2. Maestría

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Tesis de la Escuela de Posgrado

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Estrategias didácticas para la enseñanza y aprendizaje de un curso de laboratorio de mecánica de suelos en modalidad virtual
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-10-04) Zamora Beyk, Juan Pablo; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
La investigación del presente trabajo consiste en establecer las estrategias didácticas para un curso de laboratorio de mecánica de suelos en modalidad virtual. Actualmente debido a la emergencia sanitaria no es posible realizar el laboratorio en la modalidad presencial, por lo que se hace imprescindible realizarlo de forma virtual manteniendo la calidad en el contenido educativo. Para ello, se hace una investigación acerca de las metodologías eficaces de enseñanza de cursos de laboratorio en universidades del mundo, así como una indagación de la problemática del curso actual. De forma general, la problemática del curso es que no existe retroalimentación y en consecuencia afecta el desarrollo de la habilidad de análisis e interpretación de datos con el fin de emitir conclusiones acertadas en los informes. A partir de esta investigación se establece que el curso debe contemplar estrategias de trabajo colaborativo y evaluación formativa para la elaboración de informes, dando énfasis a la retroalimentación oral, así como la implementación de plataformas virtuales con recursos en línea. El objetivo del uso de estas estrategias es verificar su beneficio en el desarrollo de la habilidad de análisis e interpretación de datos para la redacción de conclusiones con juicios de ingeniería en los informes de laboratorio. El método de investigación que se usa es el de investigación acción y se busca comprobar la eficacia de la estrategia de aprendizaje colaborativo, revisar los beneficios de la retroalimentación oral en el desarrollo de los informes y examinar la contribución de los recursos en línea en el aprendizaje. Para recopilar información se usan instrumentos como el diario docente, entrevistas, encuestas y análisis documental de informes. Se concluye que los recursos en línea (videos de ensayos, material del curso, clases grabadas y evaluaciones) son favorables en el aprendizaje de los alumnos, asimismo la retroalimentación oral contribuye en la mejora de la redacción de conclusiones en los informes a partir del análisis e interpretación de los resultados de ensayos de laboratorio.
Fabricación de superficie nanocompuesta de aluminio AA5052-H34 vía Friction Stir Processing
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-11-27) Conchoy Espino, Jesús Gustavo; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
En el presente trabajo se estudió el cambio de propiedades generadas al incorporar nanotubos de carbono en la superficie del aluminio AA5052-H34. El objetivo de incorporar este nanomaterial es mejorar las propiedades superficiales del aluminio. Para este fin se utilizó una técnica denominada Friction Stir Processing, FSP, por sus siglas en inglés; mediante este proceso se adicionaron nanotubos de carbono en una ranura sobre la probeta a procesar, realizando un batido que deriva en una mezcla de las partículas con la matriz de aluminio; generando un nuevo compuesto con propiedades distintas al aluminio inicial. Previo al inicio del FSP se debió determinar la configuración de la herramienta a utilizar. También fue muy importante encontrar los parámetros de operación, tales como la velocidad de rotación (rpm) y la velocidad de avance (mm/min), así como la profundidad de la herramienta sobre el aluminio y la fuerza generada sobre esta. Estos parámetros elegidos correctamente afinan favorablemente el conformado del batido y la mezcla del nanomaterial, minimizando o eliminado los defectos. Una vez realizada la fabricación del nuevo compuesto, se inspecciono visualmente el acabado de las probetas, verificando si existieron defectos o no. Inicialmente se realizaron 6 probetas con diferentes rangos de velocidades de las cuales una fue descartada en la inspección visual; debido a una insuficiente penetración del hombro, produciéndose una fuga de partículas debido a la poca presión del hombro sobre la probeta. Una vez terminada esta etapa se seleccionó 5 probetas, con el fin de realizar diversos ensayos y determinar las nuevas propiedades modificadas por el FSP. En base a los primeros resultados encontrados en los ensayos metalográficos, se ajustaron de manera favorable los parámetros de operación del FSP. Se observó por medio de la metalografía la homogeneidad o heterogeneidad del batido, así como la presencia de defectos, tales como cavidades tipo túnel y kissing bond. El material base fue analizado por microscopia electrónica de barrido y espectroscopia de energía dispersiva, EDS, encontrándose presencia de precipitados, y en la zona batida, defectos del tipo kissing bond; defectos que no fueron visualizados por macrografía. Adicionalmente se realizaron ensayos de dureza al nuevo material fabricado, encontrándose una mejora de hasta 32%, respecto del material inicial.
