidade de rota��o do �nodo e estanqueidade sob press�o de v�cuo, necess�rias para a s�ntese do CNT. A segunda etapa foi o projeto conceitual, determinando as necessidades dos futuros usu�rios: professores, alunos e alunos de tese, para realizar um Desdobramento da Fun��o Qualidade (QFD). Como terceiro ponto, foi realizada uma an�lise funcional e modular para determinar as a��es requeridas pelo sintetizador e selecionar a melhor alternativa para cumpri-las; Atrav�s do projeto de materializa��o, onde por meio de bibliografia e softwares como o ANSYS, foram dimensionados os componentes mec�nicos do equipamento. Por fim, foi constru�do o sintetizador CNT, capaz de atender �s condi��es de s�ntese necess�rias com componentes gerados sob crit�rios de projeto mec�nico, obtendo os primeiros CNTs e estudando-os em microsc�pio MEV.

Palavras-chave: Descarga de arco el�trico; projeto concorrente; Engenharia Mec�nica; nanomateriais; Nanotubos de carbono; sintetizador.

 

 

Introducci�n

Los Nanotubos de Carbono (CNT) son estructuras huecas que se generan en el rango nano en di�metro, cuya longitud puede alcanzar varios cent�metros y tienen m�ltiples propiedades atractivas que superan a muchos de los materiales comunes de uso en campos de estudio, como diferentes ingenier�as, medicina o, incluso, el campo textil. Las propiedades de los CNT incluyen su alta �rea superficial, elevado m�dulo de Young, resistencia a la tracci�n, conductividad t�rmica y el�ctrica, entre otras, las cuales pueden aplicarse en almacenamiento y transporte de materiales, diferentes dispositivos electr�nicos, materiales compuestos, sistemas micro-electro-mec�nicos (MEMS), bioestructuras, entre muchas otras aplicaciones que lo hacen el material del futuro, siendo estudiado en el presente por comunidades cient�ficas y tecnol�gicas, que d�a a d�a aumentan el n�mero de trabajos de investigaci�n alrededor del mundo (Devanathan, 2018; Roslan et al., 2018).

Por ello, esta forma alotr�pica de Carbono es tan preciada en investigaci�n en m�ltiples Universidades y centros de investigaci�n, con el fin de descubrir los mejores usos aplicando sus elevadas propiedades f�sicas, qu�micas, el�ctricas y mec�nicas, sin importar si son Nanotubos de Una Capa SWNT o Multicapa MWNT. El m�todo de s�ntesis de arco el�ctrico fue elegido, debido a que genera nanotubos de manera econ�mica, tanto en materiales como en proceso, es amigable con el ambiente, y genera un buen porcentaje de nanotubos de carbono de alta calidad en los productos de descomposici�n de los electrodos utilizados (Iijima, 1991; Devanathan, 2018).

Una vez desarrollado el estudio acerca de las m�quinas de producci�n de Nanotubos de Carbono, en base a resultados de evoluci�n hist�rica, se determinan las variables que condicionan un buen sintetizador y c�mo se pueden cumplir generando varias alternativas y generar soluci�n a las diferentes funciones que la m�quina debe cumplir, todo lo que puede ser contrastado con diferentes autores. Tras analizar todas las alternativas que el sintetizador puede cumplir, se pasa a la construcci�n del prototipo. Posteriormente, es sometido a pruebas funcionales y verificaci�n de las condiciones de s�ntesis para la producci�n de CNT con materia prima de bajo costo.

 

 

 

 

Metodolog�a

 

Figura 1: Recorrido Metodol�gico del Sintetizador de Nanotubos de Carbono

 

Recorrido Metodol�gico del Sintetizador de Nanotubos de Carbono

Para el desarrollo del Sintetizador de CNT se realiz� el recorrido de la Figura 1, de manera que el primer paso fue revisar informaci�n existente de formaci�n de los CNT, propiedades y aplicaciones; los m�todos de s�ntesis; y las condiciones de s�ntesis para establecer los par�metros de dise�o de la c�mara de s�ntesis.

