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NANOTUBOS DE CARBONO 1
NANOTUBOS DE CARBONO
SEXTO
CORREA ALDAZ AARON ISRAEL
MISE GUANOLUISA CARLOS DANILO
QUISNANCELA QUISNANCELA WILLIAM GABRIEL
ESCUELA POLITECNICA DEL EJERCITO ESPE-L
DEPARTAMENTO DE ENERGIA Y MECANICA
INGENIERIA AUTOMOTRIZ
LATACUNGA
2013
NANOTUBOS DE CARBONO 2
ContenidoNANOTUBO DE CARBONO..............................................................................................................3
Tipos elaboración de nanotubos.......................................................................................................9
Ablación laser..............................................................................................................................10
Descarga de arco..........................................................................................................................10
Deposición química de vapor (DQV)..........................................................................................10
Supercondensadores........................................................................................................................12
Almacenamiento de hidrógeno........................................................................................................13
Celdas solares..................................................................................................................................13
Electrónica...................................................................................................................................14
Transistores.................................................................................................................................15
Otras aplicaciones industriales.....................................................................................................16
Como adsorbentes........................................................................................................................17
ÍNDICE DE MATERIAL..........................................................................................................................17
NANOTUBOS DE CARBONO 3
TABLAS
Tabla 1 Propiedades de los nanotubos..................................................................................................6Tabla 2 Índice de material...................................................................................................................19Tabla 3 Índices de materiales..............................................................................................................21Tabla 4 Rigidez y resistencia................................................................................................................25
INDICE DE FIGURAS
Figura 1 Nanotubo de carbono de pared única.....................................................................................8Figura 2 Tipos de nanotubos.................................................................................................................9Figura 3 Método de ablación laser......................................................................................................12Figura 4 Descarga por arco eléctrico...................................................................................................12Figura 5 Reactor de deposición química..............................................................................................13Figura 6 Barra......................................................................................................................................20Figura 7 Material para aislamiento térmico.........................................................................................22Figura 8 Modulo de Young...................................................................................................................23Figura 9 Modulo de Young vs densidad...............................................................................................24Figura 10 Mapa de expansión térmica vs conductividad.....................................................................25
NANOTUBOS DE CARBONO 4
INTRODUCCION
En este presente documento se presenta toda la información disponible acerca de los
nanotubos de carbono, como están constituidos, tipos de nanotubos, además de un sin número
de aplicaciones. Se ha considerado este tema debido a que los nanotubos de carbono se están
convirtiendo en un excelente componente ya sea en electrónica, en mecánica o en astronomía
debido a su gran facilidad al momento de adaptarse a cualquier tipo de tratamiento que se
puede brindar.
NANOTUBOS DE CARBONO 5
NANOTUBO DE CARBONO
Los nanotubos de carbono (CNTs) son una forma alotrópica del carbono, como el diamante,
el grafito o los fulerenos; están constituidos por redes hexagonales de carbono curvadas y
cerradas, formando tubos de carbono nanométricos. Su estructura puede considerarse
procedente de una lámina de grafito enrollada sobre sí misma. Dependiendo del grado de
enrollamiento y la manera como se conforma la lámina original, el resultado puede llevar a
nanotubos de distinto diámetro y geometría interna. [ (Orellana, 2008)]
Son sistemas ligeros, huecos y porosos que tienen alta resistencia mecánica, y por tanto
interesantes para el reforzamiento estructural de materiales y la formación de materiales
compuestos de bajo peso, alta resistencia a la tracción y enorme elasticidad, frente a
esfuerzos de deformación muy intensos son capaces de deformarse notablemente y de
mantenerse en un régimen elástico. El módulo de Young de los nanotubos podría llegar a
oscilar entre 1,3 y 1,8 terapascales, si bien hasta la fecha sólo se han podido obtener
experimentalmente hasta los 0,8 TPa. Además, estas propiedades mecánicas podrían
mejorarse: por ejemplo en los SWNTs (Nanotubos de pared simple), uniendo varios
nanotubos en haces o cuerdas. De esta forma, aunque se rompiese un nanotubo, como se
comportan como unidades independientes, la fractura no se propagaría a los otros
colindantes. En otros términos, los nanotubos pueden funcionar
como resortes extremadamente firmes ante pequeños esfuerzos y, frente a cargas mayores,
pueden deformarse drásticamente y volver posteriormente a su forma original. Se podría
asumir a modo orientativo que la tensión máxima que podría soportar ronda los 150 G Pa .
