Elemento superconductor y procedimiento de preparación correspondiente.

Elemento superconductor que comprende un soporte rígido realizado en un material no superconductor,

comprendiendo dicho soporte por lo menos una pista superconductora formada de una ranura que contiene unmaterial superconductor que presenta una densidad real igual a por lo menos 85% del valor de su densidad teórica,preferentemente igual a por lo menos 88%; seleccionándose dicho material superconductor del grupo que consisteen MgB2, FeNdAsO0,85, FeTe0,5Se0,5, Sr2CuO3,4, preferentemente MgB2; caracterizado porque es sinterizado dichomaterial superconductor tratando térmicamente un precursor en el interior de dicha ranura.

Elemento superconductor y procedimiento de preparación correspondiente.

La presente invención se refiere a un elemento superconductor y a un procedimiento de preparación correspondiente.

La presente invención está incluida en el campo técnico de materiales superconductores.

En la diferente aplicación industrial en la que se usan materiales superconductores, se debe garantizar que estos materiales tienen características adecuadas de estabilidad térmica y mecánica, además de funcionalidades electrotécnicas específicas.

En el estado de la técnica, los materiales superconductores se preparan normalmente en forma de hilos, tiras gruesas o delgadas, o en forma de cuerpos masivos. Los hilos y tiras, que tienen normalmente un grosor menor que 1 milímetro, se ensamblan junto con soportes realizados en material no superconductor del tipo metálico o aislante eléctrico. La función de los soportes es dar al material superconductor características adecuadas de resistencia mecánica, además de las características eléctricas y térmicas adecuadas, cuando sea necesario. El ensamblaje del hilo o tira superconductor con un soporte, sin embargo, reduce sustancialmente la sección de hilo o tira disponible para el paso de corrientes superconductoras. En casos extremos, la relación entre la sección superior y la sección global del hilo o tira pueden caer hasta valores menores que 20-30% del valor original del hilo o tira superconductor, reduciendo drásticamente la densidad de la corriente superconductora transportada.

También se describen en la bibliografía limitadores de corriente de falla, que consisten en insertos superconductores encerrados en soportes no superconductores. Sin embargo, estos limitadores de corriente de falla tienen un campo de aplicación limitado a bajas corrientes. De hecho, se basan en insertos superconductores producidos con materiales superconductores, tales como óxidos superconductores en forma policristalina, que, debido a las barreras entre los granos cristalinos, no tienen una densidad de corriente crítica que sea tal para que también se puedan usar para otras aplicaciones electrotécnicas, tales como aquellas que tienen campos magnéticos elevados. En particular, su densidad de corriente crítica no es capaz de producir densidad de flujo de campo magnético económica comparable o mejor que las que se pueden producir con electroimanes normales o con imanes permanentes clásicos, típicamente limitadas a valores por debajo de 1 tesla.

A diferencia de hilos o tiras, las corrientes superconductoras pueden pasar a través de toda la sección de los materiales superconductores en forma de cuerpos masivos. Generalmente se preparan en forma de placas, cilindros, anillos o tubos que tienen un grosor de varios milímetros. Cuando el material superconductor es maleable, tal como, por ejemplo, Pb y Nb (materiales superconductores a temperaturas menores que 9 K) , también se pueden preparar en forma de hojas o láminas delgadas.

Para aplicaciones a temperaturas mayores que 10 K, los cuerpos masivos superconductores pueden consistir en:

- óxidos cerámicos, tales como, por ejemplo, cupratos a base de itrio y bario (superconductores hasta la temperatura crítica, Tc, de alrededor de 90 K) , o basados en estroncio, tal como, por ejemplo, Sr2CuO3, 4 (Tc = 95 K) , o basados en bismuto, estroncio y calcio (Tc = 110 K) ,

- materiales a base de hierro, tales como, por ejemplo, FeTe0, 5Se0, 5 (Tc = 13 K) o Ba0, 6K0, 4Fe2As2 (Tc = 38 K) o FeAsNdO0, 85 (Tc = 51 K) ,

- diboruro de magnesio (Tc = 39 K) ,

- compuestos intermetálicos, tales como, por ejemplo, Nb3Sn (Tc = 18, 7 K) , Nb3Al (Tc = 21, 3 K) o Nb3Ge (Tc = 23, 6 K) .

