Fabricación de materiales superconductores para aplicaciones

Fabricación de materiales superconductores para aplicaciones eléctricas de potencia

y análisis de los procesos de degradación en servicio.

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y any anáálisis de los procesos de degradacilisis de los procesos de degradacióón en servicio.n en servicio.

Valencia, 9 de mayo de 2005

MAT 2002-04121-C03-02

Grupos de investigación de:Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA) (-02)

Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A) (-01)

Instituto de Carboquímica (-03)



Fabricar materiales superconductores de interés tecnológico.

Superconductoresde alta temperatura

Limitadores decorriente resistivos

Mg2B Hilos

Objetivo general del proyecto:

Desarrollar técnicas para detectar defectos y procesos de degradaciónque pueden alterar el comportamiento en servicio.



F: Fabricación y caracterización de hilos y cintas de MgB2.ICMA

A: Fabricación de materiales SAT texturados con técnicas de FZL enconfiguraciones de interés tecnológico.

ICMA, Carboquímica

B: Mejora de las propiedades superconductoras de los texturados a 77 K.ICMA, Carboquímica

C: Determinación y análisis de las distribuciones de corriente en estosmateriales.

ICMA

D: Fabricación de contactos y recubrimientos metálicos por electrodeposición.Carboquímica, ICMA

E: Análisis del comportamiento en servicio de estos materiales.I3A, ICMA

Objetivos del proyecto:



Propuesta: Fabricación de hilos de Cu/MgB2.Estudio de la interacción del forro metálico con el superconductor.Estudio de hilos con forros metálicos compuestos.

Objetivo F: Fabricación y caracterización de hilos y cintas de MgB2.

Resultados: Se han estudiado las propiedades superconductoras de metal/MgB2 condiferentes forros: Ag, Cu, Fe y Ni. Estos dos últimos dan las mejores propiedadessuperconductoras, Jc(B,T), debido a su menor reactividad con el precursor.

0

5 108

1 109

1.5 109

2 109

2.5 109

5 10 15 20 25 30 35 40

Cu/MgB2

Ni/MgB2

Ni/MgB1.8

(SiC)0.1

Jc,T

(A/m

2)

T (K)

Ic=690 A

Ic=715 A

CuNiB = 0

CuMgCu2

NiMgNi2

ex situ, 850 ºC, 1h

in situ, 700 ºC, 0.5hPossibilities of Cu/MgB2 wires fabricated by the in situreaction technique, E. Martínez et al, en “Focus onsuperconductivity”, ed. Por B.P. Martins, pp 69 (2004)



Objetivo F: Fabricación y caracterización de hilos y cintas de MgB2.

20

40

60

80

100

0 0.1 0.2 0.3

T (K)

t (s)

Ej. Fe/MgB2

T=20K, I=100A

MQE=16 mJ

v ~ 25 cm/s0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0 0.1 0.2 0.3

E (V/cm)

t (s)

Se ha puesto en marcha el dispositivo experimental para el análisis de la estabilidad térmicade superconductores: energía mínima de quench, velocidad de propagación de quench, etc.

termopares:

V3

pulso decorriente V1 V2

I

Termopares y voltajes medidos con DAQEE

T3T1 T2



Propuesta: Desarrollo de técnicas FZL sobre piezas de 1 x 10 cm2.

Desarrollo de superconductores con forma helicoidal.

Desarrollo de técnicas para fabricar láminas de gran tamaño.

Desarrollar materiales con tamaños de 10 x 10 cm2.

Desarrollo de tecnologías láser para el mecanizado.

Objetivo A: Fabricación de materiales SAT texturados con técnicas de FZL enconfiguraciones de interés tecnológico.

Resultados:Desarrollo de la técnica de fusión zonal láser:

Una de las principales conclusiones es quepara obtener buenos resultados es necesariocalentar el sustrato hasta temperaturas cercanas a600ºC. Se han alcanzado valores de densidad decorriente crítica superiores a 1200 A/cm2, entre lasmás altas obtenidas en este tipo de materiales.

The influence of support temperature on Bi-2212 monoliths textured bydiode laser melting, M. Mora et al, Supercond. Sci. Technol. 17 (2004) 1383




Fabricación de láminas gruesas de Bi-2212 con técnicas láser: Se ha desarrollado toda la tecnología basada en el colaje en cinta para la fabricación de

recubrimientos superconductores y de MgO.

Laser zone melted Bi-2212 thick films on (100) MgO substrate, M. Mora etal, Supercond. Sci. Technol. 17 (2004) 1133

Principal limitación: Disponibilidad de sustratos adecuados. Necesidad de calentar lossustratos durante el procesado láser. Limitación de tamaños a muestras de 5 cm x 10 cm




Mecanizado con tecnologías láser: Se han estudiado procesos de fusión,

termoablativos y fotoablativos.

Los mejores resultados se hanobtenido con procesos termoablativos

Obtención de formas diversas Cuantificación de anisotropía Mecanizado de meandros.Mejora de la capacidad de limitación.

Zonafundida

Onda dechoque

Calor transferido almaterial adyacente

Microgrietas

HazLáser

Partículasdepositadasen lasuperficie

Material fundidoexpulsado Efecto de la onda de

choque en lasuperficie

Capasolidificada

Zona afectadapor el calor

Daño causadoal materialadyacente

1 cm 1 cmα =90º

Procesado y mecanizado de cerámicas superconductoras de Bi-2212 contécnicas láser Tesis doctoral Clara Isabel López Gascón



Propuesta: Estudiar el sistema Bi2212-Bi2223Dopaje del Bi2212

Objetivo B: Mejora de las propiedades superconductoras de los texturados a77 K.