[ (López, 2009)]
NANOTUBOS DE CARBONO 6
Este dato implica que un cable de 1 cm² de grosor formado por nanotubos podría aguantar
un peso de unas 1.500 toneladas, un cable equivalente del mejor acero conocido puede
soportar 20 toneladas. [ (López, 2009)]
Los nanotubos tienen un diámetro de unos nanómetros y, sin embargo, su longitud puede
alcanzar hasta un milímetro, por lo que dispone de una relación longitud-radio
tremendamente alta y hasta ahora sin precedente la longitud puede llegar a ser incluso de
105 nm. Debido a esta característica se pueden considerar como unidimensionales. Los
nanotubos de carbono son las fibras más fuertes que se conocen. Un solo nanotubo perfecto
es de 10 a 100 veces más fuerte que el acero por peso de unidad y poseen propiedades
eléctricas muy interesantes, conduciendo la corriente eléctrica cientos de veces más
eficazmente que los tradicionales cables de cobre se sabe que puede llegar a cantidades de,
aproximadamente, mil millones deA/cm2, mientras que los alambres de cobre convencionales
se funden al llegar a densidades de corriente del orden del millón de A/cm2.
Estas estructuras pueden comportarse en un amplio margen de formas, comenzando por el
comportamiento semiconductor hasta presentar, en algunos casos, superconductividad. Este
amplio margen de conductividades viene dado por relaciones fundamentalmente geométricas,
es decir, en función de su diámetro, torsión (quiralidad) y el número de capas de su
composición. [ (Corvillo, 2007)]
Las propiedades de los nanotubos de carbono se encuentran resumidas en la Tabla 1.
[ (Quispe)].
NANOTUBOS DE CARBONO 7
Tabla 1 Propiedades de los nanotubos
Fuente: http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/tesis/basic/alcca_qf/cap5.PDF
Existen dos tipos de nanotubos de carbono. Por un lado están los denominados nanotubos
de pared múltiple (MWCNTs), y por otro lado están los nanotubos de pared única (SWCNTs)
La estructura de un nanotubo de carbono se puede entender fácilmente teniendo en cuenta la
lámina de grafeno en el grafeno, los átomos de carbono presentan todos hibridación sp2 y se
sitúan en una disposición hexagonal, adquiriendo una estructura laminar. La estructura de los
nanotubos de pared única, puede explicarse de una manera sencilla como cilindros formados
a partir de una lámina de grafeno enrollada sobre sí misma como en la (figura1). Es el ángulo
el que define las propiedades eléctricas y mecánicas del nanotubo. En el caso de los
NANOTUBOS DE CARBONO 8
nanotubos de pared múltiple, su estructura se puede entender como cilindros concéntricos de
varias láminas de grafeno. Un nanotubo de carbono puede definirse por tres parámetros
distintos: diámetro, quiralidad y número de paredes. Los SWCNTs son los que despiertan un
mayor interés científico, por sus extraordinarias propiedades mecánicas, ópticas, eléctricas,
químicas y biomédicas, entre otras (López, 2009). La circunferencia de cualquier nanotubo
de carbono se puede expresar en términos de lo que se denomina vector quiral:
Lopez, V. (s.f.). Recuperado el 24 de 10 de 2013, de
Ch=na1+na2 (ecuación 1.1)
Este vector, conecta dos posiciones equivalentes en una lámina de grafeno imaginaria,
denotando la posición relativa de un par de átomos en la lámina de grafeno. Usando los
índices (n, m) y los vectores de la base hexagonal a1 y a2 se define el ángulo quiral (θ),
ángulo formado entre el vector quiral y la dirección “zig-zag” (θ= 0). Se pueden generar tres
tipos distintos de nanotubos por el enrollamiento de la lámina de grafeno. Los nanotubos
aquirales que son, los “zig-zag” (m= 0, n>0) y los “armchair” (n= m), corresponden
respectivamente a los ángulos de θ= 0 y 30º; por otro lado están los nanotubos quirales (0<
m, 0< n) corresponden a ángulos entre 0 y 30 º (figura 2) [ (López, 2009)].