Deposición mediante pulverización catódica y caracterización de películas delgadas de carburo de silicio (SiC) sobre sustrato de acero
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-05-06) Tello Suárez, Ernesto Hernán; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
Una forma de mejorar la resistencia al desgaste de la superficie del acero podría ser a través del recubrimiento de películas delgadas de SiC. El carburo de silicio (SiC), cerámico con excelente dureza, alta resistencia al calor, al desgaste y químicamente inerte a álcalis y ácidos, lo convierten en un material único para la ingeniería y en aplicaciones como recubrimiento. La presente investigación evaluó la deposición de películas delgadas de SiC mediante pulverización catódica (magnetron sputtering RF) y caracterizó estas películas sobre sustratos de acero de bajo carbono A36. Para caracterizar, se usaron técnicas de microscopía electrónica de barrido (SEM) y difracción de rayos X (DRX); y el ensayo de nanoindentación. Un análisis lineal en porcentaje en peso de silicio mediante el SEM corroboró que se depositó el SiC. La DRX confirmó la naturaleza amorfa de los recubrimientos de SiC depositados a baja temperatura y a baja presión. Al no tener calentamiento externo el sustrato de acero, no se pudo incrementar la difusión en el crecimiento de la película delgada de SiC. Los tratamientos térmicos de recocido a temperaturas de 800 °C, 865 °C, 1000 °C y 1300 °C no lograron la formación y crecimiento de fases cristalinas de SiC. Los ensayos de nanoindentación de las muestras sin recocido (8,7 GPa) y recocida a 800 °C (13,9 GPa) de las películas de SiC resultaron con mejor dureza frente a las durezas obtenidas de sus sustratos de acero (4,0 GPa y 1,0 GPa). Asimismo, la reducción en la rigidez de la película de SiC recocida fue sólo un 2,7% ó 2,28 GPa, manteniendo su rigidez a altas temperaturas (recocido a 800°C por 90 minutos); sin embargo, su dureza se incrementó en un 59,7% originando un recubrimiento más frágil. Esta investigación debería propiciar otras investigaciones, al considerar que hay otras variantes de la deposición por pulverización catódica que permiten calentar el sustrato a diferentes temperaturas y/o variar la potencia utilizada para la deposición y/o realizar diferentes mezclas de los gases y/o variar las presiones parciales de los gases; etc.
Preparation and characterization of sputtered hydroxyapatite thin films
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-01-19) Ugarte Díaz, Jorge Alfonso; Grieseler, Rolf; Schaaf, Peter; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
In this work, hydroxyapatite (HAp) thin films were fabricated using two different sputtering techniques: Radio frequency magnetron sputtering and ion beam sputtering. In the first case, the films were grown on Ti-6Al-4V substrates using a high-purity commercial HAp target, obtaining a thickness ~200 nm. For the second method, the film were grown on pure titanium substrates using a self-produced HAp target. This target was fabricated with powders (Ca/P = 1.628, sintered and crushed). Here, the thickness of the fabricated film was ~300 nm. The sintering tests for the target fabrication were carried out using two different heating regimens at a maximum temperature of 1200 °C (holding time of 2h and 4h) using various additives. As additives, water (H2O), polyvinyl alcohol (PVA) and polyethylene glycol (PEG) were used to improve the mechanical strength of the green discs. The as-deposited films were amorphous in both cases. Therefore, the films were annealed to increase the crystallinity. Annealing was performed in air for 2h at temperatures: 400, 600 and 800 °C for RF-magnetron sputter samples; 600 and 800 °C for ion beam sputter samples. The result of the films shows in both cases that the crystallinity of HAp was improved only for the annealed samples fabricated with ion beam sputtering at 800 °C. In both cases energy dispersive X-ray spectroscopy measurements show a decrease in Ca/P ratio with increasing the temperature. Hardness results revealed an increase in this with the increase in temperature possibly due to the formation of titanium oxide. The roughness for the fabricated films with the RFmagnetron sputtering increases till an annealing temperature of 600 °C and then decreases till 800 °C, while the roughness for the fabricated films with ion beam sputtering is higher in the as-deposited samples and then this is reduced by increasing the annealing temperature.