Los mejores comportamientos, en términos de densidad de corriente crítica, se obtienen generalmente con materiales masivos en forma muy densificada, en particular cuando están en un estado de perfección cristalina elevada (estado monocristalino) .

Sin embargo, la preparación de materiales masivos superconductores en una forma muy densificada y en estado monocristalino no es fácil de hacer. El crecimiento y el proceso de orientación de los granos cristalinos es, de hecho, un proceso más bien largo y complejo, que requiere en particular un control cuidadoso de la temperatura durante el proceso de cristalización y que conduce a productos finales superconductores que tienen una dimensión máxima limitada a unos pocos centímetros.

Entre los materiales superconductores anteriores producidos en forma masiva y que tienen una temperatura crítica mayor que 10 K, se puede distinguir el diboruro de magnesio (MgB2) por ser capaz de adoptarlo también de forma útil en forma policristalina. Esto es posible ya que el paso de las corrientes superconductoras en este material no está influido enormemente por el paso de los límites entre los granos cristalinos y la orientación de los propios granos. Una característica distintiva adicional del diboruro de magnesio es que se puede preparar en una forma muy densificada.

De forma análoga a otros materiales superconductores que tienen una temperatura crítica mayor que 10 K, el diboruro de magnesio es sin embargo un material frágil, y por lo tanto también requiere un refuerzo mecánico adecuado para permitir que sea usado de forma eficaz en la mayoría de sus aplicaciones. En particular, una resistencia mecánica adecuada es indispensable en aplicaciones caracterizadas por la presencia de fuerzas electromagnéticas particularmente intensas, tales como, por ejemplo, en imanes para campos magnéticos elevados en los que las corrientes eléctricas en cuestión son del orden de miles de amperios y las densidades de flujo de campo magnético son generalmente mayores que un tesla.

Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones, el uso de productos finales superconductores masivos que tienen un grosor considerable (del orden de un centímetro o mayor) , independientemente del material superconductor, no es conveniente. Esto es debido, por un lado, al hecho de que las corrientes superconductoras tienden a distribuirse sobre sólo una parte del producto final superconductor (prevalentemente sobre la superficie) , y, por otro lado, al hecho de que grandes grosores evitan un enfriamiento rápido del material superconductor cuando, durante su funcionamiento, se encuentran en transiciones desde el estado de superconductividad al de conducción normal, acompañado por la liberación instantánea de grandes cantidades de energía térmica.

Un problema técnico adicional de los dispositivos superconductores con insertos sobre soportes rígidos conocidos en el estado de la técnica se basa en el hecho de que, con las técnicas conocidas, no siempre es posible producir dispositivos en la forma y dimensiones deseadas.

Con el fin de obtener cuerpos sinterizados de materiales cerámicos particularmente densos, y cuando el tipo de material, por razones termodinámicas, evita su sinterización espontánea a presión atmosférica, se pueden usar técnicas de densificación mediante compresión en caliente. Estas técnicas comprenden aplicar una presión a los polvos cerámicos previamente compactados, a temperaturas típicas de sinterización (aproximadamente alrededor de 3/4 de la temperatura de fusión absoluta del material) para favorecer el proceso de sinterización. Las temperaturas oscilan generalmente desde 700ºC hasta 1600ºC, y las presiones pueden alcanzar varios cientos de atmósferas. Dependiendo del procedimiento con el que se aplique la presión, puede haber: a) compresión uniaxial, b) compresión isostática. Para la compresión uniaxial, se usan prensas que tienen el recipiente de polvo y un pistón de compresión generalmente hechos de grafito, que se pueden calentar por ejemplo mediante inducción o con resistores específicos hechos de carburo de silicio. La principal desventaja de esta técnica es debida a la resistencia mecánica del recipiente, que limita considerablemente las dimensiones de las piezas a prensar.

Por lo tanto, la compresión uniaxial es adecuada para producir productos finales que tienen dimensiones extremadamente diferentes en las dos direcciones espaciales (por ejemplo, placas o láminas) , de manera que no hay grandes deformaciones en una dirección perpendicular a la de la aplicación de la presión.