NANOTUBOS DE CARBONO 9
Figura 1 Nanotubo de carbono de pared única
Fuente: http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/fzamora/publications/Tesis_VLopez.pdf
Figura 2 Tipos de nanotubos
Fuente: http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/fzamora/publications/Tesis_VLopez.pdf
El vector quiral es perpendicular al eje del nanotubo y tiene un módulo │Ch│ igual a la
circunferencia del tubo L. Se puede calcular a partir de la siguiente ecuación:
NANOTUBOS DE CARBONO 10
L=Ch=a√n2+m2+nm (ecuación 1.2)
donde a =|a1|=|a2|= 1.42x √3 =2.46 Å. Desde aquí se puede estimar el diámetro del nanotubo, dt:
d t=Lπ
(ecuación 1.3)
y si lo queremos expresar en términos de los índices n y m:
d t=√ 3ac−cπ
∗√n2+nm+m2=Chπ
(ecuación 1.4)
donde ac−c=1.41 A y se refiere a la distancia de enlace C-C dentro de una lámina hexagonal. Es
entonces cuando se puede expresar el ángulo quiral en función de los índices n y m como:
θ=tan−1√ 3n2m+n
(ecuación 1.5)
A partir de ecuación (1.5), se puede deducir el tipo de nanotubo en función de su ángulo de
enrollamiento, así si θ= 30º el nanotubo recibe el nombre de “armchair”, dado a la dirección definida
por índices iguales, (n, n). Si θ= 0º, el nanotubo es tipo “zig-zag”, debido a la dirección que describen
los enlaces de carbono en esa estructura, y se define con índices (n,0). [ (Ashby, Selection materials
in Mechanical Design, 2007)]
Tipos elaboración de nanotubos
En términos generales, hay tres principales tipos de técnicas desarrolladas para producir SWCNTs de
alta pureza, estos son: [ (Rincon del vago)]
Elaboración por arco de descarga.
Elaboración por ablación láser.
Elaboración por deposición química desde la fase vapor.
NANOTUBOS DE CARBONO 11
Ablación laser.- Es un proceso que consiste en vaporizar un blanco de grafito mediante la
radiación de un pulso láser, en un reactor de alta temperatura y en presencia de un gas inerte.
Los nanotubos se forman cuando el grafito vaporizado entra en contacto con la superficie
fría, condensando sobre las paredes del reactor. Este procedimiento suele presentar un
rendimiento típico del 70% en peso y produce nanotubos monocapa con un diámetro que
puede controlarse variando la temperatura en el interior del reactor (figura 3). [ (Corvillo,
2007)]
Descarga de arco.- Es un tipo de descarga eléctrica continua que genera luz y calor muy
intensos. Se produce entre dos electrodos enfrentados dentro de una atmósfera de gas inerte a
baja presión. Por los electrodos de grafito se hace pasar una corriente intensa, (cientos de
amperios) la cual sublima los átomos de carbono de la superficie de los electrodos, formando
un plasma alrededor de estos. El rendimiento típico, usando esta técnica, es del orden del
30% en peso y los productos obtenidos son nanotubos monocapa y multicapa de una longitud
típica de unas 50 micras (figura 4). [ (Nanotecnología-Nanociencia)]
Deposición química de vapor (DQV).- Normalmente, se prepara un sustrato con una
capa de metal, como el níquel, cobalto, oro o una combinación de estos. Los diámetros de los
nanotubos que van a formarse por crecimiento controlado están relacionados con el tamaño
de las partículas de metal. Para iniciar el crecimiento de nanotubos se mezclan dos gases en
el reactor. Un gas de proceso (tal como amoniaco, nitrógeno, hidrógeno, etc.) y otro gas que
se usa como fuente de carbono (tal como acetileno, etileno, etanol, metano, etc.). Los
nanotubos crecen en el lado del catalizador de metal. El gas que contiene carbono se rompe
sobre la superficie de las partículas catalíticas, y el carbono es transportado a los límites de la
partícula, donde se forman los nanotubos. Este mecanismo está todavía en fase de estudio y
discusión. La DQV es una técnica muy frecuente para la producción comercial de nanotubos
de carbono. De las diferentes técnicas de obtención de nanotubos, la DQV es la única capaz
NANOTUBOS DE CARBONO 12
de lograr un crecimiento directamente sobre un sustrato determinado (figura 5).
