instituto de cerámica y vidrio -...

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-


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


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


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

Grupo de Síntesis y Procesamiento Coloidal

· 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

mailto:[email protected]




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


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


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.


Instituto de Cerámica y

Vidrio

Calle Kelsen, 5 (28049) Madrid http://www.icv.csic.es

MUCHASGRACIAS


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