ciencia de materialesde+lab... · universidad popular autÓnoma del estado de puebla manual de...

33
U NIVERSIDAD P OPULAR A UTÓNOMA DEL E STADO DE P UEBLA MANUAL DE L ABORATORIO Ciencia de Materiales Autor: M.C. J.J. REYES-SALGADO 13 de abril de 2013

Upload: nguyenngoc

Post on 15-May-2018

226 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

UNIVERSIDAD POPULAR AUTÓNOMA DEL ESTADO DEPUEBLA

MANUAL DE LABORATORIO

Ciencia de Materiales

Autor:M.C. J.J. REYES-SALGADO

13 de abril de 2013

I

PRESENTACIÓN

El presente manual es una aportación a la Academia de Física del departamento de Ingeniería, elcual tiene la finalidad de motivar, orientar y encausar al estudiante en la comprensión y la aplicaciónde las practicas.

El manual de Laboratorio de Ciencias de Materiales tiene como objetivo ser un instrumento prác-tico al proceso de aprendizaje, reafirmando los conocimientos planteados en el aula y que el alumnosea capaz de ver la utilidad practica de los mismo.

Para el uso de las instalaciones del laboratorio es importante atender a las normas de seguridad ehigiene indicadas para cada practica.

De forma general, el manual está orientado al manejo de polímeros y de materiales compuestoscon matriz de polímero (PMC), así como a la medición de sus propiedades mecánicas y eléctricas.

Se entregarán 5 practicas con el formato mostrado en el apéndice A, en el siguiente orden:

Primera entrega Practica 1 y 2Segunda entrega Practica 3,4 y 5Tercera entrega Practica 6 y 7Cuarta entrega Practica 8Quinta entrega Practica 9

Para el correcto uso de este manual, hay que considerar que en cada una de las practicas se planteauna sección de conocimientos previos y de preguntas, estas servirán como guía de la información quedebe ser investigada para la realización de la practica.

Para finalizar el curso se realizará una presentación mural con las características mostradas en elapéndice B.

II

Índice general

1. Moldes para vaciado 11.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Conocimientos previos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3. Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4. Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5. Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2. Vaciado de resina cristal 32.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2. Conocimientos previos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.3. Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.4. Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.5. Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.6. Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3. Producción de compósitos de carbón 53.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2. Conocimientos previos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.3. Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.4. Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.5. Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.6. Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4. Producción de compósitos de azufre 74.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74.2. Conocimientos previos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74.3. Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74.4. Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74.5. Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84.6. Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

5. Producción de compósitos de hierro 95.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95.2. Conocimientos previos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95.3. Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95.4. Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95.5. Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105.6. Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

6. Producción de muestras con electrodos 116.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116.2. Conocimientos previos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116.3. Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116.4. Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

III

IV ÍNDICE GENERAL

6.5. Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126.6. Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

7. Medición de la resistividad eléctrica en compósitos 137.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137.2. Conocimientos previos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137.3. Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137.4. Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137.5. Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137.6. Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

8. Medición de las propiedades mecánicas en compósitos 158.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158.2. Conocimientos previos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158.3. Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158.4. Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158.5. Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158.6. Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

9. Manejo de microscopio metalográfico 179.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179.2. Conocimientos previos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179.3. Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179.4. Equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179.5. Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179.6. Cuestionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

A. Practica de laboratorio 19A.1. Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19A.2. Formato de la practica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19A.3. Practica muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

B. Presentación mural 25B.1. Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25B.2. Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25B.3. Formato del póster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25B.4. Póster muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Practica 1

Moldes para vaciado

1.1. Objetivos

Introducir al alumno en los procesos de vaciado de plásticos.

Aprender a elegir correctamente los materiales para emplearse como moldes.

1.2. Conocimientos previos

¿Cómo es el proceso de manufactura de los plásticos?

¿Cuáles son los diferentes tipos de plásticos que podemos emplear?

¿Cómo elegir el material más adecuado para nuestros moldes?

¿Cuáles son las características que tenemos que conocer al elegir un plástico?

1.3. Material

1 Tubo de PVC de 34 pulgadas de espesor.

3 Tapones para tubo de PVC de 34 pulgadas.

1 hoja de madera de 18cm x 8cm y un espesor de 4cm.

Agua.

1.4. Actividades

1. Cortar el tubo de PVC en trozos de 20cm.

2. Colocar los tapones a cada uno de los tubos.

3. Realizar 3 perforaciones en la madera del espesor de los tapones con una separación de 3cmentre ellos.

4. Colocar los tubos en cada una de las separaciones para que sostengan en posición vertical.

5. Listos los moldes se rellenan con agua para verificar que no existan fugas.

1

2 PRACTICA 1. MOLDES PARA VACIADO

Figura 1.1: Diagrama de las perforaciones de la base de madera.

1.5. Cuestionario

1. ¿Por qué emplear tubos de PVC como moldes?

2. ¿Cuál es el volumen de los moldes que estamos empleando?

3. ¿Qué otros materiales podrían servirnos para usarlos como moldes?

Practica 2

Vaciado de resina cristal

2.1. Objetivos

Enseñar al alumno acerca de la manufactura de polímeros.

Mostrar las precauciones y el correcto uso de las resinas.

2.2. Conocimientos previos

¿Qué es la catálisis?

¿Cuáles son los procesos químicos y físicos que intervienen durante la solidificación de las resi-nas?

¿Cuáles son las precauciones a considerar al estar trabajando con resinas?

2.3. Material

3 moldes manufacturados en la practica 1.

