Evaluación de las propiedades tecnológicas de materiales de mullita para su uso en energía solar térmica concentrada

• Autores: Mocciaro, Anabella; Peters, Camila; Hernández, María F.; Richard, Diego; Rendtorff, Nicolás M.
• Año de publicación: 2025
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: artículo
• Materia: Arquitectura; Ingeniería; Energía solar térmica concentrada; Mullita; Óxido de cobre; Óxido de manganeso; concentrated solar thermal energy; Mullite; Copper oxide; Manganese oxid
• Institución: Universidad Nacional de La Plata

La energía solar térmica de concentración (CSP) utiliza la irradiancia normal directa para concentrar la radiación solar y calentar fluidos, generando electricidad. Sus componentes, como las tuberías de transferencia de calor, requieren materiales con alta refractariedad, resistencia mecánica y a la corrosión. La mullita (3Al₂O₃·2SiO₂), por sus propiedades térmicas, mecánicas y químicas, es un material prometedor para estas aplicaciones. Este trabajo evalúa el efecto de la adición de óxidos de cobre (CuO) y manganeso (MnO₂) en la mullitización de mezclas de arcilla caolinítica y alúmina. Se formularon mezclas con 1, 3 y 10 % p/p de óxido, conformadas y sinterizadas a 1400 y 1500 °C. Los análisis térmicos y dilatométricos mostraron que ambos óxidos actúan como fundentes, adelantando la formación de mullita y mejorando la densificación, especialmente MnO₂. La difracción de rayos X reveló que los óxidos no se incorporan a la estructura cristalina, sino a la fase vítrea, reduciendo la porosidad (<5 %) y aumentando la densidad. En cuanto a propiedades ópticas, se obtuvo baja luminosidad (Y<8) con tonalidades oscuras, favoreciendo la absorción solar. Mecánicamente, el módulo de elasticidad aumentó hasta ~100 GPa. Los cerámicos, especialmente con CuO, presentan baja porosidad, estabilidad térmica y buen rendimiento mecánico, siendo aptos para tubos receptores en sistemas CSP.
Concentrated Solar Power (CSP) uses direct normal irradiance to focus solar radiation and heat fluids, generating electricity. Its components, such as heat transfer pipes, require materials with high refractoriness, mechanical strength, and corrosion resistance. Mullite (3Al₂O₃·2SiO₂), due to its thermal, mechanical, and chemical properties, is a promising material for these applications. This study evaluates the effect of adding copper (CuO) and manganese (MnO₂) oxides on the mullitization of kaolinitic clay and alumina mixtures. Mixtures containing 1, 3, and 10 wt% of each oxide were prepared, shaped, and sintered at 1400 and 1500 °C. Thermal and dilatometric analyses showed that both oxides act as fluxing agents, promoting mullite formation and enhancing densification, particularly MnO₂. Xray diffraction revealed that the oxides do not incorporate into the crystalline structure but into the glassy phase, reducing porosity (<5%) and increasing density. Regarding optical properties, low brightness (Y<8) and dark tones were obtained, favoring solar absorption. Mechanically, the elastic modulus increased up to ~100 GPa. The ceramics, especially those with CuO, exhibit low porosity, thermal stability, and good mechanical performance, making them suitable for receiver tubes in CSP systems.
Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES)