Proyecto de Equipamiento 1. "Construcción de un horno de resistencia eléctrica"

Colombia.                                                                                           

Colombia.                                                                                           

 Introducción

Siempre lo he dicho y lo mantengo esta afirmación: el estudio de materiales ha conllevado a nuevos avances y desarrollo en los sistemas tecnológicos, lo que ha atraído la necesidad de generalizar y ampliar los métodos y técnicas para la fabricación y caracterización de materiales semiconductores, ya que constituyen la base electrónica en la configuración de todo dispositivo optoelectrónico!

Uno de los ejemplos más impactantes es en el área de la Informática, el campo que con mayor rapidez se ha desarrollado, considerando la fabricación de los primeros computadores, o también con la invención y desarrollo de los diversos transistores, que han derivado de las diferente investigaciones en el campo de los materiales semiconductores.

Es primordial para los que diseñan nuevos sistemas tecnológicos que deben conocer la estructura cristalina, morfología y propiedades físicas y químicas de los materiales disponibles, de manera que sean capaces de seleccionar los más adecuados para una aplicación determinada. En este sentido, el crecimiento y síntesis de cristales involucra, Ciencias Básicas como; la Química, Física y Matemáticas, también otras complejas como: Ciencia de los Materiales, Cristalografía, Mecánica, Ingeniería, entre otras.

Como ya lo he planteado en mis anteriores publicaciones, existen muchos métodos para la obtención de un semiconductor, los cuales, según la necesidad, permiten obtener monocristales a partir de los métodos de crecimiento de materiales y policristales usando diferentes métodos de síntesis como la Fusión Directa. Éste último método se aplicará para la obtención de semiconductores en el horno propuesto, el cual nos dará como resultado un policristal que luego será sometido a tratamientos térmicos para analizar la viabilidad de un proceso térmico para obtener un monocristal, que es un material más uniforme y de mejor calidad para su estudio.

Figura 2. Horno horizontal de 3 zonas de temperatura. Autor @iamphysical

Esta propuesta se inicia con la necesidad que existe en el estudio de los materiales semiconductores, debido a que el laboratorio no cuenta con los hornos suficientes para cubrir la demanda que generan los investigadores a la hora de preparar su síntesis de materiales.  

Objetivos

(html comment removed: [if !supportLists])·       (html comment removed: [endif])Análisis teórico de la transferencia de calor en los hornos de  resistencia eléctrica

(html comment removed: [if !supportLists])·       (html comment removed: [endif])Simulación del funcionamiento del Horno

(html comment removed: [if !supportLists])·       (html comment removed: [endif])Construir el horno de resistencia eléctrica

(html comment removed: [if !supportLists])·       (html comment removed: [endif])Caracterizar el perfil de temperatura del horno

Al cumplir estos objetivos la etapa final será poner en funcionamiento el sistema de síntesis de materiales con un lingote de CuInTe₂, cuyo programa de síntesis no requiere de los "cuidados térmicos" como si lo necesita el CuInSe₂ o cualquier aleación que contenga Aluminio o Azufre por los riesgos de explosión de la cápsula de cuarzo.  

Metodología  Experimental 

(html comment removed: [if !supportLists])-     (html comment removed: [endif])Análisis teórico de la transferencia de calor en los hornos de resistencia eléctrica:

   Se inicia con la revisión bibliográfica de los siguientes puntos: tipos de transferencia de calor, inducción y resistencia eléctrica para el alambre a utilizar en la bobina, analizar las técnicas para el cálculo teórico de hornos de resistencia eléctrica. Realizar el estudio teórico de los materiales que están disponibles en el laboratorio y los requeridos para la construcción del horno, de igual forma el estudio de las necesidades del laboratorio para el avance de los diferentes proyectos de investigación, espacio para la instalación y funcionamiento el horno.

 -     Simulación de funcionamiento del Horno:

    Se propone realizar simulaciones utilizando software comercial  o libre,  para el cálculo de temperatura que se generan a lo largo del tubo cerámico que permita reflejar de forma digital y constatar los cálculos teóricos sobre el comportamiento térmico del horno, además de algunas variaciones de corriente eléctrica, voltaje o al cambiar los elementos que lo conforman, como el tipo de alambre, bobina (resistencia eléctrica), el tubo cerámico, y materiales refractarios. Para ello, se requiere del análisis de software y equipo disponible para su instalación, de igual forma el tipo de sistema operativo para su funcionamiento, la programación de plantillas y  códigos fuentes. Es una etapa que nos preocupa, ya que tratamos que nuestros resultados estén al alcance de muchas personas de manera instantánea y de forma gratuita! 

(html comment removed: [if !supportLists])-     (html comment removed: [endif])Construir el Horno de resistencia eléctrica:

   Para la construcción del horno, se comenzará con la selección de los materiales disponibles en el laboratorio, las herramientas y equipos que se deben adquirir, según las necesidades establecidas para el funcionamiento del horno.

   Una vez realizado los cálculos teóricos del horno de resistencia eléctrica y  los materiales para la construcción del horno, se procederá a describir sus atributos  como: resistencias, durabilidad del alambre de Kanthal A1 y tubo de alta alúmina, dimensiones, conductividad térmica y eléctrica, estabilidad y perfiles de funcionamiento. Al obtener esta información, será comparada con los cálculos teóricos para determinar si cumplen con las necesidades requeridas y se procederá a la construcción del horno.