 

Estudio del Arte

Empezando por conocer el porqu� de la importancia de los CNT que radica en sus propiedades, ya que, en base a investigaciones, se presumen como la sustancia m�s esbelta y resistente conocida, es muy buen conductor t�rmico y el�ctrico, y es una sustancia inerte qu�micamente en su superficie (Corvillo y G�mez 2007; Harris 2009), lo que se traduce en aplicaciones sumamente interesantes como compuestos de alta resistencia, microelectr�nica de vac�o, almacenamiento de energ�a, nanosondas y sensores, compuestos rellenos, entre otros (Ajayan y Zhou 2001; Liu et al. 2009). A continuaci�n, se muestran una serie de tablas que muestran las propiedades m�ximas y m�nimas en los CNT de capa �nica y multicapa junto con las referencias consultadas.

 

 

 

Tabla 1: Propiedades F�sicas y Mec�nicas de los CNT

Propiedad	S�mb.	Unidad	SWNT		MWNT		Refer.
			M�n.	M�x.	M�n.	M�x.
Densidad	d		0.006	1.12	1.3	1.34	[1,2,3]
Frecuencia Fundamental	F	THz	0.01	1.5	0.009	1.35	[1]
M�dulo de Young	E	TPa	0.067	1.3	0.32	4.15	[4,5]
M�dulo Cortante	G	TPa	0.7	6.5	0.436	0.541	[4,6]
Esfuerzo a la Tracci�n	Sy	GPa	10	52	11	63	[1]
Esfuerzo �ltimo a la Tracci�n	Sut	GPa	10.5	54.8	12.3	70.6	[1]
Alargamiento a la Ruptura	e	%	5.3	5.8	2.2	12	[1]

Fuente: [1] Liew, Jianwei and Zhang, 2016, [2] Wang et al., 2008, [3] Arnold et al., 2006, [4] Salvetat et al., 1999, [5] Coleman et al., 2006, [6] Lu, 1997. Realizado por: Caballero Silva, Enya, 2019.

 

Tabla 2: Propiedades Qu�micas de los CNT

Propiedad	S�mb.	Unidad	SWNT		MWNT		Refer.
			M�n.	M�x.	M�n.	M�x.
Potencial Hidr�geno	PH	-	Pueden soportar reacciones en el rango de PH de 0 a 14, sin da�ar su estructura.				[1]
Reactividad	-	-	Cuanto menor es el di�metro, menor es la reactividad de los CNT, pudiendo ser inertes en una atm�sfera de Ozono a altas temperaturas.				[2]
Superficie Espec�fica			285	948	312	635	[3]
Toxicidad	-	-	Altamente t�xicos, con excepciones de inocuidad en algunos espec�menes hidr�fobos.				[4]

Fuente: [1] Zou et al., 2014, p.4, [2] Banerjee and Wong, 2004, p. 1449, [3] Bacsa et al., 2000, p. 569, [4]� Harris, 2009, p. 219-220. Realizado por: Caballero Silva, Enya, 2019.

 

Tabla 3: Propiedades T�rmicas de los CNT

Propiedad	S�mb.	Unidad	SWNT		MWNT		Refer.
			M�n.	M�x.	M�n.	M�x.
Calor Espec�fico (300K)	C		375	410	415	450	[1,2]
Conductividad T�rmica	K		200	8000	500	6600	[3,4]
Conductancia T�rmica							[3,5]
Mejora Conductiva	-	%	125	200	75	1200	[3,6]
Temperatura de Fusi�n		K	1000	2000	1000	2000	[7]

Fuente: [1] Yi et al., 1999, [2] Mizel et al., 1999, [3] Balandin, 2011, [4] Bandaru, 2007, [5] Mingo and Broido, 2005, p. 95, [6] Park et al., 2012, p. 2086, [7] Hojati Talemi, Kannan and Simon, 2012. Realizado por: Caballero Silva, Enya, 2019

 

Tabla 4: Propiedades El�ctricas de los CNT

Propiedad	S�mb.	Unidad	SWNT		MWNT		Refer.
			M�n.	M�x.	M�n.	M�x.
Resistencia El�ctrica	R		6.5	25.8	0.1	275	[1,2,3]
Densidad de Corriente	j		0.4	4			[3,4]
Energ�a Potencial			1321.2	1309.9	50	900	[5,6]
Movilidad Portadora	�		200		2.59	5.42	[1,6]
Resistividad	ρ		0.125	5	100		[2,5]