Resina cristal.

Catalizador K-2000.

Vaso medidor de plástico graduado de 100 ml.

Agitador.

Guantes de latex.

Mascarilla de pintores.

2.4. Equipo

Campana de extracción del laboratorio.

3

4 PRACTICA 2. VACIADO DE RESINA CRISTAL

2.5. Actividades

1. Colocar los equipos de seguridad (guantes y mascarilla).

2. En el vaso medidor verter 60ml de resina y 20 gotas de catalizador K-2000.

3. Mezclarlos hasta que se pueda apreciar sólo una fase.

4. Vaciar la resina en uno de los moldes.

5. Esperar el tiempo adecuado de curado aproximadamente 2 horas y luego sacar la piezas de losmoldes.

2.6. Cuestionario

1. ¿Cuáles son los usos que se le dan a la resina cristal?

2. ¿Qué usos diferentes podría darle a esta resina?

3. ¿Qué tipo de piezas podría manufacturar con esta resina?

4. ¿Cuáles son las características físicas y químicas de la resina cristal?

5. ¿Cuáles son las normas de seguridad de la resina cristal?

Practica 3

Producción de compósitos de carbón

3.1. Objetivos

Enseñar al alumno acerca de la manufactura de compósitos en una matriz de resina.

Observar como las propiedades de un material pueden ser alteradas al mezclarse con otros ele-mentos.

3.2. Conocimientos previos

¿Qué es un compósito?

¿Cuáles son las propiedades físicas de la resina?

¿Cuál es la densidad de la resina cristal?

¿Cuáles son los propiedades físicas del carbono?

¿Cómo afecta la formación de un compósito a las propiedades físicas del nuevo material?

3.3. Material

3 moldes manufacturados en la practica 1.

Resina cristal.

Catalizador K-2000.

7.92gr de Carbón molido finamente.

Vaso medidor de plástico graduado de 100 ml.

Agitador.

Guantes de latex.

Mascarilla de pintores.

3.4. Equipo

Campana de extracción del laboratorio.

Balanza.

5

6 PRACTICA 3. PRODUCCIÓN DE COMPÓSITOS DE CARBÓN

3.5. Actividades

1. Colocar los equipos de seguridad (guantes y mascarilla).

2. En el vaso medidor verter 60ml de resina y 20 gotas de catalizador K-2000.

3. Agregar el peso correspondiente de carbono de la muestra.Porcentaje Peso

2 % 1.32gr4 % 2.64gr6 % 3.96gr

4. Mezclarlos hasta que se pueda apreciar sólo una fase.

5. Vaciar la resina en uno de los moldes.

6. Repetir el proceso con los siguientes porcentajes.

7. Esperar el tiempo adecuado de curado aproximadamente 2 horas y luego sacar la piezas de losmoldes.

3.6. Cuestionario

1. ¿Cuáles son los propiedades físicas que se espera para el compósito producido?

2. Cambiar el porcentaje de carbono ¿Afectará drásticamente al material final?

Practica 4

Producción de compósitos de azufre

4.1. Objetivos

Enseñar al alumno acerca de la manufactura de compósitos en una matriz de resina.

Observar como las propiedades de un material pueden ser alteradas al mezclarse con otros ele-mentos.

4.2. Conocimientos previos

¿Qué es un compósito?

¿Cuáles son las propiedades físicas de la resina?

¿Cuál es la densidad de la resina cristal?

¿Cuáles son los propiedades físicas de azufre?

¿Cómo afecta la formación de un compósito a las propiedades físicas del nuevo material?

4.3. Material

3 moldes manufacturados en la practica 1.

Resina cristal.

Catalizador K-2000.

7.92gr de Azufre.

Vaso medidor de plástico graduado de 100 ml.

Agitador.

Guantes de latex.

Mascarilla de pintores.

4.4. Equipo

Campana de extracción del laboratorio.

Balanza.

7

8 PRACTICA 4. PRODUCCIÓN DE COMPÓSITOS DE AZUFRE

4.5. Actividades

1. Colocar los equipos de seguridad (guantes y mascarilla).

2. En el vaso medidor verter 60ml de resina y 20 gotas de catalizador K-2000.

3. Agregar el peso correspondiente de azufre de la muestra.Porcentaje Peso

2 % 1.32gr4 % 2.64gr6 % 3.96gr

4. Mezclarlos hasta que se pueda apreciar sólo una fase.

5. Vaciar la resina en uno de los moldes.

6. Repetir el proceso con los siguientes porcentajes.

7. Esperar el tiempo adecuado de curado aproximadamente 2 horas y luego sacar la piezas de losmoldes.

4.6. Cuestionario

1. ¿Cuáles son los propiedades físicas que se espera para el compósito producido?

2. Cambiar el porcentaje de carbono ¿Afectará drásticamente al material final?

Practica 5

Producción de compósitos de hierro

5.1. Objetivos

Enseñar al alumno acerca de la manufactura de compósitos en una matriz de resina.

Observar como las propiedades de un material pueden ser alteradas al mezclarse con otros ele-mentos.

5.2. Conocimientos previos

¿Qué es un compósito?

¿Cuáles son las propiedades físicas de la resina?

¿Cuál es la densidad de la resina cristal?

¿Cuáles son los propiedades físicas del hierro?

¿Cómo afecta la formación de un compósito a las propiedades físicas del nuevo material?

5.3. Material

3 moldes manufacturados en la practica 1.

Resina cristal.

Catalizador K-2000.