Influencia del contenido de FeTi en la resistencia al desgaste, dureza y microestructura de un recubrimiento duro base Cr
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-09-28) Requejo Villanueva, Ronald; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
En el presente trabajo de investigación se evaluó la influencia del porcentaje de FeTi en el revestimiento de electrodos de soldadura, sobre la microestructura, la resistencia al desgaste, y la dureza de recubrimientos duros base Cr. El porcentaje de FeTi (45% de concentración) en el revestimiento de los electrodos estuvo en el rango de 0 a 6.85%. Los electrodos fueron empleados para depositar capas de recubrimiento sobre sustratos de acero ASTM A-36 empleando el proceso SMAW. La microestructura de los recubrimientos fue evaluada mediante técnicas metalográficas y microscopia electrónica de barrido. Para la determinación de la dureza se empleó el método Vickers. La resistencia al desgaste de los recubrimientos fue evaluada mediante el ensayo de desgaste continuo por abrasión e impacto y el ensayo de desgaste por abrasión de rueda de caucho y arena (ASTM G 65-04). Los resultados indican que los porcentajes de carburo de titanio, austenita retenida, y martensita, en la microestructura de los recubrimientos, varían con el contenido de FeTi. No se aprecia una variación significativa en la dureza asociada al porcentaje de FeTi debido al efecto compensatorio que ejerce el porcentaje de las fases observadas. En relación a la resistencia al desgaste, altos porcentajes de FeTi (5 y 6.85%) generan un ligero incremento en la resistencia al desgaste abrasivo.
Integration of a visual tracking system into a four probe measuring system to evaluate the electrical sheet resistance of thin films
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-07-13) Curi Grados, Osmar Giordano Adolfo; Ströhla, Tom; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
En los últimos años, las películas delgadas han sido ampliamente estudiadas debido a la amplia gama de aplicaciones técnicas que presentan, algunas de las cuales están determinadas por sus propiedades eléctricas tales como la resistividad. Generalmente, algunas propiedades medidas en la macroescala no siguen siendo válidas cuando el material es reducido a la nanoescala. Varios estudios demuestran que la resistividad en películas delgadas depende del espesor de la muestra. Por lo tanto, en la investigación y producción de películas delgadas para nuevas aplicaciones, es necesario un sistema eficaz y preciso para medir y caracterizar sus propiedades eléctricas. Con el fin de superar las limitaciones en la medición de la resistividad en películas delgadas, el objetivo de esta tesis es la de implementar un sistema de medición de la resistividad flexible implementado utilizando el software LabVIEW y conformado por instrumentos de medición Keithley y una cámara digital tipo microscopio. Este sistema presenta dos características principales: 1. Un sistema de seguimiento automático de posición (visual tracking) para determinar la ubicación de las puntas de medición sobre la muestra. Este sistema reduce los errores ocasionados por el desalineamiento de las puntas, proporciona una apropiada interfaz gráfica y es el primer paso para la automatización del sistema de medición. 2. El sistema es capaz de medir la resistividad utilizando cuatro métodos distintos (Van der Pauw, Linear Van der Pauw, y el método de las cuatro puntas lineal y cuadrado). Esta característica proporciona la posibilidad de medir una gama más amplia tanto de materiales como de dimensiones de las muestras. El desempeño del sistema desarrollado se válido midiendo muestras estándar de aluminio y tungsteno de diferentes espesores (100, 300 and 600 nm). Las películas se depositaron sobre sustrato de silicio mediante sputtering. La resistividad de las películas se midió aplicando los diferentes cuatro métodos y se obtuvo un error estándar menor a 1%. Con el _n de validar la eficacia del sistema de seguimiento visual (visual tracking), se analizó la influencia, tanto del desalineamiento como de la distribución de las puntas en la medición de la resistividad. Los resultados fueron validados por comparación con datos experimentales de la literatura y modelos teóricos de películas delgadas (Fuchs-Sondheimer, Mayadas-Shatzke y combinación de ambos modelos). Los resultados están en correlación con los datos experimentales y los modelos teóricos. Además, se confirmó la dependencia de la resistividad con el espesor. Asimismo, se demostró que el incremento de la resistividad eléctrica podrá explicarse por las contribuciones de los mecanismos de dispersión en los limites de grano y en la superficie de la película delgada.
FEM simulation of residual stresses of thin films for applications in MEMS
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-06-19) Macavilca Román, José Carlos; Ströhla, Tom; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
In MEMS sensors, such as resonators based on cantilever and doubly-clamped beams, the presence of residual stresses in the thin films disrupt their mechanical properties or eigenfrequencies and, in some cases, can destroy the structure. This thesis aims to simulate the residual stresses in wafers composed of thin films deposited over a substrate. The simulations were conducted with ANSYS Workbench R17.2, a finiteelement-method software. This work considered static simulations with a single-layer wafer geometry, since it is a first approach to the simulation of residual stresses. With the purpose of achieving that, three simulation types were performed. Simulation 1 applied the thermal loads as heating and cooling steps to a quadrant model. Simulation 2 added the birth and death technique with the purpose of representing the deposition of the thin film. Besides, it was split under the geometric model as flat axisymmetric section, curved axisymmetric section, i.e. with the initial curvature of the wafer, and curved quadrant model. On the other hand, simulation 3 generated the residual stresses by the activation of the contact between the thin film and the silicon dioxide layer, used as diffusive barrier. The simulation results were compared to calculated values from measurements performed by the methods of wafer curvature and X-ray diffraction. The comparison showed that the curved quadrant model allowed obtaining residual stresses and deflections closer to the calculated ones. In addition, the curved axisymmetric models allowed visualizing the residual stresses distribution in the layers and the substrate. Thus, the birth and death technique was useful to simulate the deposition of the thin film. The considerations described in this work can be used as input data for more complex simulations based on MEMS structures
Construction and implementation of a 4-probe measuring system to determinate the temperature dependent sheet resistance of thin films
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-04-12) Pacheco Arenas, Carlos Arturo; Ströhla, Tom; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
In order to build machines, electronic devices, it is necessary to know all properties of the materials. The machines and electronic devices use parts that are interconnected, the mechanical properties are important, but for some specific tasks the electrical properties are more important. In this sense it is necessary to predict the behavior of this parts in different temperatures to the environment. The present thesis focus on implementation of a 4-probe measuring system to determinate the sheet resistance of thin film samples showing the dependency of the resistivity on the film thickness as well as on the deposition temperature. The method used to determine the resistivity is the modified van der Pauw Method. Therefore, it is important the measurement of the current and the voltage drop in the sample. It is also important to measure the distance between tips, in order to calculate the resistivity. Furthermore, it is also important to find the correct transformation that maps any four point of a plane to a new plane with four collinear points. The measurements are controlled via LabVIEW and the measured data is displayed in the user interface.
