instituto de cerámica y vidrio -...
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Instituto de Cerámica y
Vidrio
Calle Kelsen, 5 (28049) Madrid http://www.icv.csic.es
Más de 50 años de I+D+i en Cerámica y Vidrio
Historia
- Instituto de Edafología - Departamento de Silicatos
ICV– Arganda del Rey
Objetivos :
Investigación de excelencia en elárea de los materiales cerámicos yvítreos
Generación de I+D pionera conempresas del sector.
• Miembro cofundador de la SECV
El ICV fue el único centro de investigación español en este sector desde 1964 hasta1980
CSIC-Campus de Cantoblanco
1951
1964
2002-
Más de 50 años de I+D+i en Cerámica y Vidrio
Objetivo General del ICV
Llevar a cabo investigación de alto nivel en materiales Cerámicosy Vidrios, concentrando los esfuerzos en las nuevas posibilidadespara generación de tecnologías punteras.
Transferencia
de resultados y
generación de
patentes
Investigación
científica y
tecnológica de
excelencia
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Más de 50 años de I+D+i en Cerámica y Vidrio
Departamentos y Grupos de Investigación
FUNCERAMICS: Grupo deinvestigación en cerámicasfuncionales
CSS: Materiales Cerámicospara Sistemas Inteligentes
Departamento de Electrocerámica
Grupo de Cerámica Técnica.
Diagramas de equilibrio de fases en
sistemas cerámicos: Aplicaciones en
cerámica estructural, refractarios y
biomateriales.
Síntesis y procesamiento coloidal.
Departamento de Cerámica
Diseño por Procesamiento
Coloidal
Grupo de Superficies y
Procesos Avanzados
Departamento de Química-Física
de Superficies y Procesos ELAMAT: Materiales con
Aplicaciones Electroquímicas.
GLASS: Vidrios, vitro-cerámicos y
materiales sol-gel para una
sociedad sostenible.
Departamento de Vidrios
Más de 50 años de I+D+i en Cerámica y Vidrio
Grupo de Cerámica Técnica - ICV
Materiales 3D por impresión directa de tinta
Materiales de SiC multifuncionales
Oxido de grafeno (GO) y nanoplaquetas (GNP)
Metamateriales acústicos como
amortiguadores de sonido
GNP
infiltradas
Catalizadores de residuos
en aguas industriales
Estructuras eléctricamente
anisótropas – Modelización (FEM)
Estructuras 3D GNP robustas y altamente
conductoras eléctricas
Estructuras 3D GO/cerámicos térmicamente
resistentes e hidrofóbicas
http://www.gct.icv.csic.es/
Materiales cerámicos compuestos conteniendo grafeno
SiC/grafeno
Recubrimientos protectores con funcionalidad eléctrica
Límite de
percolación
Recubrimientos vitrocerámicos con GNP
Grupo de Cerámica Técnica - ICV http://www.gct.icv.csic.es/
Recubrimientos conductores eléctricos con alta
absorción solar y resistentes al desgaste
Muy tenaces, resistentes
a la fractura y al daño
por contacto
Resistentes al desgaste
y disminución de la
fricción
Conductores eléctricos,
microcomponentes por
electroerosión
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASESComponentes: A. H. De Aza, C. Baudín, A. Caballero, M. A. Rodriguez, M. A. Sainz,
S. Serena, L. Contreras, M. Canillas, C.S. Rodrigo
Estudio experimental y simulación termodinámica de Diagramas de Equilibrio de Fases Nuevas cerámicas y vidrios para regeneración ósea.
-Magallanes-Perdomo, M., De Aza, A.H.,.. Pena, P. J. Am. Ceram. Soc. 100(9), pp. 4288-4304 (2017)-Parra, J., García Páez, I.H., De Aza, A.H., Pena, P. J. Biomedical Mater. Research - Part A 105(8), 2266-2275 (2017)-Garcia-Prieto, A., ..., Pena, P., Baudín, C. Ceramics International 43(8), pp. 6048-6053 (2017)-Canillas, M., Pena, P., De Aza, A.H., Rodríguez, M.A. Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr. 56(3), 91-112 (2017)-Rabadan-Ros, R., Mazón, P., Serena, S.,Sainz M.A., Meseguer-Olmo, L., De Aza, P.N., J. Eur. Ceram. Soc 37(8), pp. 2943-2952 (2017)-L. Carbajal, S. Serena, M. A. Sainz and A. Caballero, J. Eur. Ceram. Soc. 37, 2277-2283 (2017)-Garcia E., Miranzo P., Sainz M.A., Ceramics International 44(11), pp. 12896-12904 (2018)
-Baudín, C., Benet, T. Pena P. J Mech Behav Biomed Mater 00, 00 -00 (2018)
BIO-cementos inyectables de fosfato tricálcico, reforzados con hasta el 2 % en volumen de grafeno
funcionalizado, con aplicación en regeneración y sustitución ósea o como andamio para crecimiento
celular.
