APRÈN. Portal de la producció docent del professorat de la UPC

Flash Sintering (FS) is a new sintering technique for ceramic materials that considerably reduces the time and costs of current sintering processes. The difference with conventional sintering is the application of electrical power to the ceramic sample. With this new technique, it is possible to enhance the functional properties of the ceramic materials obtained at a much lower cost. Direct experimental measurements of the sample's temperature surface have been performed during FS using different measuring devices, comparison of the different measurements has allowed determining the best measuring device. On the other hand, a method allowing to estimate the temperature of polycrystalline ceramic samples using the blackbody radiation equation during the FS process has been used in this project. Furthermore, the black body radiation equation has been modified to achieve greater precision in the estimation of the sample's temperature surface. This modification likewise provides the percentage of radiation losses. The conductivity dependence on temperature has been parameterized using the Arrhenius and the Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) equations. The Arrhenius equation fittings have been performed in the temperature region in which the material maintains a linear electrical conduction regime. Meanwhile, the VFT parameterization has allow to extend the temperatures range to regions near the FS temperature. Notwithstanding, both parameterizations have been useful to determine important values of the FS process, such as the activation energy and the freezing temperature. Despite the project has been performed using only piezoelectric materials, the methods, modifications, and estimations here developed could be applied to a huge amount of materials to be processed by FS, giving to this work a vast scope in the material science area.

El Flash Sintering (FS) es una nueva técnica de sinterización de materiales cerámicos que reduce considerablemente el tiempo y los costes de los procesos de sinterización actuales. La diferencia con la sinterización convencional es la aplicación de energía eléctrica a la muestra cerámica. Con esta nueva técnica se mejoran las propiedades funcionales de los materiales cerámicos obtenidos a un coste mucho menor. Se han realizado mediciones experimentales directas de la temperatura de la superficie de la muestra durante el FS utilizando diferentes dispositivos de medición, la comparativa de las diferentes mediciones ha permitido determinar el mejor dispositivo de medición. Por otro lado, en este proyecto se ha utilizado un método que permite estimar la temperatura de muestras de cerámica policristalina utilizando la ecuación de radiación de cuerpo negro durante el proceso de FS. Además, se ha modificado la ecuación de radiación del cuerpo negro para lograr una mayor precisión en la estimación de la temperatura de la superfície de la muestra. Esta modificación también proporciona el porcentaje de pérdidas por radiación. La dependencia de la conductividad con respecto a la temperatura se ha parametrizado mediante las ecuaciones de Arrhenius y Vogel-Fulcher-Tammann (VFT). Los ajustes de la ecuación de Arrhenius se han realizado en la región de temperatura en la que el material mantiene un régimen de conducción eléctrica lineal. Mientras tanto, la parametrización de VFT ha permitido extender el rango de temperaturas a regiones cercanas a la temperatura de FS. No obstante, ambas parametrizaciones han sido útiles para determinar valores importantes del proceso FS, como la energía de activación y la temperatura de freezing. A pesar de que el proyecto se ha realizado utilizando solo materiales piezoeléctricos, los métodos, modificaciones y estimaciones aquí desarrollados podrían aplicarse a una gran cantidad de materiales a procesar por FS, lo que le da a este trabajo un amplio alcance en el área de la ciencia de los materiales.

In order to provide information on weather conditions on the top of a mountain, both mountaineers and nearby shelter workers, a small weather station has been designed that can be easily installed at the summit to get information about the weather conditions and send it wireless to the chosen point. For this project have taken into account factors such as the environment, visual pollution and the difficulty of access that usually present these summits. For these reasons a system that requires little or no maintenance, quite small and respectful to the environment has been designed. The system is powered by Energy Harvesting using piezoelectric materials hidden inside a flag and excited by the force of the wind, while the sensors and the controller card can be installed inside the metal mast. The system has sensors of humidity, atmospheric pressure and temperature. The data of these sensors are collected by a controller card programmed to send this information every 15 minutes. This time can be varied depending on the power requirements of the system or the need to obtain information in a shorter time interval. The information read by the sensors is received by another controller card coupled to a computer in which the values of each of the sensors are displayed. An application has been programmed to be able to monitor in graphical form each of the values that are received in the shelter, thus facilitating the reading of this data. In addition, the data obtained are saved in a database that will allow statistical analyzes on the climate behavior in the summits and their environment. A study of the power consumption of the system and of each of the sensors separately has been done. This study allows us to know the limits of the power system through Energy Harvesting. The study may also serve to, in the future, add sensors and know what the potentialities depending on the power may be able to generate the power part of the system.

Con el objetivo de facilitar información sobre las condiciones meteorológicas en la cima de una montaña, tanto a los montañeros como a los trabajadores de refugios cercanos a la misma, se ha diseñado una pequeña estación meteorológica que puede ser fácilmente instalada en la cumbre para obtener información sobre las condiciones meteorológicas y enviarla vía Wireless al punto elegido. Para este proyecto se han tenido en cuenta factores como el medio ambiente, la contaminación visual y la dificultad de acceso que por lo general presentan estas cumbres. Por estas razones se ha diseñado un sistema que requiere poco o nulo mantenimiento, pequeño y respetuoso con el medio ambiente. El sistema es alimentado mediante recolección de energía obtenida del medio ambiente (Energy Harvesting) haciendo uso de materiales piezoeléctricos ocultos dentro de una bandera y excitados por la fuerza del viento, mientras que los sensores y la tarjeta controladora pueden ser instalados dentro del mástil metálico de esta. El sistema cuenta con sensores de humedad, presión atmosférica y temperatura. Los datos de estos sensores son recolectados mediante una tarjeta controladora programada para enviar dicha información cada 15 minutos. Este tiempo se puede variar en función de los requerimientos de potencia del sistema o de la necesidad de obtener información en un menor intervalo de tiempo. La información leída por los sensores es recibida por otra tarjeta controladora acoplada a un ordenador en el que se visualizan los valores de cada uno de los sensores. Se ha programado una aplicación para poder monitorizar en forma de gráfica cada uno de los valores que son recibidos en el refugio, facilitando así la lectura de estos datos. Además, los datos obtenidos son guardados en una base de datos que permitirá realizar análisis estadísticos sobre el comportamiento del clima en las cumbres y en el entorno de las mismas. Se ha realizado un estudio del consumo de potencia del sistema y de cada uno de los sensores por separado. Este estudio permite conocer los límites que presenta la alimentación del sistema mediante Energy Harvesting. El estudio también puede servir para, en un futuro, adicionarle sensores y conocer cuáles son las potencialidades del mismo en función de la potencia que pueda ser capaz de generar la parte de alimentación del sistema.