7.92gr de limaduras finas de Hierro.

Vaso medidor de plástico graduado de 100 ml.

Agitador.

Guantes de latex.

Mascarilla de pintores.

5.4. Equipo

Campana de extracción del laboratorio.

Balanza.

9

10 PRACTICA 5. PRODUCCIÓN DE COMPÓSITOS DE HIERRO

5.5. Actividades

1. Colocar los equipos de seguridad (guantes y mascarilla).

2. En el vaso medidor verter 60ml de resina y 20 gotas de catalizador K-2000.

3. Agregar el peso correspondiente de limaduras de hierro de la muestra.Porcentaje Peso

2 % 1.32gr4 % 2.64gr6 % 3.96gr

4. Mezclarlos hasta que se pueda apreciar sólo una fase.

5. Vaciar la resina en uno de los moldes.

6. Repetir el proceso con los siguientes porcentajes.

7. Esperar el tiempo adecuado de curado aproximadamente 2 horas y luego sacar la piezas de losmoldes.

5.6. Cuestionario

1. ¿Cuáles son los propiedades físicas que se espera para el compósito producido?

2. Cambiar el porcentaje de carbono ¿Afectará drásticamente al material final?

Practica 6

Producción de muestras con electrodos

6.1. Objetivos

Enseñar al alumno sobre la producción de muestras para estudios de propiedades eléctricas.

Observar como un compósito cambia sus propiedades eléctricas.

6.2. Conocimientos previos

¿Qué es la resistividad eléctrica?

¿Cómo producir muestras para medir esta propiedad?

¿Cómo es afectada esta propiedad en compósitos?

6.3. Material

4 moldes planos de 4cm x 8cm x 2cm.

Resina cristal.

Catalizador K-2000.

Limaduras finas de Hierro.

Azufre.

Carbono.

1 m de cable de cobre calibre 10.

Papel lija.

Vaso medidor de plástico graduado de 100 ml.

Agitador.

Guantes de latex.

Mascarilla de pintores.

8 palos de paleta.

Plastilina.

11

12 PRACTICA 6. PRODUCCIÓN DE MUESTRAS CON ELECTRODOS

6.4. Equipo

Campana de extracción del laboratorio.

Balanza.

6.5. Actividades

1. Colocar los equipos de seguridad (guantes y mascarilla).

2. En el vaso medidor verter 60ml de resina y 20 gotas de catalizador K-2000.

3. Vaciarlo en el primer molde.

4. Cortar dos cables de 10 cm de largo y lijarlos en los extremos.

5. Sujetar cada uno de los cables con los palos empleando la plastilina, para que puedan dejar fijoslos electrodos en los extremos longitudinales del molde sin que éstos toquen el fondo.

6. Repetir los pasos pero ahora agregando el 2 % de limadura, el 2 % de azufre y el 2 % de carbonoen los diferentes moldes y colocándoles a cada uno un par de electrodos.

7. Esperar el tiempo adecuado de curado aproximadamente 2 horas y luego sacar la piezas de losmoldes.

6.6. Cuestionario

1. ¿Cuáles son los cambios en la resistividad que se espera para los compósitos producidos?

2. ¿Cómo podría medir las resistividad del material?

Practica 7

Medición de la resistividad eléctrica encompósitos

7.1. Objetivos

Enseñar al alumno sobre la medición de propiedades eléctricas.

Observar como un compósito cambia su resistividad eléctrica.

7.2. Conocimientos previos

¿Cómo se mide la resistividad eléctrica?

¿Cómo es afectada esta propiedad al usar diferentes elementos en los compósitos?

7.3. Material

4 muestras con electrodos.

Regla.

2 caimanes para mediciones eléctricas.

7.4. Equipo

Multímetro.

7.5. Actividades

1. Usar la muestra de sólo resina colocando un caiman en cada electrodo y en los otros extremossujetar a las terminal positiva y negativa del multímetro.

2. En el multímetro seleccionar la opción de resistencia.

3. Tomar 20 mediciones y realizar un promedio.

4. Repetir los pasos con las muestras restantes.

13

14 PRACTICA 7. MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD ELÉCTRICA EN COMPÓSITOS

7.6. Cuestionario

1. ¿Cuál de las muestras presenta una mayor resistividad?

2. ¿Cómo podríamos clasificar estas muestras en función a sus propiedades eléctricas?

Practica 8

Medición de las propiedadesmecánicas en compósitos

8.1. Objetivos

Enseñar al alumno sobre la medición de propiedades mecánicas.

Observar como un compósito cambia sus propiedades mecánicas.

8.2. Conocimientos previos

¿Cuáles son las propiedades mecánicas que nos interesan estudiar?

¿Cómo es afectada esta propiedad al usar diferentes elementos en los compósitos?

¿Cómo se usan la maquina universal y la de esfuerzos superficiales?

8.3. Material

4 muestras con electrodos.

10 muestras cilíndricas realizadas en las practicas anteriores.

8.4. Equipo

Maquina Universal LR10K Plus Lloyd Instruments.

Regla.

Maquina de esfuerzos superficiales Wizhard.

8.5. Actividades

1. Medir el tamaño de las muestras cilíndricas.

2. Sujetar una de las muestras con las mordazas de la maquina universal por ambos extremos.

3. Empleando el software de la maquina se realizará la prueba de ensayo de tracción.

4. Se vuelve a medir el tamaño de la muestra.

15

16 PRACTICA 8. MEDICIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS EN COMPÓSITOS

5. Se repite el proceso con las muestras cilíndricas restantes.

6. Se coloca la punta apropiada en la maquina de esfuerzos, luego se colocan las muestras planasy se realizan las pruebas.

8.6. Cuestionario

1. Con los datos obtenidos. ¿Qué propiedades mecánicas podemos calcular?

2. ¿Cuál de las muestras es más resistente a los esfuerzos?

3. ¿Cómo podríamos clasificar estas muestras en función a sus propiedades mecánicas?

Practica 9

Manejo de microscopio metalográfico

9.1. Objetivos

Enseñar al alumno sobre el correcto uso del microscopio metalográfico.

9.2. Conocimientos previos

¿Cuáles son las características principales de un microscopio metalográfico?

¿Cómo es debe preparar una muestra para ser vista en el microscopio?

9.3. Material

10 muestras cilíndricas realizadas en las practicas anteriores.

Segueta y prensa.

Papel lija de diferentes numeración.

Cera pulidora.

Cera abrillantadora.

9.4. Equipo

Microscopio metalográfico.

9.5. Actividades

1. Cortar cada uno de las muestras con un espesor de 0.5cm.

2. Lijar las muestras por ambas caras con todas las lijas yendo de menor número a mayor.

3. Por ambos lados aplicar cera pulidora y abrillantador con una hoja de papel.

4. Colocar las muestras en el microscopio.

17

18 PRACTICA 9. MANEJO DE MICROSCOPIO METALOGRÁFICO

9.6. Cuestionario

1. Con los datos obtenidos. ¿Qué propiedades mecánicas podemos calcular?

2. ¿Cuál de las muestras es más resistente a los esfuerzos?

3. ¿Cómo podríamos clasificar estas muestras en función a sus propiedades mecánicas?

Apéndice A

Practica de laboratorio

A.1. Objetivo

El objetivo fundamental de los trabajos prácticos es fomentar una enseñanza más activa, partici-pativa e individualizada, donde se impulse el método científico y el espíritu crítico. De este modo sefavorece que el alumno: desarrolle habilidades, aprenda técnicas elementales y se familiarice con elmanejo de instrumentos y aparatos.

La realización de trabajos prácticos permite poner en crisis el pensamiento espontáneo del alumno,al aumentar la motivación y la comprensión respecto de los conceptos y procedimientos científicos.Esta organización permite la posibilidad de relacionarse continuamente entre ellos, y con el profesor.

A.2. Formato de la practica

El formato que se empleará para las practicas será el siguiente:

1. Título: Debe incluir el nombre de la practica y el nombre de cada uno de los integrantes.

2. Resumen: Esta parte permite capturar la atención del lector, mostrando en un sólo párrafo deforma preciosa el contenido más importante de la practica.

3. Introducción: Se plantea la importancia y la justificación de la realización de la practica.

4. Marco teórico: Se describen todos los principios físicos y químicos que fueron empleados en lapractica.

5. Arreglo experimental: En esta sección se describe de manera detallada la fabricación de muestrasy el manejo de los instrumentos.

6. Resultados: Esta es la parte más importante donde se plantea todo el análisis de los datos obte-nidos, apoyados por el marco teórico.

7. Conclusiones: Aquí se trata del análisis de los resultados obtenidos a la luz de los comportamien-tos o valores esperados teóricamente. Específicamente la discusión y las conclusiones se hacencon base en la comparación entre los resultados obtenidos, exponiendo las causas de las diferen-cias y el posible origen de los errores. Si hay gráficos, debe hacerse un análisis de regresión paraencontrar una ecuación que muestre cuál es la relación entre las variables del gráfico.

8. Bibliografía: Exponer todas las referencias utilizadas empleando el formato APA.

A.3. Practica muestra

A continuación se muestra el ejemplo de una practica de laboratorio.

19

Estudio de las oscilaciones en la señal fotoacústica obtenidade reflexiones múltiples en películas delgadas de silicio

poroso.∗

J.J. Reyes-Salgado†, E. López-Cruz, A. Méndez-BlasInstituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas”, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, 72570, Puebla, Pue., México.

E-mail: [email protected]

Resumen

Empleando la espectroscopia fotoacústica se midieron 3 muestras de silicio poroso con la misma porosidady diferente espesor. En los espectros fotoacústicos, se observaron oscilaciones que fueron asociadas a reflexionesmúltiples que se presentan en una película delgada. Estas oscilaciones son observadas en espectros de transmisiónóptica y emplean el método de Swanepoal para determinar el espesor de las películas, al utilizarlo en los espectrosfotoacústicos fue posible determinar el valor del espesor de las películas de silicio poroso y al compararlo con elespesor estimado resultó en una buena concordancia.

1. IntroducciónLa espectroscopia fotoacústica (EFA) es la rama de

la física que estudia la generación de ondas acústicasu otros efectos termoelásticos por cualquier tipo deradiación electromagnética [1].

El efecto fotoacústico se manifiesta cuando un hazde luz modulado incide sobre un material, dicho ma-terial absorbe los fotones del haz y los convierte encalor por procesos no radiativos. Debido al intercam-bio térmico entre el material y el aire se experimentaun cambio en la presión, y se produce una onda acús-tica con la misma frecuencia con la que se modula elhaz.