Caracterización de propiedades electrónicas de sensores nanoestructurados en base a carbono para la detección de tuberculosis
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-06-22) Rojas Valle, Merlyn; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
La Tuberculosis constituye uno de los principales factores de mortalidad en el mundo; en particular, en el Perú representa un problema de salud pública cada vez mayor. Por otro lado, el constante interés y avance en los estudios sobre la detección de biomoléculas con el uso de nanoestructuras constituye una alternativa de diagnóstico eficiente en sensibilidad y especificidad, con potencial para generar dispositivos económicos y de fácil fabricación. El presente trabajo de tesis se basa en el diseño e implementación de un sistema para caracterizar las propiedades electrónicas de transistores de efecto campo con canales basados en grafeno. El sistema cuenta con tres módulos: el módulo de medición conformado por dos medidores de parámetros semiconductores, un módulo de manipulación conformado por una estación de pruebas y microposicionadores, y un módulo de adquisición de datos conformado por un programa y un computador. Para la validación del sistema se fabricó un dispositivo sensor, del tipo transistor de efecto campo, basado en grafeno (GFET), y se evaluaron los principales factores que condicionan su desempeño en la detección de biomoléculas; factores tales como el recocido térmico, la resistencia de contacto y el uso de un buffer fosfato salino como medio electrolítico de compuerta. Asimismo, se realizó la adquisición de las curvas I-V de salida y de transferencia en cada etapa de fabricación del dispositivo sensor, y se analizó cualitativamente su desempeño en la detección de la secuencia de ADN 5'- GGTCCAGCTGTGTATCCACTCCAG-3' específica de la Mycobacterium tuberculosis (MTB). En la primera parte del presente trabajo de tesis se presentan los antecedentes y aplicaciones de los GFETs en la detección de ADN. La segunda parte está dedicada a brindar información detallada de todos los procedimientos experimentales, la implementación del sistema de medición, las herramientas analíticas y los materiales utilizados a lo largo del trabajo de investigación. La última parte presenta una discusión de los resultados obtenidos y las conclusiones extraídas del trabajo. A partir de los resultados del trabajo se puede inferir que el sistema de medición implementado permite evaluar las propiedades electrónicas de un transistor de efecto campo con una precisión adecuada y analizar sensores base grafenocadenas de ADN para la detección sensible y selectiva de tuberculosis. Como trabajo futuro, se deberán estudiar otros parámetros de calidad de los dispositivos sensores tales como la estabilidad a lo largo del tiempo, la especificidad y la robustez o reutilización con el fin de contrastarlos con los métodos estándar.
Evaluación de la resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión de materiales compuestos AA5083-nano TiCN fabricados mediante fricción batido
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-06-21) Solórzano Malo, Alfredo; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
En la presente investigación se evalúa el efecto de la incorporación de nanopartículas de carbonitruro de titanio (TiCN) en la aleación AA5083 mediante la técnica de fricción batido (FSP) sobre las propiedades de resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión de los materiales compuestos resultantes. Se elaboraron probetas de 150 mm de largo x 13 mm de ancho x 2.8 mm de altura cada una, la cual se procesaron a diferentes porcentajes de nanopartículas de TiCN (0 %, 5 %, 10 % ,15 %). Se utilizó como parámetros óptimos de procesamiento de fricción batido: velocidad de rotación 1000 RPM y velocidad de avance 80 mm/min. La forma del pin para la presente investigación fue cilíndrica roscada de 2.5 mm de altura y 4 mm de diámetro. Luego se realizó una inspección visual y caracterización microestructural de los materiales compuestos AA5083-nanoTiCN resultantes, mediante microscopia óptica y microscopia electrónica de barrido. Se determinó 2 tipos de fases intermetálicas características: Al (Mn, Mg/Si) y Al (Mn, Mg) o también llamado β (Al3Mg2). Así mismo se evaluó la distribución de la nanopartícula de TiCN en el material base AA5083 después de ser procesada mediante fricción batido y se observó aglomeración de la nanopartícula TiCN. Se determinó una disminución en el tamaño de grano producto del procesamiento por fricción batido pasando de 16.0983 ± 6.9724 μm en la zona del material base a 2.4871 ± 0.7664 μm en la zona del núcleo central. Por último se evaluaron las propiedades mecánicas de dureza, la resistencia al desgaste mediante la pérdida de peso y resistencia a la corrosión se evaluó en un medio de agua de mar artificial. Se reportó una mejora en los valores de dureza alcanzando un 30% de aumento en relación al material base (110 HV frente a 84 HV) este aumento de la dureza se le atribuye al refinamiento de grano. La resistencia al desgaste se mejoró en las probetas procesadas mediante fricción batido conforme se aumentó el porcentaje de nanopartícula de TiCN (2.0898 gramos de pérdida de peso en el material base frente a 1.1114 gramos de pérdida de peso en la probeta AA5083-nanoTiCN 15%) y la resistencia a la corrosión aumento en 26 % en relación al material base producto del del afinamiento de grano y la mayor distribución del compuesto intermetálico β (Al3Mg2) el cual promovería la repasivacion.

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