Resultados:

En el sistema Bi2212-Bi2223, los granosde Bi2223 no mantienen la orientación.No mejoran las propiedades de transporte.

El dopaje con Pb mejora la capacidad delimitación. Aumenta el exponente de la I-V

La adición de Ag mejora las propiedadesmecánicas.

Textured Bi-Sr-Ca-Cu-O rods processed by laser floatingzone from solid state or melted superconductors, M. F.Carrasco et al, Physica C 415 (2004) 163

Ag distribution in thick Bi-2212 floating zone texturedrods, A. Sotelo et al, J. Europ.Ceram. Soc. (en prensa)



Propuesta: Análisis de las inhomogeneidades inducidas durante el procesado.Correlación entre inhomogeneidades y las propiedades superconduc.Estudio de los mecanismos de anclaje.

Objetivo C: Determinación y análisis de las distribuciones de corriente enestos materiales.

Se ha analizado el efecto del dopaje de MgB2 connano-partículas de SiC (30-50 nm) en ladistribución de energías de anclaje, m(U0).

m(U0) de las muestras dopadas, son similares a lasde las muestras sin dopar, pero desplazadas haciaenergías más altas.

Distribution of activation energies on undoped and SiC-doped superconducting wires, E. Martínez, R. Navarro,Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 1383

Resultados:

Se ha medido la distribución de corriente crítica en muestras de Bi-2212 obtenidas porfusión parcial inducida con láser



Propuesta: Estudio del proceso de electrodeposición de Ag en medio no acuoso.Optimización del proceso.Deposición de Au.

Objetivo D: Fabricación de contactos y recubrimientos metálicos porelectrodeposición.

Responsable: Grupo de Carboquímica

Resultados: Se han logrado fabricar contactos de Ag con valores de resistencia específicamenores que 10-9 Ωcm2 y de forma reproducible.

High quality silver contacts on ceramic superconductors obtained by electrodeposition in non-aqueous solvents, L.A. Angurel et al, Supercond. Sci. Technol. 18 (2005) 135

Aleaciones de Ag-Au deposicionessucesivas de cada elemento antes delproceso de recocido del material.



Difusión de los resultados:

PUBLICACIONES14 publicaciones en revistas del SCI. En el 50% aparecen autores de más de ungrupo de investigación involucrado en el proyecto

COMUNICACIONES A CONGRESOSCongresos Nacionales: VI Reunión Nacional de Electrocerámica, VIII CongresoNacional de Materiales, XLIV Congreso de la Sociedad Española de Cerámica yVidrio, VII Reunión Nacional de Electrocerámica.

Congresos Internacionales: EUCAS 2003 (2 comunicaciones), Electroceramics IX (1comunicación), EUCAS 2005 (3 comunicaciones)

PÁGINA WEBhttp://www.unizar.es/icma/depart/superconductivity/proyectos/mat2002.htm?menu=sa



Colaboraciones con otros laboratorios:Grupo de la Dra. N. Casañ del ICMABFabricación de contactos y recubrimientos con técnicas de electrodeposición.

Grupo del Dr. L. García-Tabarés del CEDEX-CIEMATFabricación de barras de alimentación para aceleradores.

Grupo de la Dra. Florinda Mendes da Costa de la Universidad de AveiroObtención de la fase Bi-2223 en materiales texturados por fusión zonal (Acción

integrada).

Grupo del Dr. R. Moreno del ICVAplicación de técnicas de colaje en cinta para la obtención de láminas de MgO.

Grupo del Dr. M.A. Rodríguez del ICVAplicación de nuevos métodos de síntesis para la obtención de MgB2.

HIPERMAG (Acción STREP del VI PM)Estudio de la estabilidad térmica de conductores de MgB2.



Colaboraciones con empresas:

Colorobbia España S.A.Convenio para la aplicación de tecnología láser desarrollada en el proyecto a los

materiales que normalmente procesan.

KerabenConvenio para la aplicación de tecnologías láser en el procesado de grandes

superficies.



Tesis doctorales:

Procesado y mecanizado de cerámicas superconductoras de Bi-2212 contécnicas láser

Clara Isabel López Gascón Defendida el 22 de abrilFinanciación con proyectos industriales y dotación adicional.

Fabricación de láminas gruesas de Bi-2212 con fusión zonal inducida conláser

Fernando Gimeno Bellver A presentar a finales de 2005Becario FPI asignado al proyecto

Estudio de la estabilidad térmica de conductores de MgB2.Mónica Martínez López Iniciada el pasado mes de octubreContrato asociado al proyecto europeo HIPERMAG



Perspectivas de futuro:Hasta la finalización del proyecto:

Perspectivas a más largo plazo:

Completar la caracterización magnética de láminas de Bi-2212Estudio de los mecanismos de anclaje

Mecanizar láminas:

Evaluar la capacidad de limitación de muestras de Bi-2212 de al menos 50 cm2

Cuantificar la estabilidad térmica en materiales de Bi-2212Fabricar hilos multifilamento de MgB2

Fabricación de hilos compuestos que combinen la compatibilidad química con el precursor(ej, Fe, Nb, Ni, etc) con metales con altas conductividades térmicas y eléctricas (ej. Cu).

Fabricación de recubrimientos de sustratos cerámicos tradicionales en la industria cerámica.

Analizar la viabilidad para obtener materiales basados en YBaCuO.

Diseñar dispositivos: barras de alimentación y limitadores de corriente.

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