1 2 3 4 5
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 CPC-1.96G
Data2_CPC
Pro
ba
bili
ty o
f fa
ilure
Strength (MPa)
BIOcerámicas-3D
Simulación Termodinámica
BIOcerámicas porosas de silicofosfatos de calcio
Compuestos polímero-Biocerámico
A. Freezing-Thawing Method
B. Photopolymerization
100
µm
1m
m
Métodos de Síntesis ObjetivosA. Bioactividad
C. Liberación Controladade Fármacos
B. Mejora propiedadesmecánicas
D. Neutralizaciónde radicales
Irgacure ZnO TiO2 Fe2O3 Fe3O4
Fig 2 Estudios preliminares de hidrogeles de PEGDMA fotocurados usando micropartículas de ZnO, TiO2, Fe2O3, Fe3O4 e Irgacure 2959
a
)
b
)
0 50 100 150 200 250
0,000
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,007
Accum
ula
ted
[d
exa
me
tazo
ne
] (M
) d
eliv
ere
d
time (hours)
PEGDMA
PEGDMA + ceramic scaffold
SFA
→ IS
O 2
33
17
Cap
a d
e H
idro
xiap
atit
a
Disolución de monomeros
-78°C Entre-cruzamiento
Matriz poliméricaporosa
0 5 10 15 20 25
0
10
20
30
40
50
60
70
% D
PP
H e
limin
ate
d
time (h)
TiO2
ZnO
Fe2O
3
Fe3O
4
DPPH· ↔ DPPH2
· Procesamiento sostenible de nano-sensoresNanoestructuras jerárquicas de semiconductores (ZnO)
· Funcionalización de cerámicas sanitarias
Integración de sensores en infraestructuras
www.funceramics.es
· TICs: Miniaturización y multifuncionalidadSistemas multiferroicos basados en BiFeO3: Dispositivos lámina delgada
· Tratamiento de aguas (contaminantes emergentes) Materiales fotocatalíticos basados en TiO2
CO2 y H2O
Ceramic for Smart System Group
Ready to:
Design and processing of advanced functional ceramic.
Correlations:
• Focused on:Innovative Nano-based applicationsIntegration into product/devices.
www.css.icv.csic
•Nano-microstructure•Structure•Properties
Excellence in Scientific publications, Patents and Knowledge transfer
Ceramic for Smart System GroupResearch strategy
1.- New materials and functionalities.
Low dimensional nanostructures
Lead Free piezoceramics
Ferrite-Hybrid permanent magnets
2.- Safe by design Micro-nanostructured ceramics and composites.
Broad-spectrum inorganic Antimicrobials
Dry dispersed Catalysts
Security markers
3.- Implementation of advances process in traditional ceramics.
Scaling-up nanotechnology
Valorization of secondary raw materials
Functional surfaces
Grupo GlaSS (http://glass.icv.csic.es/)
Glasses, Glass-ceramics and Sol-gel materials for a Sustainable Society
-1,9
-1,7
-1,5
-1,3
-1,1
-0,9
1,0E-091,0E-071,0E-051,0E-031,0E-01
Po
ten
tial
(V
)
i (A/cm2)
AZ91D
RESEARCH LINES
Sol-gel materials for energy and environment
Anticorrosive and functional coatings on metals and alloys
Mesoporous/mesostructure coatings for photocatalytic applications and new
functionalities
Transparent oxyfluoride glass-ceramic (coatings, bulk and fibres)
Inorganic and hybrid membranes for PEMFC, DAFC and AMEFC
Electrodes and electrolytes for M- ion (Li, Na) and M-air batteries
New materials for the conservation of cultural heritage
Hydrophobic and Oleophobic Sol-Gel Coatings
61.52 nm
0.00 nm
MTPL-2 Bare glass
MTPL-2 Bare glass
Excellent easy-to-clean properties
Surface morphology similar to lotus leaf
Biodegradable implant materials
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
-0,1 0,9 1,9 2,9 3,9
Cel
l V
olt
age
(V v
s. L
i+/L
i)
Capacity (mA h / g)
Cycle 1
Cycle 2
Cycle 60
Cycle 500
Cycle 1000
SiO2-PEG hybrid S.E.
Anode (Li)
Cathode (Li4Ti5O12)
Masking tapeCurrent collector (Cu)
Current collector (Cu)
Substrate (Qz)
Li+
Li+
Li+
Li+Li+
Li+
Li+
Li +
Li +
Li +
Li+
Li+ Li+
Li+
Li+
Li +
Li +
Li +
Li +
Li +
Li+ Li+
Li+
Li+
Li+Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+ Li+Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+ Li+Li+
Li+
Li+
Li+
Li+Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
0 250 500 750 1000 1250 1500
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
i (mA/cm2)
V (
V)
0
100
200
300
400
sSEBS
10minSOL
Nafion112
P (m
W/c
m2)
Tc = 60ºC
100% HR
Inorganic and hybrid membranes
for PEMFC, DAFC and AMEFC
Polarization and power density curves better than commercial membranes
Electrodes and electrolytes for M-
Ion (Li and Na) and M-air
batteries
Anticorrosive melting-gel coatings
2
4
6
8
10
12
14
-2 -1 0 1 2 3 4
log
(|Z|
/ o
hm
cm
2)
log (f / Hz)
Mg AZ31B bare (1 h) One-thick-layer (1 day)
One-thick-layer (74 days) One-thin-layer (4 h)
One-thin-layer (9.5 days) Two-thin-layers (4 h)
Two-thin-layers (65 days)
0.35 % NaCl
Grupo GlaSS (http://glass.icv.csic.es/)
Glasses, Glass-ceramics and Sol-gel materials for a Sustainable Society
RESEARCH LINES
Glasses and glass-ceramics produced by melting
Sealing glasses for ceramic and metallic components
Phosphate and oxynitride phosphate glasses
Glasses and glass-ceramics for Li-batteries
Transparent oxyfluoride nano glass-ceramics
Melting processes for energy saving
Archaeometry and conservation of historical glass
PHOSPHATE AND OXYNITRIDE PHOSPHATE GLASSES
Mechanical and chemical resistant phosphate and
oxynitride glasses for energy and optical applications
Nd-doped phosphate laser glasses
SOFC stack after sealing with the clamping weightA B
TRANSPARENT OXYFLUORIDE GLASS-CERAMICS
SEALING GLASS-CERAMICS FOR SOFC
Rare-earth (RE) doped oxyfluoride glass-ceramics
possess interesting optical properties with
application in telecommunications andoptoelectronics.
Resumen del grupo ELAMAT
Medidas de polarización y de rendimiento de monocelda
O2- ½ O2 (g) +
2e-
–+
e─
Ae─
e─
–+ A Ue─
Pt
Muestra
YSZ
V0
O2─
O2
O2─
½ O2 (g) + 2e-O2-
e─
Pt
02
2
4FVpO=exp -
pO RT
Determinación de números de transporte de iones oxígeno y de protones
Arquitecturas novedosas para los electrodos
Multicapas
• SOFC (solid oxide fuel cell)
• PCFC (protonic ceramic fuel cell)
• SOEC (solid oxide electrolysis cell)
• PCEC (protonic ceramic electrolysis cell)
Capas activas
Materiales de conducción mixta protónica-electrónica
Dopaje con halurosDopaje con cationes multivalentes
La serie Ba(Zr0.7Ce0.2)1-(x/0.9)PrxY0.1O3- La serie BaCe0.8Y0.2O2.9-
(x/2)±Brx
• Eficiencia Faradaica
• Bloqueo iónico
• Celda de concentración
• Química de defectos
Grupo ELAMAT
Materiales con Aplicaciones Electroquímicas
• PEMFC (protonic exchange membrane fuel cell)
• DMFC (direct methanol fuel cell)
• DAFC (direct alcohol fuel cell)
Pilas de combustible de baja temperatura
Síntesis de catalizadores (bajo contenido en Pt y libres de Pt) y soportes de los mismos (oxinitruros); por combustión (imagen) y co-precipitación.
150 ºCSolution
300 ºCCake
T ignitionFlame
PtNi Caracterización electroquímica: Voltametría cíclica, cronoamperometrías, curva de polarización…
0 200 400 600 8000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
PtC/N115/ Pt-TiN_1PtC/N115/ Pt-TiN_2Pt-TiN/N115/ PtC_1Pt-TiN/N115/ PtC_2
E (
V)
I (mA/cm 2 )
T = 60ºC100% RH
0
50
100
150
200
250
Pow
er
(mW
/cm
²)
Aleación PdM comb
Diseño y desarrollo de fabricación de los ensamblajes MEA
Electrodes
Catalytic
layer
Electrolyte
Estudio “post-mortem” del MEA
Delamination, Irregular growth; Migration...
Biocerámicas
Materiales electroactivos como las series Ti-O Magneli , que presentan una actividad bioelectroquímica específica:
Adherencia, supervivencia y crecimientoneuronal:TiO2
Neutralización de radicales de oxígeno/nitrógeno
Fases de Ti-O Magneli
Compuesto organo-inorgánico
Contratos con la empresa
Contactos:Glenn Mather ([email protected]), Eva Chinarro ([email protected]),Jesús Tartaj ([email protected]), Domingo Pérez Coll([email protected])
Grupo ELAMAT
Materiales con Aplicaciones Electroquímicas
Mixing powders in aqueous Slurries:
COLLOIDAL PROCESSING Techniques are useful to improve homogenization, which affects microstructure & properties of the final piece
Main Characteristics:Lower Particle & final grain sizes
No Pressure< 2wt.% stabilizers & binders
No debinding
Eventual advantages:No limits in nature, shape and size of powders
When you look for Complex ShapesSoft Chemistry implementation in alloys
Mixing Powders through slurries by:
• In situ Nanophases Synthesis
• Granulation Dissimilar Sizes
• Granulation Similar Sizes
Tailoring through Colloidal Processing
Ti(C,N)/FeNi-C
MICROSTRUTURALDESIGN
Tailoring through Colloidal Processing
Fused Deposition Molding (FDM) of polymeric composites and 100% metal/ ceramic pieces: Patent No.: ES16411356.Printed pieces have an inorganic charge up to 60-62 wt.% of 430L Stainless Steel and Hydroxiapatite (HA), achieving the full inorganic structure after sintering.
Electrophoretic Deposition (EPD) ofhard coatings on 3D substrates.Nanopowders of TiN dispersed inslurry and deposited by applying aelectric field onto stainless steelsubstrates with different shapes.
Additive Manufacturing: Ti porouspieces designed by Robocasting.Molding by extrusion of Ti pastesprepared in aqueous media anddeposited applying pneumaticpressure following CAD design.
Foaming of slurries: Tailoring inner cellular porosity within a dense Tipiece. Cellular microstructures of Timanufactured using concentrations of gels, below 3 wt.%, as structurers additives in aqueous slurries.
Tape casting of metal, cermets &ceramic. Stamping and manipulationof Ni, Ni/ZrO2 and Al2O3 tapesprepared by doctor blade of aqueousslurries in which powders andplastizers were mixed.
62HA/38Polymer
5HA/95Polymer
100%Polymer
60AISI430L
SHAPPING
INV. FUNDAMENTAL : I + D INV. APLICADA : I + D + i
MATERIALES
Vía QUÍMICA FUSIÓN – SINTERIZACIÓN
Vía QUÍMICAComposites
Supercondensadores
-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0
-0,15
-0,10
-0,05
0,00
0,05
0,10
0,15
Cu
rre
nt
(A)
Potential (V)
5 mV/s
10 mV/s
50 mV/s
100 mV/s
Antihielo Antifouling
INSTITUTO DE CERÁMICA Y VIDRIO
QUÍMICA FÍSICA DE SUPERFICIES Y PROCESOS
GRUPO DE SUPERFICIES Y PROCESOS AVANZADOS
Liberación de fármacos Biovidrios osteogénicos
Vías: QUÍMICA – FUSIÓN - SINTERIZACIÓN
INSTITUTO DE CERÁMICA Y VIDRIO
QUÍMICA FÍSICA DE SUPERFICIES Y PROCESOS
GRUPO DE SUPERFICIES Y PROCESOS AVANZADOS
Energía Solar Concentrada
Fritas yPigmentos
Fertilizantes Ecológicos
Fusión con Energía Solar
Financiación
AÑO
TIPO 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
Industria 1544 1816 1113 960 910 810 620 516Competitivos 1211 997 649 1436 1382 1123 1210 1564TOTAL (k€) 2755 2813 1762 2396 2292 1933 1830 2080
RATIO 56/44 65/35 63/37 40/60 40/60 42/58 34/66 25/75
PERSONAL 43 42 40 36 35 31 30 31k€/Invest. 64.1 67.0 44.1 66.6 65.5 62.4 61.0 67.1
Más de 50 años de I+D+i en Cerámica y Vidrio
Año 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
Presentadas 5 16 7 10 7 11 8 5
Licenciadas 0 10 2 2 2 3 1 1Patentes
30% patentes presentadas25% patentes licenciadas
Área de Materiales
(13 Institutos)
I+D+i
Más de 50 años de I+D+i en Cerámica y Vidrio
FORTALEZAS
Elevada productividad científica
Alta interacción Tecnológica (financiación 65k€/investigador))
Formación de personal científico al máximo nivel. (Harvard, Siemens, ...)
Aumento de la visibilidad internacional (Alemania, Inglaterra, USA, Japón….)
OPORTUNIDADES
Ciencia Excelente para exportar al sector industrial.
Más de 50 años de I+D+i en Cerámica y Vidrio