Existen muchos materiales interesantes para estu-diar con esta técnica, dentro de ellos están los sóli-dos conformados por diferentes componentes comolos compositos y en particular los materiales porosos.Estos últimos resultan de especial interés porque lanaturaleza de sus componentes es totalmente diferen-te al tratarse de una fase sólida y otra fluida. De entretoda la gama de materiales porosos, destaca el sili-cio poroso (SP) por la versatilidad de su crecimientoy porque tiene la posibilidad de contar con un grannúmero de tamaños de poros.

El SP tradicionalmente se determina por gravime-tría dos parámetros básicos: porosidad (o fracción dehuecos) y velocidad de ataque asociado al espesor lo-grado en determinado tiempo de crecimiento.

Empleando la EFA se caracterizaron muestras deSP con diferente espesor y la misma porosidad. El SPse obtuvo mediante un ataque electroquímico sobreuna oblea de Silicio (Si), el ataque creó huecos en elSi en la dirección definida por la orientación de la red,lo que da como resultado una muestra consistente en:una película delgada de SP y el sustrato de Si. La pe-

lícula delgada formada de SP tendrá propiedades óp-ticas y térmicas diferentes a las del Si, en esto radicala importancia de poder caracterizar estos materiales.

El espectro de la intensidad fotoacústica al variarla longitud de onda es similar al espectro de absor-ción óptica, y por ello es posible analizarlo de maneraequivalente. En nuestros espectros obtenidos median-te la EFA, se aprecian oscilaciones que también sonobservados en espectros de transmisión óptica en pe-lículas delgadas, esto se debe a las reflexiones múlti-ples en la película.

Este fenómeno ha sido reportado en espectros ob-tenidos mediante técnicas ópticas, sin embargo, conla técnica fotoacústica es la primera vez que se ha re-portado dicho fenómeno.

2. Modelo TeóricoPara analizar la señal fotoacústica es necesario par-

tir del modelo de una dimensión del flujo de calor enuna celda cilíndrica [2].

-(l+lb) l

g0-l

MuestraGas Gas

Luz incidente

x

Figura 1: Modelo unidimensional del flujo de calor en una celda cilíndricafotoacústica.

En la Figura 1, se observan tres regiones: la parteanterior de donde llega el haz de luz (0 ≤ x ≤ lg), la

1

sección donde se localiza la muestra (−l ≤ x ≤ 0) yla parte posterior, en donde se encuentra el micrófono(−(l + lb) ≤ x ≤ −l).

Utilizando la ecuación de difusión térmica para ca-da una de las tres regiones tenemos:

∂2φs

∂x2=

1

αs

∂φs

∂t−Aeβx(1 + eiωt) (−l ≤ x ≤ 0) (1)

∂2φb

∂x2=

1

αb

∂φb

∂t(−l − lb ≤ x ≤ −l) (2)

∂2φg

∂x2=

1

αg

∂φg

∂t(0 ≤ x ≤ lg) (3)

Definiendo los siguientes parámetros: A = βI0η2ks

, βel coeficiente de absorción óptica (cm−1), ks conduc-tividad térmica (cal/cm sec oC) en la muestra, φs,b,g latemperatura (oC) en cada una de las regiones, ω fre-cuencia de modulación (Hz), αs,b,g difusividad tér-mica (cm2/sec) para cada una de las regiones, en estecaso αb = αg debido a que es el mismo medio (aire) yη la eficiencia con la cual la luz absorbida es converti-da en calor por proceso de desexcitación no radiativa.En general, para la mayoría de los sólidos η = 1 atemperatura ambiente.

La solución general para la región en donde se en-cuentra el micrófono (Ec. 2) es:

φb(x, t) = Weσb(x+l)+iωt (4)

Siendo σb = (1 + i)√ω/2αb. Empleando las con-

diciones de frontera y continuidad que requieren latemperatura y el flujo de calor, y considerando que latemperatura sea constante en las paredes de la celdax = lg y x = −l − lb, se resolvió la amplitud W dela ecuación 4:

W = βI02ks(β2−σ2)(

e−βl((r−1)(g−1)e−σsl−(r+1)(g+1)eσsl+2(g+r))(g+1)(b+1)eσsl−(g−1)(b−1)e−σsl

)(5)

Siendo

b =kskb

√αb

αs

g =kskg

√αg

αs

r =

√2αs

ω(1− i)β

Siendo I0 la intensidad de la luz incidente (W/cm2)y kb,g conductividad térmica (cal/cm sec oC) en el ai-re, por esa razón kb = kg. En el caso que se emplea Sicomo muestra β depende de la longitud de onda (λ),por esta razón W depende de λ.

En la Figura 2, se puede apreciar que el compor-tamiento |W/I0| para el caso del Si es similar al de

400 500 600 700 800 900 1000 1100 12000

20

40

60

80

100

120

λ (nm)

|W/Io|

1.12eV

Figura 2: Resultado teórico al evaluar la ecuación 5 para una muestra deSi.

su espectro de absorción óptica. Debido a que la señalfotoacústica depende de λ podemos observar fenóme-nos propios de la espectroscopia óptica.