Fuente: [1] Bandaru, 2007, [2] Yang et al., 2004, [3] Liew, Jianwei and Zhang, 2016, [4] Zhu et al., 1999, [5] Hone et al., 2000, [6] Kim and Park, 2010. Realizado por: Caballero Silva, Enya, 2019

 

Al ser tan vers�tiles y resistentes, es l�gico que despierte gran inter�s su s�ntesis, la cual puede realizarse por varios procesos, los cuales se resumen en: deposici�n qu�mica con vapor (CVD), ablaci�n l�ser, pir�lisis de llama y descarga de arco el�ctrico. En este caso se eligi� descarga de arco el�ctrico por su econom�a y los pocos defectos estructurales que presentan los CNT en comparaci�n de los otros m�todos. Es uno de los m�todos que utiliza temperaturas m�s altas (m�s de 9000K) para la s�ntesis de CNT con la menor cantidad de defectos estructurales en comparaci�n a los dem�s m�todos. Se trata de dos electrodos conectados a una fuente de alimentaci�n y separados unos mil�metros. Estos electrodos, se introducen en una atm�sfera de Helio, Arg�n y/o Nitr�geno a presiones subatmosf�ricas (13,5 PSI abs. como m�ximo), y se hace pasar una corriente muy alta (hasta 900A) para generar un plasma, mediante un �nodo que se evapora y se deposita en el c�todo. Los productos generados son nanotubos SWNT o MWNT, y otras formas alotr�picas de carbono. La principal ventaja de este m�todo es su econom�a; sin embargo, el control de los par�metros de crecimiento es muy pobre y su conversi�n del Grafito en CNT es de aproximadamente 20% (Arora y Sharma 2014; Prasek et al. 2011; Devanathan 2018).

Entre sus derivaciones existen:

�           S�ntesis de C�mara Est�tica: Donde los electrodos no se desplazan y la s�ntesis se detiene cuando la distancia del arco es demasiado grande y se interrumpe el arco.

�           S�ntesis con Avance de un Electrodo: Es de las formas m�s comunes. Para evitar la interrupci�n del arco el�ctrico, uno de los electrodos se desplaza (Ando 2010).

�           S�ntesis con adici�n de Catalizadores: En este m�todo, el �nodo de grafito es vaciado por medios mec�nicos, y relleno con sustancias dopantes como Y, Fe o Co, que facilitan la producci�n o aumentan la cantidad de SWNT (Ando 2010).

�           S�ntesis de Jet: El �nodo se inclina 30� con respecto a su posici�n original horizontal con el c�todo, esto hace que los SWNT aumenten en los dep�sitos (Ando 2010).

�           S�ntesis con Rotaci�n de un Electrodo: Se afirma que mejora la uniformidad del plasma y, con ello, la calidad y uniformidad de los CNT (Lee et al. 2002).

�           S�ntesis por Descarga de Arco El�ctrico con Generaci�n de Campo Magn�tico: Mediante un dispositivo situado fuera de la c�mara, se genera un campo magn�tico, que seg�n algunos estudios, genera MWNT m�s cristalinos, ordenados y de mayor longitud (Roslan et al. 2018).

�           S�ntesis en Medio Acuoso: En vez de una atm�sfera controlada con alg�n gas noble, se utiliza un medio de agua salina en la que se genera la descarga del arco y la generaci�n del plasma (Parvez et al. 2014).

�           S�ntesis con Electrodos de Tungsteno: En una atm�sfera de hidrocarburos, el plasma generado entre los electrodos de W es el encargado de generar los CNT.

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Figura 2: Sintetizador de CNT y Fullerenes por descarga de Arco El�ctrico de Corriente Continua en vertical y con Corriente Puls�til en horizontal

Fuente: Ando, 2010, Maria y Mieno, 2015

 

Independientemente de las modificaciones del proceso de s�ntesis, los valores para la descarga de arco el�ctrico se pueden encontrar resumidas en la tabla 5.

