Análisis de los procesos de interacción laser- materia en materiales metálicos

Después de varios años de investigación y desarrollo, la tecnología láser se ha convertido en uno de las herramientas más comunes que se utilizan en casi cualquier industria. El láser es bien conocido por su alta precisión, ambientalmente amigable y rentable para la producción. Por esta razón, siguen surgiendo nuevas aplicaciones de láser, especialmente en la industria manufacturera.El objetivo de este proyecto es estudiar la interacción del láser cuando incide sobre la superficie de los metales, en particular cuando se utilizan láseres emitiendo pulsos de centenares de ps. En este proyecto nos hemos centrado en la interacción de los láseres con el Aluminio 6061. Se ha trabajado con láseres emitiendo con dos longitudes de onda, un láser de Infrarrojo cercano (n-IR) y uno de Ultravioleta (UV). Se han modificado los parámetros láser de procesado con el fin de analizar qué procesos y estructuras se generan en la superficie del metal. Después de cada experimento, las superficies tratadas se han analizado con microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM) disponible en el Servicio de Microscopia Electrónica de Materiales del Servicio General de Apoyo a la Investigación -SAI de la Universidad de Zaragoza. En este trabajo se describen los fundamentos del láser, la influencia de las propiedades del material en el proceso de interacción láser-materia y la generación de LIPSS en la superficie del metal. Los resultados se han analizado con el fin de determinar la influencia de diversas variables de procesado (longitud de onda del láser, los valores de fluencia, la energía de incubación, la dirección de polarización y la atmósfera de procesado) en las nanoestructuras que se han generado en la superficie del metal

Technological solutions and laser processes for the development of superconductor-based applications.

El trabajo realizado en esta tesis doctoral aborda diferentes retos asociados con la implantación de tecnología superconductora en diversas aplicaciones. En la primera parte, se analiza la estabilidad térmica de cables y bobinas superconductoras. En particular, se ha estudiado la generación y propagación de quench en cables de diboruro de magnesio (MgB2) con geometría Rutherford. Se han empleado dos configuraciones para estudiar la dinámica de quench en estos conductores: la generación de calor localizada, simulando un punto caliente gracias a un calentador externo; y la aplicación de sobrecorrientes (corrientes por encima de la corriente crítica del cable). Además, se ha analizado la estabilidad térmica de una bobina tipo doble pancake fabricada con cinta de material superconductor de alta temperatura de segunda generación (2G-HTS), la cual se bobinó de forma continua y sin aislamiento entre espiras. La bobina se ancló térmicamente al dedo frío de un crio-generador para ser enfriada por conducción. Se ha analizado el comportamiento térmico y electromagnético de esta bobina incluyendo los procesos de carga y de descarga, la medida de la corriente crítica de la bobina, las pérdidas generadas, y sus diferentes contribuciones, durante las rampas de carga y descarga, así como la conductancia térmica que se establece en las diferentes uniones térmicas que se han utilizado para refrigerar la bobina.Para poder realizar estos estudios fue necesario inyectar de forma estable corrientes por encima de los 400 A. Esto supuso un reto por el calor generado en el equipo y en las barras de corriente, con un extremo a temperatura ambiente y otro a temperaturas criogénicas, por lo que son necesarios disipadores térmicos, que deben tener buena conductancia térmica y aislamiento eléctrico. En esta tesis se ha propuesto para esta aplicación emplear piezas de cobre recubiertas por una capa de alúmina proyectada por plasma, que es posteriormente densificada y re-fundida mediante el procesado láser de superficies, consiguiendo así una mejora notable de su conductividad térmica.Otro de los objetivos que se han abordado en este trabajo fue estudiar si las propiedades superconductoras pueden verse modificadas por la interacción con radiación láser. La versatilidad de las tecnologías láser permite facilitar la formación de nanoestructuras en la superficie del material con una disposición casi periódica, lo que abre un nuevo camino a la ingeniería de superficies. En esta tesis se ha estudiado como los tratamientos láser pueden modificar las propiedades superconductoras del material. Para estos estudios se han utilizado muestras de niobio por ser el elemento puro superconductor con una temperatura crítica y campos magnéticos críticos más altos. Dichas estructuras han sido generadas con distintos láseres: un láser ultravioleta con pulsos en el rango de cientos de picosegundos, y dos láseres que emiten pulsos en el infrarrojo cercano en el rango de los femtosegundos. Además, se han estudiado tratamientos en diferentes atmósferas. Esta modificación superficial es de gran interés para una aplicación directa del material, como es la construcción de cavidades resonantes de radio frecuencia.<br /

Comportamiento electromagnético y térmico de superconductores REBCO en aplicaciones de potencia. Optimización de bobinas y uniones