[ (Nanotecnología-Nanociencia)]
Figura 3 Método de ablación laser
Fuente: http://www.monografias.com/trabajos93/nanotubos-de-carbono/nanotubos-de-carbono.shtml
Figura 4 Descarga por arco eléctrico
Fuente: http://www.monografias.com/trabajos93/nanotubos-de-carbono/nanotubos-de-carbono.shtml
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Figura 5 Reactor de deposición química
Fuente: http://www.monografias.com/trabajos93/nanotubos-de-carbono/nanotubos-de-carbono.shtml
APLICACIONES PARA EL NANOTUBO DE CARBONO
Una de las más interesantes aplicaciones de los nanotubos de carbono es el
almacenamiento electroquímico de energía en electrodos de supercondensadores y baterías.
Su relativamente alta área superficial puede llevar mayores capacidades de almacenamiento
de carga que los condensadores y baterías estándar. [ (Sandoval)]
Supercondensadores
Un supercondensador consiste, esencialmente, en dos electrodos de carbono separados
por una membrana permeable de iones sumergidos en un electrolito. La función de un
supercondensador se mide en términos de la potencia y de la densidad de energía
almacenada. Los SWNTs tienen la mayor relación superficie/volumen de cualquier material
de carbono, de forma que sus átomos son los que forman la superficie del electrodo.
Actualmente, los supercondensadores son fabricados con carbón activado, que es
extremadamente poroso y con una gran área superficial. En esta clase de carbón obtenido,
los poros son irregulares en tamaño y forma, reduciendo, de esta manera, la eficiencia. En
cambio, los CNTs alineados verticalmente en el supercondensador poseen formas muy
NANOTUBOS DE CARBONO 14
regulares y un ancho del orden de varios diámetros atómicos a la vez que presentan una
menor resistencia, lo que incrementa su densidad de energía.
Los supercondensadores mejorados con nanotubos (tanto de pared simple o múltiple)
combinan la larga durabilidad y alta potencia de los supercondensadores comerciales con la
mayor densidad de almacenamiento propia de las baterías químicas. Por tanto, pueden ser
utilizados en muchas aplicaciones de almacenamiento de energía. [ (aplicaciones-de-los-
nanotubos-de-carbono)]
Almacenamiento de hidrógeno
La gran superficie y estructura tubular de los CNTs hace que puedan ser útiles para el
almacenamiento de hidrógeno. El hidrógeno se añade a los nanotubos por quimisorcion,
puesto que los enlaces de los carbonos que forman el nanotubo ofrecen capacidad hasta su
saturación incorporando hidrógenos. En el espectro de absorción se puede apreciar un pico
correspondiente al carbono no hidrogenado, que aparece a mayor energía, y otro pico debido
al carbono hidrogenado de menor energía. La proporción entre los dos picos indica la
cantidad de hidrógeno absorbido, próximo al requerido para ser aceptado como un dispositivo
de almacenamiento de hidrógeno en vehículos. [ (aplicaciones-de-los-nanotubos-de-carbono)]
Celdas solares
Gracias a las singulares propiedades eléctricas de los nanotubos se cree que puedan
resultar eficaces en la conversión de energía solar en eléctrica. El primer paso para construir
una célula solar es ensamblar nanotubos de carbono sobre un sustrato que haría las veces de
electrodo, formando una fina capa. Los nanotubos obtenidos comercialmente
se solubilizan en una suspensión que se transfiere a una célula de electroforesis con dos
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electrodos ópticos transparentes paralelos (OTEs). Al aplicar un voltaje de corriente
continua, los nanotubos en suspensión se mueven hacia el electrodo positivo. Manteniendo
este voltaje durante un cierto tiempo, se consigue la deposición de una capa de SWNT sobre
la superficie del electrodo. Se puede modificar la forma de la capa. Por ejemplo, si se
prolonga el tiempo de la electroforesis se aumenta el grosor de la capa, o si se aplican campos
superiores a 100 V/m, se obtiene un alineamiento de los nanotubos perpendicular a la
superficie del electrodo. [ (aplicaciones-de-los-nanotubos-de-carbono)]
Electrónica
De entre las múltiples aplicaciones de los nanotubos de carbono, quizá las más interesantes se
encuentren en el dominio de la electrónica, ya que éstos pueden desempeñar el mismo papel
que el silicio en los dispositivos electrónicos pero a escala molecular, donde los
semiconductores dejan de funcionar.