 

Tabla 5: Par�metros de Arco El�ctrico Para Generaci�n de los Nanotubos

CONDICIONES	VALOR M�XIMO	VALOR M�NIMO	VALOR �PTIMO	REFER.
Fuente de alimentaci�n	Corriente continua (DC), corriente alterna (AC), bipolar o pulsatil		DC	[1,2]
Voltaje (V)	15	30	18-26V	[1,3]
Corriente (A)	2,5	900	50-80A	[1,3]
Precursores	Grafito, Grafeno, Hidrocarburos, Carb�n, Fullerenes y Llantas pulverizadas.		Grafito	[1]
Catalizadores	Y, Ni, Fe, Co, Cr, entre otros.		Ninguno, para evitar defectos estructurales.	[1]
Atm�sfera	Ar, He, N, H, aire purificado, soluciones acuosas o mezclas.		Gases nobles	[1]
Velocidad de giro (RPM)	0	10 000	-	[4]
Presi�n en la c�mara (KPa)	-4	-120	La menor presi�n posible	[1,3]
Temperatura (K)	5 000	9 000	-	[1,5]

Fuente: [1] Arora y Sharma 2014, [2] Maria y Mieno 2015, [3] Raniszewski, 2017, [4] Lee et al. 2002, [5] Fang et al. 2016.

Realizado por: Caballero Silva, Enya, 2019.

 

Definici�n del Alcance

Una vez conocidas las condiciones de s�ntesis de los CNT en el proceso de descarga de arco el�ctrico, se define el alcance del trabajo, el cual es el segundo punto del recorrido metodol�gico de la Figura 1 y se resume en los siguientes puntos de dise�o y construcci�n, verificando la presencia de CNT y el correcto funcionamiento de:

�           Velocidad de giro del electrodo.

�           Capacidad de trabajar a vac�o.

�           Regulaci�n de la distancia de los electrodos.

�           Tolerancia de saturaci�n de diferentes gases nobles o aire.

�           Variaci�n del Amperaje utilizado.

 

Dise�o Conceptual

El tercer punto del recorrido metodol�gico es el dise�o concurrente y dentro de este, el dise�o conceptual, en el cual se busc� dise�ar la m�quina cumpliendo los requisitos de los futuros usuarios (estudiantes, y docentes investigadores) junto a planos e informaci�n de m�quinas encontradas. Toda la informaci�n se resume en el despliegue de la casa de la calidad de la figura 3. Dentro del an�lisis funcional, se definieron los m�dulos de la figura 4:

�         M�dulo 1.- Acceso al interior de la m�quina para manipulaci�n de materia prima y producto final.

�         M�dulo 2.- Vaciado de aire y saturaci�n de gas no reactivo.

�         M�dulo 3.- Regulaci�n del Voltaje, Corriente, Distancia y Velocidad de Giro, Inicio y Apagado.

 

 

Figura 3: Despliegue de la Casa de la Calidad en base a la informaci�n estudiada

 

Figura 4: Nivel 2 del Dise�o Funcional y Definici�n de los M�dulos

 

Dise�o de Detalle

Determinaci�n de la temperatura cr�tica de dise�o

Debido al desconocimiento de la temperatura que hay en la c�mara en la s�ntesis, hubo que determinar mediante un modelamiento de m�todo de elemento finito (MEF), analizando el fen�meno de radiaci�n y convecci�n, resumiendo los par�metros en la tabla 6. Este era un paso cr�tico, ya que los c�lculos y dimensiones se definen por las propiedades del material presentes en referencias de confianza como ASME VII Div. 2, que entrega valores de m�dulo de Young, resistencia a la tracci�n y resistencia �ltima del acero AISI A-304 que fue el principal material utilizado.

 

Tabla 6: Caracter�sticas del An�lisis de Temperatura

 

Se puede destacar que la temperatura m�xima arrojada es de 327,71�C, la temperatura m�nima es de 197,18�C, y el promedio total de la temperatura analizada es de 232,75�C. Sin embargo, el valor de temperatura se estabiliza en los �ltimos 4 valores, y su promedio es de 222,67�C. Con esta referencia, se determina que la temperatura m�xima de trabajo ser� de 250�C, por seguridad. Siendo por el momento, la temperatura de dise�o.

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Figura 5: Convergencia de la Temperatura y la Calidad de Mallado en funci�n de la Separaci�n M�nima de Elementos

 

Figura 6: Modelado del Sistema en ANSYS Space Claim Design Manager y An�lisis de la Temperatura cuando el experimento se realiza en vertical en ANSYS Mechanical. A partir de la temperatura, se gener� una geometr�a que obedece a criterios de resistencia, deformaci�n y funcionalidad, pasando al siguiente paso: la construcci�n

 

Construcci�n

Para la construcci�n de la m�quina se utilizaron materiales diferentes como: l�mina de Acero AISI A-304, ejes de acero AISI A-304, Porcelanato, Sello de caucho, threadolets, entre otros; siguiendo el flujograma de la Figura 7 para construir el sintetizador de la Figura 8.