El desarrollo de los materiales superconductores y la tecnología asociada a ellos ha permitido en las últimas décadas la construcción de prototipos en multitud de aplicaciones que abarcan casi todos los campos de la tecnología eléctrica, desde la generación hasta la distribución. Se han diseñado y construido un número considerable de dispositivos superconductores, como limitadores de corriente, SMES, cables, motores y generadores, llegando a instalar algunos de ellos en la red. Muchas de estas aplicaciones requieren bobinas robustas y fiables. El trabajo propuesto durante esta tesis pretende abordar el estudio de varios problemas que presentan actualmente los bobinados fabricados con superconductores de alta temperatura de segunda generación (2G-HTS), prestando especial atención a los aspectos tecnológicos de diseño y optimización electromagnética y térmica de bobinas. Al ser materiales cerámicos, se tienen que tener en cuenta las tensiones y deformaciones que se producen durante su manipulación y bobinado. Por esta razón, existe un diámetro mínimo y unas tensiones máximas que no hay que superar ya que se pueden formar grietas en el superconductor produciendo así una degradación irreversible en su corriente crítica (Ic). Por otro lado, la diferencia de coeficientes de expansión térmica entre la resina epoxi que impregna el bobinado y la cinta superconductora, genera una acumulación de tensiones en la bobina que puede conllevar la aparición de problemas de delaminación en la estructura de la cinta superconductora produciendo una disminución de la Ic de la misma. Además, se debe asegurar una buena estabilidad térmica para conseguir la fiabilidad del dispositivo. De ahí, que el estudio y análisis de los procesos de transición al estado resistivo de todo el conductor (quench), juegue un papel esencial a la hora de diseñar los dispositivos superconductores ya que podría dañarlos de forma irreversible. Si se produce un quench, el sistema debe ser capaz de detectarlo lo más rápido posible y conseguir una rápida recuperación para así proteger al conductor. Por otro lado, en el diseño y fabricación de dispositivos superconductores es necesario termalizar adecuadamente no sólo el superconductor, sino todos los componentes criogénicos del sistema, de forma que se consiga mantener la estabilidad térmica del conjunto. Para conseguir este objetivo, los sistemas criogénicos se diseñan habitualmente con una o varias etapas térmicas intermedias entre temperatura ambiente y la de operación, y los distintos componentes se conectan térmicamente a los diversos focos fríos. De esta forma se logra, además, aumentar la eficiencia térmica del sistema. Este hecho es todavía más relevante en sistemas superconductores refrigerados por conducción, en los que al prescindir del uso de líquidos criogénicos para dar más versatilidad a la hora de seleccionar la temperatura de trabajo, pueden presentar problemas adicionales para conseguir una buena estabilidad térmica frente a perturbaciones. La necesidad de optimizar la transferencia de calor en contactos mecánicos en sistemas criogénicos requiere un diseño adecuado de las uniones térmicas entre los dispositivos superconductores y sus soportes, así como entre estos soportes y las cabezas frías de los crio-refrigeradores. Obviamente los requerimientos y particularidades en el diseño dependen del dispositivo (tamaño, temperatura de operación, carga térmica…), así como del método de enfriamiento empleado: conducción, inmersión en un líquido criogénico (cooling bath), convección natural o forzada de un gas frío, sistema de tuberías por los que circula un líquido o gas criogénico (cooling pipes), etc.Otro problema a tener en cuenta en el diseño de uniones térmicas es que la mayor parte de los datos sobre resistencias térmicas publicados en la literatura corresponden a altas temperaturas (alrededor o por encima de temperatura ambiente) o cercanas o por debajo de la temperatura del helio líquido (4.2 K). Sin embargo, en el rango de 20 K a 100 K hay pocos datos, aunque ahora estos han cobrado un renovado interés con el aumento de aplicaciones que utilizan sistemas de enfriamiento de ciclo cerrado (crio-refrigerador), los cuales pueden operar a cualquier temperatura dentro de este rango.Este contexto es en el que se enmarca este trabajo. A lo largo de esta tesis se han abordado dos objetivos fundamentales. En primer lugar, se ha abordado el estudio de diferentes configuraciones de bobinados superconductores con el fin de avanzar en el proceso de comprensión de los procesos de generación y propagación de quench y de los posibles procesos de degradación durante ciclados térmicos. El segundo objetivo se ha centrado en el estudio de contactos térmicos en uniones metal-metal en sistemas de enfriamiento tipo “cooling pipe” y en uniones metal-aislante eléctrico-metal. La tesis se ha estructurado en seis capítulos:En el primer capítulo se ha realizado una revisión del estado del arte de los principales retos pendientes para poder lograr que los materiales superconductores de alta temperatura se puedan implantar en aplicaciones eléctricas de potencia.El capítulo 2 describe el proceso de fabricación de bobinas superconductoras 2G-HTS tipo pancake con un número de vueltas entre 10 y 30, utilizando diferentes configuraciones. Se ha trabajado con diferentes aislantes eléctricos y materiales metálicos entre vueltas en la fabricación de los bobinados. También se han usado dos métodos de impregnación con resinas epoxi, aplicando esta durante el proceso de fabricación de la bobina o posteriormente con técnicas de vacío. En todos los casos se ha controlado la tensión aplicada durante el proceso de bobinado, incluyendo la instrumentación necesaria para su posterior caracterización térmica y electromagnética.En el capítulo 3 se ha analizado, numérica y experimentalmente, la distribución de los valores de corriente crítica en diferentes regiones de la bobina correlacionando estos resultados con los de la cinta superconductora usada en su fabricación. Debido a la dependencia de la corriente crítica con el autocampo magnético generado por la propia bobina, los valores de corriente crítica local en el interior del bobinado varían en función de la posición de la espira. Es importante conocer esta distribución de corrientes críticas en el interior de la bobina con el fin de saber su corriente máxima de operación, así como poder asegurar que durante el proceso de fabricación de la bobina no se ha producido ningún daño en el material superconductor.En el capítulo 4 se ha realizado un estudio de los efectos de los ciclados térmicos en las propiedades superconductoras de las bobinas 2G-HTS fabricadas, para poder analizar los procesos de degradación que pudieran generarse. En el capítulo 5 se ha estudiado el comportamiento de las diferentes bobinas cuando se aplica una perturbación local de calor. De esta forma se han determinado los parámetros característicos en el desarrollo y propagación del quench: la energía mínima necesaria para generar el quench (MQE, Minimum Quench Energy), el volumen mínimo de propagación del quench (MPZ, Minumum Propagation Zone) y la velocidad de propagación del mismo (vp), tanto en la dirección tangencial (a lo largo del conductor), como en la dirección radial (entre vueltas). Se ha prestado especial atención al efecto del co-bobinado de la cinta superconductora con diversas cintas metálicas para lograr una mejora del comportamiento de la bobina frente al quench.El segundo objetivo de esta tesis se ha abordado, principalmente, en el capítulo 6. En él se ha estudiado en primer lugar, cómo optimizar la unión térmica entre una tubería de acero inoxidable por la que puede circular un líquido o gas criogénico y un bloque de aluminio, con el objetivo de optimizar la termalización de las pantallas anti-radiación (también de aluminio) para los futuros criostatos de los aceleradores de la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN). En segundo lugar, se han analizado las propiedades térmicas de uniones metal-aislante eléctrico-metal en muestras en los que el aislamiento eléctrico se consigue recubriendo placas de cobre con una capa de alúmina. Este tipo de uniones puede usarse también para termalizar la bobina o las barras de inyección de corriente a los distintos focos fríos en sistemas criogénicos enfriados por conducción. <br /