This project develops a MatLab application to process experimental data obtained from Advanced Photon Source. The application implements a Graphical User Interface to allow researchers to perform data processing without having prior MatLab programming skills. The experiment consists of the X Ray Diffraction (XRD) on piezoelectric crystal subjected to electric field varying in time. Changes in the diffraction patterns occur due to the electric field. These changes provide information about the material. The application displays these changes and allows the user to calculate the mechanical strain of the material as a function of the electric field, also allows the user to separate intrinsic and extrinsic strain contributions. The final result can be compared with the previous macroscopic measures made in the laboratory; this fact validates the processing and complements information about the physical phenomena that occur at the atomic level when the materials are subjected to external electric field.

En este proyecto se ha desarrollado una aplicación en MatLab para procesar datos extraídos experimentalmente del Advanced Photon Source. El programa implementa una Graphical User Interface para hacerlo más visual y permitir a los investigadores realizar el tratamiento de datos sin conocimiento previo de la programación en MatLab. El experimento consiste en la difracción de rayos X en un cristal piezoeléctrico sometido a un campo eléctrico variable en el tiempo. Debido al campo eléctrico aplicado aparecen cambios en los patrones de difracción. Estos cambios brindan información acerca del material. La aplicación permite visualizar los cambios y calcular la deformación mecánica del material en función del campo eléctrico, además permite separar las contribuciones intrínseca y extrínseca a la deformación. El resultado final puede compararse con las medidas macroscópicas realizadas en el laboratorio, esto permite validar el procesado y complementar información acerca de los fenómenos físicos que emergen a escala atómica al someter a los materiales a un campo eléctrico externo.

In the last few years, environmental mentality has changed in the society. The increased energy demand; and climate change challenges have favored a significant rise in research for energy harvesting. The goal of these researches is to harvest environmental energy that usually is lost. Consequently, the energy harvesting from environmental sources is projected as one of the fastest growing technologies of this century. This project focuses on energy harvesting from mechanical vibration sources. It delves into the mechanical energy harvesting and the blocks that form those systems. The electromechanic piezoelectric transducers are used to develop the mechanical energy harvesting devices that allow the conversion from mechanical energy to electrical energy. The lack of theoretical models predicting the electrical behavior of these transducers has raised the need to study these systems empirically by developing prototypes. An experimental setup that allows comparison between different prototypes for a set of low frequency mechanical stimulus has been performed in this work in order to characterize the transducers. Besides, the different stages that form the whole energy harvesting system have also been studied and implemented. These stages allow improving the efficiency to power other devices from the electrical energy generated by the transducer. A commercial device has been evaluated in order to study its potential use in energy harvesting systems. As proof of concept, an autonomous system that harvests mechanical energy and powered a radio frequency transmitter has been developed.

En los últimos años la mentalidad de la sociedad ha cambiado respecto al medio ambiente. El incremento de la demanda energética unido al cambio climático ha propiciado un notable incremento de líneas de investigación que tienen como objetivo aprovechar la energía ambiental a pequeña escala. En este sentido, la recolección de energía proveniente de fuentes ambientales se prevé como una de las tecnologías con mayor expansión en los próximos años. De las posibles energías que existen en nuestro entorno, este proyecto se centra en la recolección de energía procedente de fuentes mecánicas de vibración. Se profundiza en el entendimiento de los sistemas de recolección de energía mecánica y en los distintos bloques que necesariamente han de formar parte del sistema. La recolección de energía se realiza a partir de dispositivos piezoeléctricos de transducción electromecánica encargados de realizar la conversión de energía mecánica a energía eléctrica. La falta de modelos teóricos que permitan predecir el comportamiento eléctrico de estos transductores bajo condiciones reales de uso ha planteado la necesidad de estudiar estos sistemas de forma empírica mediante el desarrollo de prototipos. Con el objetivo de identificar las prestaciones de los distintos transductores, se diseña un montaje experimental que permite realizar una comparativa entre distintos sistemas para un conjunto de estímulos mecánicos de baja frecuencia. Una vez caracterizados los transductores, se estudian e implementan algunas etapas acondicionadoras que permiten alimentar una carga de manera óptima y eficiente a partir de la energía generada por el transductor. Se opta por una solución comercial que es caracterizada en profundidad con el objetivo de evaluar su potencial en sistemas de recolección de energía. Uno de los objetivos de la recolección de energía ambiental consiste en alimentar dispositivos electrónicos de bajo consumo. Por ello, en este proyecto, como prueba de concepto, se implementa una aplicación práctica que usa la energía mecánica recolectada para alimentar de forma autónoma un transmisor de radio frecuencia perteneciente a una red de sensores inalámbricos. Se demuestra que la energía que recibe el transmisor de la fuente mecánica vibrante es suficiente como para enviar la temperatura ambiental a un receptor o dispositivo final.