 

Figura 7: Flujograma de construcci�n del sintetizador

Figura 8: Sintetizador de CNT

 

Protocolo de Pruebas

Para evaluar las condiciones m�ximas de operaci�n del sintetizador, se establece un protocolo para definir el ensayo del sintetizador y ver las caracter�sticas m�ximas de operaci�n del Sintetizador. La m�quina se compone de diferentes m�dulos, los cuales se han nombrado durante todo el desarrollo de este trabajo y los cuales son: el mecanismo de avance, el mecanismo de giro, la c�mara de presi�n, el sistema el�ctrico, el sistema neum�tico y el electr�nico. El principal objetivo de estos ensayos es garantizar el funcionamiento del Sintetizador en las condiciones de dise�o.

 

Tabla 7: Resultados del Protocolo de Pruebas del Sintetizador de CNT

	CONDICIONES	VALOR M�XIMO	VALOR M�NIMO
M�DULOS	Distancia de avance (mm)	158	0
	Desviaci�n del eje de avance (mm)	0,2	0
	Velocidad de avance (cm/s)	9,96≈10	0
	Velocidad de giro (RPM)	28 807	0
	Presi�n en la c�mara (barg)	0	-0,5
	Voltaje (V)	26,57	26,34
	Corriente (A)	251	40
	Di�metro del eje (mm)	10	5
	Temperatura (�C)	163	68
	Tiempo de funcionamiento (min)	2	0

 

Resultados

Para la validaci�n del producto obtenido, se recurri� a un an�lisis visual con el microscopio electr�nico de barrido y una posterior comparaci�n con im�genes de CNT de diversas fuentes.

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Figura 9: Micrograf�a SEM 1 de la ESPOCH, 50-70A y -0.25bar

Figura 10: Micrograf�a SEM 2 de la ESPOCH, 50-70A y -0.25bar

 

 

 

 

Figura 11: Micrograf�a SEM 3 de la ESPOCH, 60A y -0.25bar

 

Figura 12: a) Escaneo SEM de MWCNT sintetizado a 50A y presi�n ambiental; b) Escaneo SEM de un ramo de MWCNT

 

 

Si se compara las im�genes obtenidas en la ESPOCH con las de los art�culos de Chaudhary et al. y Xie et al., se puede apreciar que los CNT obtenidos con este trabajo, son MWCNT dado que el di�metro es bastante amplio, y podr�a aproximarse en el m�s peque�o de 9 nm. La presencia de residuos puede deberse a la presencia de impurezas y la baja eficiencia de s�ntesis por descarga de arco el�ctrico, que ronda el 20%.

 

Discusi�n

Del trabajo, fue destacable que el experimento se realiz� en un ambiente de aire purificado en vac�o, y los electrodos utilizados se extrajeron del n�cleo de pilas D, que fueron limpiados con alcohol industrial. Por esta raz�n, es posible obtener CNT con la m�quina creada con el valor de aproximadamente de 1USD (un d�lar americano), teniendo en cuenta que presentan impurezas debido a la falta de pureza del ambiente y la calidad del electrodo de grafito.

 

Conclusiones

Se dise�� una m�quina que cumple con las caracter�sticas necesarias para la s�ntesis de CNT de: velocidad variable de un eje con valores entre 0 y 28 807 RPM; variaci�n de la corriente de s�ntesis desde 40 a 251 A; voltaje bajo en corriente directa con un valor de 26,5 V; control de la distancia del arco el�ctrico con el avance de un eje con un recorrido de 158 mm a una velocidad lineal de 0 a� 10 cm/s y presi�n negativa en la c�mara cercana a 0.5 bar. Para ello se utilizaron los conocimientos adquiridos en la carrera de Ingenier�a Mec�nica y con ello se logr� sintetizar los primeros Nanotubos de Carbono multicapa, cumpliendo con el alcance planteado.