Además, debido a que los avances en la industria electrónica se basan en la
miniaturización de los dispositivos, que conlleva un aumento en el rendimiento de la
velocidad de proceso y la densidad de los circuitos, será necesario utilizar nanotubos de
carbono en su fabricación. Los nanotubos de carbono pueden ser utilizados para fabricar
múltiples dispositivos entre los que destacan los transistores y las memorias informáticas.
Se pueden utilizar dos procedimientos para el uso de los nanotubos en las células solares,
bien excitar directamente los nanotubos semiconductores, o bien usarlos como conductos
para mejorar el transporte de carga en los colectores de luz nanoensamblados.
En el primer caso, se está investigando con los SWCNTs semiconductores, cuyas
propiedades eléctricas han sido detalladas anteriormente. Estudios recientes han confirmado
que los nanotubos poseen una estructura de bandas que permite la formación de pares
electrón-hueco y su posterior separación por excitación de la luz.
NANOTUBOS DE CARBONO 16
Otro procedimiento que está en desarrollo es la utilización de los nanotubos como anclajes
para colectores de luz nano ensamblados otorgando una vía para la captura de las cargas
fotogeneradas y su transporte hasta la superficie del electrodo. [ (aplicaciones-de-los-
nanotubos-de-carbono)]]
Transistores
En el terreno de los transistores, se pueden introducir SWNTs semiconductores entre dos
electrodos (fuente y drenador) en transistores de efecto de campo (FET), llamados CNTFET,
para crear una “autopista” para la circulación de electrones. Esa corriente puede activarse, o
desactivarse, aplicando un pequeño voltaje a la puerta, que hace que cambie la conductividad
del nanotubo en un factor mayor de 106, comparable a los FET de silicio. Como resultado,
los CNTFET conmutarían sin errar y consumiendo menos energía que un dispositivo de
silicio. Además, las velocidades de conmutación pueden llegar a los terahertz, lo que supone
conmutar 104 veces más rápido que en los procesadores actuales. [ (aplicaciones-de-los-
nanotubos-de-carbono)]
Memorias
Otros dispositivos que podrían experimentar grandes avances con la introducción de
nanotubos de carbono en su construcción es, sin duda, la memoria de acceso aleatorio
(RAM). Teniendo en cuenta que las características de una memoria ideal de este tipo serían
una gran capacidad de almacenamiento, un acceso a los datos rápido y aleatorio, un escaso
consumo energético, un precio bajo por bit almacenado, una fácil integración en la tecnología
de circuitos integrados y, a ser posible, la no volatilidad de los datos después de apagar el
ordenador, se han intentado diseñar memorias en cuyo funcionamiento juegan un papel
esencial los nanotubos de carbono. Cabe destacar que los nanotubos de carbono se pueden
NANOTUBOS DE CARBONO 17
utilizar para mejorar otros dispositivos como las interconexiones o los circuitos integrados.
[ (aplicaciones-de-los-nanotubos-de-carbono)]
Otras aplicaciones industriales
Al agregar pequeñas cantidades de nanotubos a polímeros, cambian sus propiedades
eléctricas y esto da lugar a las primeras aplicaciones industriales:
Automóviles: Mangueras antiestáticas de combustible
Automóviles: Partes plásticas conductoras para pintado spray electrostático
Aeroespacio: Partes de aviones
Packaging: Antiestático para electrónicos
Tintas conductoras
Materiales extremadamente negros: La sustancia más oscura conocida, hasta la fecha,
se ha creado a partir de nanotubos de carbono. El material se fabricó una matriz de
nanotubos de carbono de baja densidad, dispuestos de forma vertical. El índice de
reflexión del material es tres veces menor de lo que se había logrado hasta ahora. Este
"bosque" de nanotubos de carbono es muy bueno a la hora de absorber la luz, pero muy
malo para reflejarla. [ (aplicaciones-de-los-nanotubos-de-carbono)]
Como adsorbentes
Los nanotubos de carbono poseen una elevada área superficial, su estructura porosa y en
capas es ideal para almacenar diversos elementos y sustancias químicas.