La compresión isostática usa un gas caliente como fluido para transferir la presión aplicada a los polvos que se van a sinterizar. La compresión isostática se efectúa en una máquina que comprende una cámara cerrada herméticamente a gran presión en la que se inserta la pieza a densificar, se cubre con una cubierta metálica o con una capa de material vítreo que se hace plástico a temperaturas elevadas de tratamiento, para ayudar a la transferencia... [Seguir leyendo]

1. Elemento superconductor que comprende un soporte rígido realizado en un material no superconductor, comprendiendo dicho soporte por lo menos una pista superconductora formada de una ranura que contiene un material superconductor que presenta una densidad real igual a por lo menos 85% del valor de su densidad teórica, preferentemente igual a por lo menos 88%; seleccionándose dicho material superconductor del grupo que consiste en MgB2, FeNdAsO0, 85, FeTe0, 5Se0, 5, Sr2CuO3, 4, preferentemente MgB2; caracterizado porque es sinterizado dicho material superconductor tratando térmicamente un precursor en el interior de dicha ranura.

2. Elemento superconductor según la reivindicación 1, en el que la pista superconductora está

(i) cerrada, preferentemente con una forma circular y/o

(ii) cerrada o abierta, con extensión helicoidal y/o

(iii) abierta, del tipo lineal y/o

(iv) abierta, con una extensión de tipo banda o trenzada.

3. Elemento superconductor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una o más pistas en espiral abiertas incrustadas sobre las caras opuestas de un soporte plano o a lo largo de las paredes opuestas de un soporte cilíndrico, estando conectadas entre sí dichas pistas a través de orificios en el soporte rellenados con el material superconductor.

4. Elemento superconductor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la superficie del soporte rígido y la de la ranura se revisten con una película de revestimiento de material eléctricamente aislante, preferentemente una película de un material seleccionado de entre MgO, SiO2, Al2O3, NiO, Fe2O3, TiO2, ZnO, ZrO2, Y2O3 o sus compuestos, o bien una película de Fe, Ni o Ti.

5. Elemento superconductor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el soporte rígido está realizado en un material seleccionado de entre acero inoxidable no magnético, aleación de hierro/níquel, níquel y aleaciones de níquel/cobre con un contenido de níquel superior a 50%, titanio, compuestos de estos materiales con cobre, compuestos intermetálicos que presentan un punto de fusión superior a 1100ºC, compuesto de cinc-telurio.

6. Elemento superconductor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dos puntos de la pista conductora están conectados a través de un filamento superconductor que presenta la función de un interruptor superconductor térmico.

7. Dispositivo superconductor que comprende un primer y un segundo elemento superconductor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, presentando cada uno por lo menos una pista abierta, en el que una primera pista abierta de dicho primer elemento superconductor está conectada a través de uno o más filamentos superconductores a una segunda pista abierta de dicho segundo elemento superconductor.

8. Imán que comprende un elemento superconductor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.

9. Utilización de un elemento superconductor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, como:

- conductores de corriente para sistemas superconductores o varillas de transporte de corriente de densidad elevada entre redes eléctricas,

- imanes para motores o generadores eléctricos de eficiencia elevada,

- limitadores de corriente,

- imanes para acumular energía eléctrica,

- bobinas transformadoras,

- imanes en dispositivos para purificar aguas residuales o para purificar polvo de carbón de sustancias sulfurosas,

- imanes de campo variable para enfriamiento criogénico diamagnético,

- calentadores de inducción magnética de eficiencia elevada,

- cojinetes magnéticos en sustentación de fricción extremadamente baja, para sistemas rotativos,

- imanes de campo elevado para la separación magnética de materiales o para la orientación de sustancias diamagnéticas anisotrópicas,

- motores lineales superconductores para vehículos de levitación,

- imanes para realizar campos magnéticos estáticos en aparatos de resonancia magnética,

- imanes para aceleradores de partículas,

- imanes de grandes dimensiones para estudios sobre fusión nuclear,

- antenas para transmitir o recibir ondas electromagnéticas en el campo de las microondas.