Por otro lado, cuando un haz de luz de intensidad(I0) incide sobre un material su intensidad (I) se re-duce exponencialmente a medida que la luz atraviesala muestra (x), esto es expresado por la ley Lambert-Beer-Bouguer:

I = I0e−βx (6)

La relación entre la intensidad del haz sobre el ma-terial y el haz incidido es definido por I

I0. Cuando la

radiación incidente atraviesa la muestra es (1−R)I0,siendo R la reflectividad, al llegar a la interface la ra-diación es (1 − R)I0e

−βd (d es el espesor de la pelí-cula delgada), y sólo una fracción emerge (1−R)(1−R)I0e

−βd. La porción reflejada internamente experi-menta un escape eventual sufriendo una considerableatenuación [3]. El resultado final de la transmisión es-tá dado por:

T =(1−R)2e−βd

1−R2e−2βd(7)

Aprovechando esto es posible calcular el índice derefracción y el espesor de la película delgada a partirdel espectro de transmisión óptica empleando el mé-todo de Swanepoel. Cuando el espesor de la películaes uniforme, los efectos de interferencia provocadospor las reflexiones dan lugar a típicos espectros detransmitancia con sucesivos máximos y mínimos [4].

El primer paso es calcular las funciones envolven-tes de los máximos TM (λ) y de los mínimos Tm(λ)(Fig. 3). Con estas funciones es posible obtener elíndice de refracción n(λ) como:

n =

√N +

√N2 − s2 (8)

donde

2

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 11000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

λ (nm)

Tra

nsm

isió

n (u

.a)

TM

Tm

Figura 3: Ejemplo de los sucesivos máximos y mínimos en un espectro detransmisión óptica [4].

N = 2sTM − Tm

TMTm+

s2 + 1

2(9)

Siendo s el índice de refracción del sustrato. Luego,el espesor de la película puede ser obtenido del índicede refracción correspondiente a los valores extremos,n1 = n(λ1) y n2 = n(λ2) por medio de la siguienteexpresión:

d =λ1λ2

2(λ1n2 − λ2n1)(10)

3. Arreglo experimentalLas muestras de SP fueron crecidas en obleas de Si

tipo P, dopado con boro y con una orientación (100)(espesor: 500 µm), con una resistividad 0.007-0.013Ωcm, se utilizó un ataque electroquímico en una so-lución de HF (40 %)-etanol en proporción 1:1 en vo-lumen. Una espiral de Pt fue usada como electrodo alcolocarse sobre la superficie pulida de Si. Las densi-dades de corriente de anodización (J) y los tiempos(T) empleados aparece en la Tabla 1.

Muestra A B CJ (mA/cm2) 60 60 60

T (min) 1.82 7.29 18.23Porosidad estimada ( %) 60 60 60

Espesor estimado (µ) 5 20 50

Tabla 1: Densidades de corriente de anodización y tiempos empleados paracrecer las capas de SP con diferente porosidad y espesor.

La porosidad y el espesor de las muestras obtenidasse estimó por gravimetría cuyo método se describe enla referencia [5].

En el EFA se utilizó un micrófono de electreto pa-ra la medición fotoacústica y una lámpara de tungs-teno de 150 W como fuente de luz. Se seleccionó elhaz de luz con un monocromador. El haz fue modu-lado mecánicamente (chopper) y enfocado sobre la

superficie de la muestra colocada sobre el micrófono(Fig. 4) [6]. En los experimentos se midió la inten-sidad de la señal fotoacústica al variar la longitud deonda, y se empleó una frecuencia de modulación fija(ω =30Hz).

Lock-InAmplifier

PC

Lamp andMonochromator Chopper Microphone

Sample

Figura 4: Diseño del espectrómetro de fotoacústica.

El EFA promedia 70 muestreos para cada longitudde onda y tiene un error promedio del 9 % con respec-to a la media.

4. Resultados obtenidos

En la figura 5 se muestra la amplitud de la señalfotoacústica variando λ en las muestras con la mis-ma porosidad (60 %) y con diferente espesor. Se pue-de apreciar que las señales son muy similares, perola intensidad depende del espesor. Se observan dosregiones la primera entre 1100-1200nm y la segun-da 350-1000nm. El cambio del primero al segundose presenta en 1122±7nm (1.105±0.0094eV), lo quecorresponde a la banda prohibida del Si.

400 500 600 700 800 900 1000 1100 12000.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

λ (nm)

Señ

al F

otoa

cúst

ica

(u.a

)

↓↓↓↓681nm 825nm

↓↓↓↓

↑↑↑↑

784nm

↓↓↓↓

1122nm

A 5µ

B 20µ

C 50µ

Figura 5: Intensidad de la señal fotoacústica variando la longitud de ondacon diferente espesor y la misma porosidad.

Las oscilaciones que se observan se deben a las re-flexiones internas en las películas de SP, empleandoel método de Swanepoel es posible calcular el espe-sor de las películas.

3

Muestra A B CPorosidad ( %) 60 60 60

Espesor estimado (µ) 5 20 50Espesor calculado (µ) 4.74 19.09 46.75

Tabla 2: Cálculo del espesor de la capa de SP en las muestras con la mismaporosidad.

También de la Figura 5 puede apreciarse que to-das las muestras tienen 3 picos en común, localizadosen 681±7nm , 784±7nm y 825±7nm, esto puede seratribuido a que los huecos que forman la película deSP confinan cierta longitud de onda dependiendo deldiámetro de los huecos y la distancia que hay entreellos. Debido a que en el crecimiento de la películase controla el porcentaje de porosidad y no el tamañoexacto del poro, es de esperarse que haya diferenteslongitudes de onda que son atrapadas.

5. ConclusionesLa importancia de caracterizar el SP radica en que

es un material muy versátil, ya que debido a sus porosse pueden introducir ciertas impurezas para favorecersus propiedades ópticas o eléctricas, dependiendo delas aplicaciones para las que se quieran emplear [7].