En estudios recientes los nanotubos han sido adsorbentes de: nicotina y alquitrán del humo
de los cigarrillos, tintas reactivas, compuestos orgánicos volátiles (n-pentano, n-hexano, n-
heptano, n-octano, n-ciclohexano, benceno, tricloroetileno), microcistinas, iones metálicos
divalentes y Trihalometanos del agua (CHCl3, CHBrCl2, CHBr2Cl y CHBr3).
NANOTUBOS DE CARBONO 18
En los estudios, los nanotubos han mostrado gran potencial en la adsorción, sus futuras
aplicaciones se proyectan en el cuidado del medio ambiente; en la remoción de iones tóxicos
de las aguas residuales de procesos industriales.
Para mejorar la eficiencia de adsorción, los nanotubos se someten a una previa oxidación.
La oxidación se ha hecho con soluciones de varios agentes químicos como: KMnO 4,
HNO3, NaOCl, HCl, H2SO4, O3 o H2O2; éstas aumentan el número de grupos funcionales que
contienen oxígeno (C=O, COOH, OH) y elevan la carga negativa superficial. Los átomos de
oxígeno incrementan la capacidad de intercambio iónico. [ (aplicaciones-de-los-nanotubos-
de-carbono)]
NANOTUBOS DE CARBONO 19
ÍNDICE DE MATERIAL
ÍNDICE DE MATERIAL PARA UNA BARRA, RÍGIDA Y LIGERA
Requerimientos científico-tecnológicos de diseño para una barra ligera.
Barra sometida a esfuerzos en flexión.
Debe soportar una carga F en flexión deformándose menos de un cierto valor.
Se debe minimizar la masa.
La rigidez (RI) de una barra de sección cuadrada cargada en flexión es:
RI=C1E A
2
12 I 3 (ecuación
1.6)
donde E es el módulo de Young y C1 es una constante que depende de la distribución de la
carga a lo largo de la barra. En la ecuación previa la rigidez RI y la longitud l son fijas por lo
que el único parámetro libre es la sección A. Una de las ligaduras impone que F/δ sea mayor
que la rigidez de la barra. Se tiene por tanto una de las ligaduras impone que F/δ sea mayor
que la rigidez de la barra (figura 6)[ (Diseño y Selección de Materiales)] . Se tiene por tanto.
Fδ≥C1 E A
2
12 I 3 (ecuación
1.7)
Por otra parte la masa de la barra es:
m=ρAI (ecuación 1.8)
NANOTUBOS DE CARBONO 20
Despejando de esta última ecuación el parámetro libre A y sustituyéndolo en la ecuación
previa se obtiene:
m≥(12 RIC1 I
)I 3( ρ
E12
) (ecuación 1.9)
donde se han agrupado por una parte los términos que dependen de los requerimientos de la
aplicación (RI, l, C1) y por otra aquellos propios del material (ρ y E). Es obvio que los
mejores materiales para una barra rígida y ligera son aquellos con cociente E12
ρ que será el
índice de material (M) para esta aplicación:
M=E
12
ρ (ecuación 1.10)
ya que de este modo se minimiza la masa del sistema, asegurando a su vez una rigidez mayor
que la que específica el diseño(Tabla 2) [ (Diseño y Selección de Materiales)].
Materiales Puntos Fuertes Debilidades
Metales Rigidez (E≈100 GPa) Ductilidad ⇒ Moldeabilidad Tenacidad (KIC>50 MPa m1/2) Elevado punto de fusión (Tm≈1000ºC) Elevada resistencia al choque térmico
(ΔT≈500ºC) Elevadas conductividades eléctricas y
térmicas.
Se deforman plásticamente(σf≈ 1MPa) ⇒Aleaciones
Baja dureza (H≈ 3σf) ⇒ Aleaciones
Baja resistencia a la fatiga (σe≈ 1/2σf)
Elevada resistencia a la corrosión⇒ recubrimientos.