10. Procedimiento para preparar un elemento superconductor según la reivindicación 1, que comprende las etapas operativas siguientes:

a) realizar por lo menos una ranura sobre la superficie de un soporte rígido realizado en un material no superconductor;

b) insertar un precursor en polvo de un material superconductor dentro de la ranura y compactarlo hasta un valor de densidad real igual a por lo menos 50% del valor de la densidad teórica;

c) ubicar por lo menos un reactivo sólido en contacto con el polvo de precursor o bien en una posición adyacente a la ranura en la que está contenido el polvo;

d) someter al reactivo y a la ranura que contiene el precursor a calentamiento hasta que el reactivo licue y se infiltre a continuación en el interior del polvo de precursor con la formación de una pista superconductora en el interior de la ranura.

11. Procedimiento según la reivindicación anterior, en el que la etapa d) comprende llenar la ranura o ranuras realizadas sobre el soporte en la etapa a) con un precursor de un material superconductor seleccionado del grupo que consiste en:

- polvo de boro posiblemente con la adición de polvo de carbono submicrónico, con polvo de SiC submicrónico

o con polvos de aleación de Mg-Zn o de Mg-Co;

- mezcla de polvo de aleación de Cu-Sr y polvo de peróxido de estroncio;

- mezcla de polvos de hierro y de un elemento que pertenece al grupo de tierras raras (lantánidos) , preferentemente neodimio;

- mezcla de polvos de Fe y Te, posiblemente con azufre añadido;

- mezcla de polvos de Fe y Se, posiblemente con azufre añadido.

12. Procedimiento según la reivindicación 10, en el que la etapa b) comprende llenar la ranura o ranuras realizadas sobre el soporte en la etapa a) con un precursor que consiste en polvo de boro cristalino o amorfo mecánicamente activado.

13. Procedimiento según la reivindicación anterior, en el que en la etapa c) el reactivo es un cuerpo de magnesio metálico cristalino con una pureza por encima de 99%, preferentemente en forma de lámina.

14. Procedimiento según la reivindicación anterior, en el que la etapa d) comprende un tratamiento térmico del precursor insertado en el soporte y de los reactivos sellados en el interior del recipiente a una temperatura de por lo menos 700ºC durante un tiempo de por lo menos 30 minutos, preferentemente hasta una temperatura de entre 750ºC y 900ºC durante 1-5 horas.

15. Procedimiento según la reivindicación 10, en el que en la etapa c) el reactivo es un cuerpo sólido de

- peróxido de estroncio, si el precursor es una mezcla de polvo de aleación de Cu-Sr y polvo de peróxido de estroncio, para obtener pistas superconductoras de Sr2CuO3, 4;

- telurio, selenio o una aleación de telurio-selenio, si el precursor es una mezcla de polvos de Fe y Te, o bien una mezcla de polvos de Fe y Se, para obtener pistas superconductoras de FeTe0, 5Se0, 5;

- compuestos de As y óxido de As, si el precursor es una mezcla de polvos de hierro y neodimio, para obtener unas pistas superconductoras de FeNdAsO0.85.

16. Procedimiento según la reivindicación 10, en el que la etapa d) comprende un tratamiento térmico del precursor insertado en el soporte y de los reactivos sellados en el interior del recipiente a una temperatura de entre 400ºC y 1100ºC y durante un tiempo variable de entre 30 minutos y 30 horas.

17. Procedimiento según la reivindicación 15, en el que la etapa d) comprende un tratamiento térmico del precursor insertado en el soporte y de los reactivos sellados en el recipiente

- para obtener unas pistas superconductoras de FeNdAsO0, 85, a una temperatura de entre 900ºC y 1200ºC y

durante un tiempo variable de entre 30 minutos y 30 horas; 10

- para obtener unas pistas superconductoras de FeTe0, 5Se0, 5, a una temperatura de entre 500ºC y 900ºC y durante un tiempo variable de entre 30 minutos y 10 horas;

- para obtener unas pistas de Sr2CuO3, 4, a una temperatura de entre 400ºC y 1000ºC y durante un tiempo de

entre 1 hora y 20 horas, seguido de un segundo tratamiento térmico a temperaturas de entre la temperatura ambiente y 300ºC durante un tiempo de entre 1 y 10 horas, en atmósfera oxidante o reductora.