Figura 3. Horno tubular de 1 zona de temperatura. Autor @iamphysical

-     Caracterizar el perfil de temperatura del horno:

Para determinar el perfil de temperatura del horno, se requiere de una termocupla tipo “K” que soporte temperaturas superiores a los 1200°C, conectada al controlador de temperatura para mantener una temperatura estable mientras se toman las mediciones del perfil. Para ello se precederá a encender el horno y medir la temperatura con el incremento de calor dentro del tubo cerámico sellado por un extremo, se insertará la termocupla por el lado abierto y se tomará la temperatura obtenida cada medio centímetro (0,5 cm) a lo largo del horno. La medición de la temperatura será en función de la potencia eléctrica (corriente x voltaje) y el tiempo transcurrido hasta su estabilización, tomando mayor atención sobre la zona plana, la cual se espera que sea de 17 centímetros de longitud. Luego se procederá a caracterizar el perfil de temperatura en función del tiempo con calor descendente, de tal manera se obtendrá la respuesta térmica del horno al incrementarse la temperatura o al enfriarse el horno, ya que se espera que este sea gradual. Es necesario que esta sea controlada debido a que hay materiales que presentan algunos fenómenos al subir o bajar la temperatura bruscamente como liberación de gas, expansión de volumen y esto puede a conllevar a la fractura del tubo de cuarzo o causarle daños al horno.

   Una vez obtenidos los diferentes datos, se procederá a realizar las gráficas características del perfil de temperatura, una en función del tiempo y otra en función de la potencia del largo del horno, estableciendo el tamaño de la zona plana fabricada.

Figura 4. Perfil de temperatura de un horno horizontal de 3 zonas de temperatura. Autor @iamphysical

Figura 5. Perfil de temperatura de un horno vertical de 8 zonas de temperatura. 

Autor @iamphysical.

Viabilidad y cronograma de ejecución de este proyecto

Las necesidades de fabricación de un horno de resistencia eléctrica para la síntesis de materiales semiconductores está bien fundamentada y la ejecución de este proyecto es viable, ya que existen los materiales disponibles en el laboratorio para la construcción del horno, como lo son: el tubo cerámico de alta alúmina 99% Al2O3, el alambre Kanthal A-1, el controlador de temperatura Eurotherm para 2 zonas. Los materiales necesarios para el ensamblaje pueden ser adquiridos en tiendas locales y la inversión para su adquisición es menor que el costo de compra de un sistema de calentamiento comercial. Además, se incentivará la independencia tecnológica que implica la fabricación de los hornos de este tipo para realizar los proyectos que requieran algún desarrollo en síntesis de materiales o tratamientos térmicos, lo cual permitirá construir hornos de resistencia eléctrica según la necesidad que exista en centros de investigación.

El tiempo programado para el análisis teórico, incluyendo la implementación de software, se estima en 4 meses, más el estudio experimental de los materiales, construcción del horno, una vez adquirido los materiales faltantes, y caracterización del perfil de temperatura sería de 3 meses y 2 meses para la puesta en marcha y preparación de una síntesis del semiconductor CuInTe2.

Aportes de esta publicación

En el desarrollo de esta propuesta se realizarán diversos estudios teóricos en cuanto a la transferencia de calor en los hornos de resistencia eléctrica, así como la implementación de software que permita obtener datos numéricos de la respuesta del horno al variar algunos componentes y parámetros térmicos del mismo, así como el material bibliográfico que se genere permitirá establecer un instructivo para el mantenimiento y/o reparación de este tipo de hornos.

 Aunque
los estudios de los lingotes preparados por diferentes técnicas puedan aportar
información preliminar sobre las propiedades de los compuestos ternarios, se
hace indispensable, para la obtención de
muestras homogéneas y estequiométricas, el uso de una
técnica de síntesis y cristalización adecuada, usando la información del
diagrama de fases disponible y de manera imprescindible el uso de hornos de
calentamiento adecuados para la síntesis o crecimiento de materiales
semiconductores.

 Referencias

 Smith, W. 1998.
Fundamentos de ciencia e ingeniería de materiales. McGRAW-HILL / interamericana
de España. Tercera edición. España.

<o:p> </o:p>Feigelson R. 2004. 50 years progress
in crystal growth. A reprint collection.
ELSEVIER. Gabella laboratory for advanced materials Stanford University. Stanford CA, USA.  

<o:p> </o:p>A. Castro, A.
Fernández. 1965. Diseño de un horno para crecer cristales a partir de material
fundido. Revista Mexicana de Física. Volumen XIV.

<o:p> </o:p>Morales R. 2010.
Síntesis, Propiedades Estructurales, Térmicas y Ópticas de los Semiconductores
Semimagnéticos Cu(Ga0.8Mn0.2)Te2, Cu(Ga0.8Mn0.2)3Te5 y Cu(Ga0.8Mn0.2)5Te8.
Trabajo de Grado presentado en la Universidad del Zulia, para obtener el título
de Magister Scientiarum en Física. Zulia, Venezuela.

<o:p> </o:p>UPEL. 2011. Manual de
trabajos de grado de especialización y maestría y tesis doctorales. Fondo
editorial de la Universidad Pedagógica Experimental Libertador FEDUPEL. Cuarta
edición. Venezuela.

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