Cerámicas Rigidez (E≈200 GPa) Elevada resistencia a la fluencia y
duras(σf≈ 3GPa) Elevado punto de fusión (Tm≈2000ºC) Densidad moderada Resistencia a la corrosión
Muy baja tenacidad (KIC≈2 MPa m1/2)
Baja resistencia al choque térmico (ΔT≈200ºC)
Dificultad de moldeo⇒ métodos de polvo
NANOTUBOS DE CARBONO 21
Polímeros Ductilidad y moldeabilidad Resistencia a la corrosión Baja densidad Bajas conductividades eléctricas y
térmicas
Baja rigidez (E≈2 GPa) Elevada Fluencia (σf≈ 2-
100 MPa) Baja temperatura de
transición vítrea (Tg≈100ºC) ⇒ fluyen a baja temperatura
Tenacidad media (KIC≈1 MPa m1/2)
Materialescompuestos
Rigidez (E>50 GPa) Resistencia mecánica (σf≈ 200 MPa) Tenacidad (KIC>50 MPa m1/2) Resistencia a la fatiga Resistencia a la corrosión Baja densidad
Dificultad de moldeo Elevado costo Elevada fluencia (matrices
poliméricas)
Tabla 2 Índice de material
Índice de material para un aislante térmico de bajo costo
Requerimientos científico-tecnológicos y económicos de diseño para un aislante térmico
barato
Material aislante con forma de paralelepípedo de sección A y espesor h. Se debe
lograr que el flujo de calor Q a través del material sea inferior a un valor determinado
Qcri (figura 7).
Se supone que la sección del material A está especificada.
Régimen estacionario.
Se debe minimizar el costo.
El costo del aislante térmico vendrá dado por la ecuación:
Figura 6 Barra
NANOTUBOS DE CARBONO 22
C=AhCm ρ
donde Cm es el costo por unidad de masa del material procesado en forma de paralelepípedo,
A es la sección, h el espesor y ρ la densidad. El flujo de calor a través del material Q se
puede obtener a partir de la ley de Fourier.
Q=− λT 2−T 1
h
que ha de establecerse para condiciones que no superen el valor crítico Q≤Qcri Despejando el
parámetro libre h y sustituyendo en C se obtiene:
C≥(T 2−T 1
Qcri)A( λCm ρ)
por lo que para minimizar el costo del material se deberá maximizar el índice M de material:
M= 1λCm ρ
Figura 7 Material para aislamiento térmico
REQUERIMIENTOS INDICEBarra, Mínimo peso, rigidez especificada E
12
ρBarra, peso mínimo, resistencia especificada σ y
23
ρ
NANOTUBOS DE CARBONO 23
Barra, costo mínimo, rigidez especificada E
12
Cm ρBarra, costo mínimo, resistencia especificada σ f
23
Cm ρColumna, costo mínimo, resistencia al pandeo especificada.
E12
Cm¿ρ¿
Aislamiento térmico, costo mínimo, flujo de calor especificado.
1λCmρ
Tabla 3Índices de materiales
ρ densidad, E módulo de Young, σf esfuerzo de fluencia, Cm costo por kilogramo, λ conductividad térmica, Combinación de propiedades de los materiales en la función[ (Diseñoy Selección de Materiales)].
Objetivo Figura RestriccionesRigidez Resistencia
Minimizar la masa Eρ
σ yρ
Barra, Mínimo peso, rigidez especificada, resistencia especificada
E12
ρσ y
23
ρ
Barra, costo mínimo, rigidez especificada, rigidez especificada.
E12
Cm∗ρσ y
23
Cm∗ρ
Panel, Mínimo peso, rigidez especificada, resistencia especificada
E13
ρσ y
12
ρ
Aislamiento térmico, costo mínimo, flujo de calor especificado.
1γ∗Cm∗ρ
Tabla 4 Rigidez y resistencia
Donde:
ρ: densidad
E: módulo de Young
NANOTUBOS DE CARBONO 24
σy: esfuerzo de fluencia
Cm: costo por kilogramo
γ : conductividad térmico
Conclusiones
Los nanotubos se han convertido se podría decir una herramienta muy destacada
debido a que tiene un sin número de aplicaciones debido a sus buenas propiedades
mecánicas, electrónicas sin destacar su aplicaciones enceldas solares también.
Los nanotubos se dividen en dos tipos en nanotubos de capa simple y nanotubos de
capas múltiples.
Los nanotubos se pueden aplicaciar a grandes cargas debido a su gran elasticidad.
NANOTUBOS DE CARBONO 25
Bibliografía[1]
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NANOTUBOS DE CARBONO 26
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