Los Nanotubos de Carbono son estructuras alotr�picas del carbono que se estudian en numerosos trabajos de investigaci�n. Su obtenci�n se realiza mediante t�cnicas descarga el�ctrica, deposici�n qu�mica, ablaci�n l�ser y pir�lisis de llama, y su importancia radica en las propiedades que tienen los CNT, entre las cuales se destacan: propiedades mec�nicas superiores a las de cualquier metal utilizado en construcci�n de estructuras en la actualidad; estabilidad qu�mica en condiciones extremas de temperatura y PH; conductividad t�rmica y el�ctrica elevada en condiciones donde otros materiales de uso com�n se fundir�an.� Con propiedades varias veces superiores a los materiales tradicionales, es un s�per material con muchas aplicaciones como: supercapacitores; nanosistemas y nanorobots; nanosensores; materiales compuestos de propiedades elevadas; contenedores nanosc�picos de qu�micos para medicina y combustible hidr�geno, entre otros usos que a�n est�n por descubrirse.

Para la realizaci�n del sintetizador, se utiliz� el Dise�o Concurrente, donde se crea la m�quina teniendo en cuenta su uso y mantenimiento, donde se destac� los requerimientos del estudio del arte, criterio de profesores de las Facultades de Mec�nica y Ciencias, y materiales disponibles en Ecuador. Se plantearon varias alternativas en base a todas las opciones de elementos y mecanismos, las cuales cumplen las necesidades de s�ntesis de los CNT, y se seleccion� la opci�n A, en base a los criterios del despliegue de la Casa de la Calidad, dividiendo en M�dulos cada parte de la m�quina.

Cada parte del sintetizador se dise�� y seleccion� en base a criterios ingenieriles. Se seleccion� la mayor cantidad de elementos posible: pernos, bridas, threadolets, conexiones el�ctricas y elementos electr�nicos, facilitando el repuesto y mantenimiento por ser elementos normados. Las partes dise�adas, se basaron en bibliograf�a y normas para garantizar su funcionalidad o verificar que cumplieran con los requisitos necesarios cuando se empezaba desde el criterio de disponibilidad.

La construcci�n del prototipo se realiz� dividi�ndolo en seis partes: la estructura, el eje de velocidad, el eje de avance, el circuito electr�nico, las conexiones el�ctricas y las conexiones neum�ticas. En la estructura se realiz� corte de agua, suelda GTAW en la parte inoxidable y SMAW en la mezcla de aceros del tubo principal con las bridas y threadolets. Ambos ejes necesitaron de soportes met�licos soldados, aislantes cer�micos torneados, placas inoxidables de sujeci�n torneadas y su montaje exigi� de precisi�n para evitar vibraciones y desviaciones. El circuito electr�nico fue ensamblado dentro de un dep�sito realizado en impresi�n 3D y se hicieron pruebas hasta que controlaba satisfactoriamente ambos ejes. Las conexiones el�ctricas y neum�ticas tuvieron la dificultad de que debieron ser comprobadas para garantizar la estanqueidad del sistema.

Se utiliz� una programaci�n de lazo abierto, donde el mecanismo y el sistema de control est�n conectados y la programaci�n indica el movimiento que deben realizar los ejes, pero no existe un sistema de control que verifique que los ejes est�n en la posici�n programada. Sin embargo, las diferentes pruebas de producci�n indican que la automatizaci�n es correcta.

Se realizaron pruebas de funcionamiento del sintetizador para evaluar las condiciones m�ximas de funcionamiento, garantizando su integridad futura. Dentro de las pruebas, se verific� que el arco el�ctrico para generaci�n de plasma se realiza de manera �ptima con el voltaje de 26,5 V, de 50 a 70 A, una distancia de 1-3 mm, avanzando manualmente durante el desgaste del electrodo, y realizando la s�ntesis durante 2 minutos aproximadamente.

Deben ser un resultado l�gico de sus metodolog�a y datos.

Provee una c�psula resumida de las principales conclusiones y cualquier impacto pr�ctico, as� como, cualquier posible futura investigaci�n.

Sea cuidadoso de no sobreestimar sus conclusiones.

Recuerde que todas las interpretaciones est�n basadas en hecho concretos y posibles nuevas ideas.

Provea un mensaje final que el lector recordar�.

 

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� 2020 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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