Desarrollo de procesos de limpieza de materiales metálicos con tecnologías láser. Aplicación en patrimonio.

La limpieza láser es una técnica moderna que puede utilizarse para eliminar los productos de corrosión y la contaminación en objetos metálicos. Sin embargo, para implantar esta técnica como un procedimiento estándar de limpieza en conservación del patrimonio, todavía es necesario explorar y definir metodologías concretas. En este trabajo, se han desarrollado experimentos de limpieza láser modificando y optimizando parámetros que incluyen la potencia, la frecuencia de repetición de pulsos, el interlineado láser y la velocidad de barrido, empleando láseres pulsados que emiten con diferentes longitudes de onda (infrarrojo y ultravioleta) y diferentes anchuras de pulso (50 ns, 800 ps y 300 ps). También se han definido protocolos de limpieza combinando el uso de varios láseres y en diferentes atmósferas, habiendo realizado tratamientos en aire, con la muestra inmersa en agua o con una capa de hidrocarburos. Utilizando técnicas de caracterización que incluyen difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido (FESEM), espectroscopía Mössbauer y microscopía confocal, se ha determinado la composición química y la microestructura resultante y asociada a cada tipo de tratamiento láser realizado. Se ha prestado una especial atención a las transformaciones de los compuestos de Fe inducidas por irradiación láser

Nanoparticle formation and emission during laser ablation of ceramic tiles

Pulsed laser ablation (PLA) is a widely used technology, for surface structuring and tile decoration in the ceramic industry. During PLA, nanoparticles (NP 10 nm) were formed and released during ablation of the porcelain tiles. Different release mechanisms were identified: during ablation with the near-IR laser particles were emitted through melting and nucleation, while emissions from the mid-IR laser were attributed to melting and mechanical shockwaves. Particle number and mass emissions were dependent on the tile surface characteristics (e.g., porosity, crystallinity) and chemical properties. This work is potentially relevant from the point of view of exposure mitigation strategies in industrial facilities where PLA is carried out