En los resultados experimentales (Tabla 2), obser-vamos que existe una buena concordancia entre el va-lor calculado por el método Swanepoel y el espesorde la película delgada de SP. Permitiendo reforzar lascaracterizaciones de los crecimientos de SP sobre loscuales nos apoyamos en el laboratorio para fabricarlas muestras.

Una de las partes más interesantes del trabajo, fueque empleando la espectroscopia fotoacústica se lo-graron captar las oscilaciones propias de capa delgadaque se observan en los espectros de transmisión ópti-ca. Con ello se abre la posibilidad de determinar otrosparámetros físicos del SP como el tamaño de poro.

Agradecimientos∗ Proyecto apoyado parcialmente por CONACyT, México, proyecto CB

No. 83485, y VIEP MEBA-EXCO 8-1.† Estudiante doctoral apoyado por la Beca CONACyT, México.

Referencias[1] A.C. Tam, Rev. Mod. Phys. 53, 517, p. 381-431 (1981).

[2] A. Rosencwaig, A. Gersho, J. Appli. Phys. 47, p. 64-69 (1976).

[3] J.I. Pankove, Optical Process in Semiconductors, Dover Publications,Inc., p. 87-95 (1975).

[4] N.M. Ahmed, Z. Sauli, U. Hashim, Y. Al-Douri, Int. J. Nanoelectro-nics and Materials 2, p. 189-195 (2009).

[5] A. Halimaoui, Porous Silicon: Material Processing, Properties andApplications, Lecture 3, in : Porous Silicon, Science and Techno-logy, Winter School, Les Houches, 1994, edited by J.C. Viel andJ. Darrien (Springer-Verlay-Berlin/Heidelberg, Les Editions de Phy-sique, Les Ulis) p. 38 (1995).

[6] D.H. McQueen, J. Phys. E: Sci. Instrum. 16 p. 738-739 (1983).

[7] L. Canham, Properties of Porous Silicon, INSPEC, p. 343-350 (1997).

4

24 APÉNDICE A. PRACTICA DE LABORATORIO

Apéndice B

Presentación mural

B.1. Objetivo

El póster es la presentación gráfica del trabajo científico. Es una modalidad práctica, eficiente ymoderna de comunicación donde se deben señalar los aspectos más importantes de la investigación.La exhibición del póster permite analizar con minuciosidad el trabajo y asimismo permite conocer alautor del trabajo personalmente y discutir con él todo el tiempo necesario.

B.2. Características

1. Combina los atributos de las exhibiciones y de la presentación oral.

2. Se trasmite mejor el mensaje al hacer una imagen visual, brindando mayor flexibilidad para lasexplicaciones.

3. Debe tener referencia cotidiana, es decir, estar en un marco de conocimiento por parte del espec-tador.

4. El cartel bien diseñado debe tener poco texto y muchas ilustraciones.

5. Algunos carteles se destacan por sus atributos artísticos capaces de promover discusiones.

6. La presentación del póster ocasiona menos estrés al autor.

B.3. Formato del póster

1. El tamaño ideal oscila entre 90cm y 100cm de altura. No utilizar subtítulos, ni títulos interroga-tivos.

2. Título debe ser breve y atractivo, con no más de 15 palabras.

3. Autor(es): no más de 6. Se consignan las iniciales del nombre y los 2 apellidos de los autores. Nose incluyen los tutores, ni los asesores.

4. Institución: hospital, instituto, universidad, etc. Citar todas las dependencias donde se realizó eltrabajo, con la indicación de la ciudad, la provincia y el país en que radican.

5. Resumen: debe ser breve y asertiva.

6. Introducción: incluye el problema y los objetivos de forma breve y clara.

7. Método: ha de ser esquemático; muy breve, con figuras demostrativas o con frases cortas.

25

26 APÉNDICE B. PRESENTACIÓN MURAL

8. Resultado: ocupa la mayor parte del póster. Se puede presentar en forma de gráficos, tablas yfiguras con muy poco texto.

9. Conclusiones: deben aparecer las más importantes, breves y numeradas.

10. Puede o no citar referencias; no más de 2 ó 3.

11. En el título deben evitarse las letras muy grandes.

12. El tamaño de las letras puede tener de 0.75 a 1 cm de altura.

B.4. Póster muestra

A continuación se muestra el ejemplo de una presentación mural.

Thermal acoustic transport in volcanic ashes compositesJ.J. Reyes-Salgado, V. Dossetti-Romero, J.L. Carrillo-Estrada

Instituto de Fısica “Ing. Luis Rivera Terrazas”, Benemerita Universidad Autonoma de Puebla,72570, Puebla, Pue., Mexico.

Abstract

Thermal transport properties of volcanic ashes and magnetite composites are theoretically and experimentally investigated. Our two phases compositesare prepared with a matrix of orthophthalic resin and different volume percentage of volcanic ashes and magnetite. To measure the thermal properties,

an open cell photoacoustic technique was used. We analyze and discuss our measurements by using an effective media approximation.

Introduction

I The photoacoustic spectroscopy studies the generation of acousticwaves or other thermoelastic effects by electromagnetic radiation [1].

I The photoacoustic effect appears when a modulated light beam im-pinges over a sample, that absorbs the photons of the beam and con-verts it into heat by non radiative processes. The heat exchange be-tween the material and the air produces a change in the pressure, re-sulting in an acoustic wave with the same frequency that the modulatedlight beam.

Theoretical framework

I We used the minimal-volume photoacoustic cell model to analyze thesignal [2].

Figure 1: Minimal-volume photoacoustic cell model.

I In the case of opaque materials (µβ < ls) we have:Thermally thin Thermally thick Thermally thick

Thermal diffusivity Thermoelastic bending(µs ls ; µs µβ) (µs < ls ; µs µβ)

Amplitude γP0I02lgT0

√2αgαs

ksls

(1

(2πf )3/2

)γP0I0lgT0

√αsαg

ks

(e−√

πfαsls

2πf

)

Phase −π4 −π2 −√πfαs

ls π2 + tan−1

(1

ls√

πfαs−1

)

Table 1: Various cases of photoacoustic signal observed for opaque materials.

I Maxwell-Garnett approximation of effective medium [3]:

αeff − αm

αeff + 2αm= δ

αi − αm

αi + 2αm(1)

Experimental Setup

I The composites were fabricated with a matrix of orthophthalic resin witha viscosity of 375Cps (Brookfield LVF) and density 1.10g/ml to 25oC,and various concentration (5%,10%,25% and 50%) of volcanic ashesand (2%,4% and 6%) magnetite.

Magnetite 2% Magnetite 4% Magnetite 6%

Table 2: Two phases composites ofresin-magnetite. Figure 2: Photoacoustic spectroscope.

The photoacoustic spectroscope was characterized by measuring sam-ples of aluminum and silicon.

Thermal diffusivity Thermal diffusivityThickness Measurement (α) Theory (α) [2]µm 10−6m2s−1 10−6m2s−1

Aluminum 569 92.79 94Silicon 549 86.52 85

Table 3: Calibration of photoacoustic spectroscope with aluminum and silicon samples.

Experimental results

I Fig. 3 shows the photoacoustic signal setting for orthophthalic resin onlysample, we observed the thermally thin regime (f−1.5) and the contribu-tion of thermoelastic bending effects (f−1).

Figure 3: Photoacoustic signal of orthophthalic resin only sample.

I Below are the photoacoustic signal (PAS) phase of magnetite compos-ites Fig. 4 and volcanic ashes composites Fig. 5.

Figure 4: Photoacoustic signal phase ofmagnetite composites.

Figure 5: Photoacoustic signal phase ofvolcanic ashes composites.

I The estimation of thermal diffusivity with PAS phase and Maxwell-Garnett (M-G) approximation is shown below.

Thermal diffusivity Thermal diffusivityThickness Measurement (α) M-G Approx. (αeff )µm 10−6m2s−1 10−6m2s−1

Resin 1088 0.1315Resin+5%Ash 902 1.8513Resin+10%Ash 990 2.4756Resin+25%Ash 1060 3.537Resin+50%Ash 1090 24.654

Resin+2%Magnetite 1270 1.3896 1.3797Resin+4%Magnetite 1290 1.4558 1.4453Resin+6%Magnetite 1254 1.526 1.5137

Table 4: Estimation of thermal diffusivity of volcanic ashes composites and magnetitecomposites.

Conclusions

I By photoacoustic spectroscopy it is possible to obtain the thermal diffu-sivity in solid composites.

I In the studied composites, thermal diffusivity increases with the concen-tration of volcanic ashes.

I By using the Maxwell-Garnett approximation, we are able to calculatethe thermal diffusivity of magnetite composites.

Bibliography

[1] A.C. Tam, Rev. Mod. Phys. 53, 517, p. 381-431 (1981).

[2] L.F. Perondi, L.C.M. Miranda, J. Appli. Phys. 62(7), p. 2955-2959 (1987).

[3] Choy, Tuck C. (1999). Effective Medium Theory. Oxford: Clarendon Press.

http://www.ifuap.buap.mx [email protected]

Rúbrica para evaluar presentación mural

EQUIPOCALIFICACIÓN

2 1 0 TotalMATERIAL El póster usa una

combinación adecuada decolores, las letras empleadasson fáciles de leer y el póster

es novedoso.

El póster usa una combinaciónadecuada de colores, las letrasempleadas son difíciles de leer

y el poster no es novedoso.

El póster usa unacombinación inadecuada

de colores, las letrasempleadas son difíciles de

leer y el poster no esnovedoso.

ORGANI-ZACIÓN

Todos los integrantes delequipo están presentes, se

precia el trabajo colaborativo,cada integrante conoce elcontenido total del póster.

La mayoría de los integrantesdel equipo están presentes, no

se aprecia el trabajocolaborativo, no todos conocen

el contenido del póster.

No están presentes todoslos integrantes del equipo,

no se ve el trabajocolaborativo, no conocenel contenido del póster.

CONTENI-DO

Los contenidos indicados, sepresentan en forma clara,precisa u completos. Usavocabulario apropiado ycoherencia en las ideas

Los contenidos indicados, sepresentan en forma clara y

precisa, pero falta información.Usa vocabulario apropiado y

coherente en las ideas.

Los contenidos no estáncompletos, pocainformación y/o

vocabulario pobre.

ORTOGRA-FÍA

No hay errores ortográficosni gramaticales.

Tiene uno o dos erroresortográficos o gramaticales.

Tiene más de tres erroresortográficos o gramaticales

EXPOSI-CIÓN

Se dirige con voz clara yfuerte. Conoce y domina el

tema

Se dirige con voz clara pero nomuy fuerte. Conoce el tema

pero no lo dominacompletamente.

Se dirige con voz baja y nomuy clara. No conoce ni

domina el tema.

CALIFICACIÓN FINAL

1