Guardia Valenzuela, Jorge
Arenal de la Concha, Raúl (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2019
Resumen: Esta tesis doctoral se ha realizado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), ubicada en Ginebra (Suiza).
En el CERN se estudia la estructura y la física de la materia, con ayuda de haces de partículas de alta energía. El acelerador “Gran Colisionador de Hadrones” (LHC) produce el haz de partículas con la mayor energía del mundo. La energía total contenida en el haz equivale a la energía de un avión Airbus A320 lleno (66 t) viajando a 380 km/h, pero concentrada en el diámetro de la mina de un lápiz. Para trabajar con esos haces de alta energía son necesarios equipos de protección e interceptación del haz, particularmente los colimadores. Los materiales absorbentes de los colimadores tienen que resistir a uno de los entornos más duros creados por el hombre. Además de eso, no pueden alterar el funcionamiento normal del acelerador, lo que introduce requisitos adicionales como alta conductividad eléctrica o compatibilidad con ultra alto vacío. Finalmente, tiene que ser posible producir estos materiales industrialmente, por lo que se necesitan procesos fiables y económicamente viables.
En los próximos años, está prevista una importante serie de mejoras llamada “LHC de alta luminosidad” (HL-LHC upgrade), que requiere colimadores con materiales absorbentes de mejores prestaciones. Esto plantea el desarrollo de nuevos materiales.
Los materiales compuestos de matriz grafítica, en concreto los que incluyen las ventajas del sinterizado en fase líquida, pueden cumplir con la inusual combinación de propiedades. Aparte de alta densificación por infiltración de poros, una fase líquida adecuada induce grafitización catalizada por medio de la disolución de átomos individuales de carbono y precipitación de grafito “fresco”.
Esta tesis busca ampliar significativamente el conocimiento de los mecanismos físicos — como la grafitización catalizada — que controlan el comportamiento de estos materiales. Uno de los objetivos principales de esta investigación es encontrar nuevas rutas de producción que reduzcan el coste y faciliten el control del sinterizado, por lo tanto, que consigan aumentar su aplicación y uso en el mercado. Un gran abanico de elementos ha sido explorado, de los cuales el cromo fue seleccionado.
Cuatro grados de material carburo de cromo - grafito (CrGr) fueron producidos y caracterizados en profundidad. Se han presentado resultados de la caracterización termofísica de todos los grados desarrollados. Los ensayos incluyen caracterización de la microestructura e identificación de las fases cristalinas. Los coeficientes de expansión térmica y la estabilidad de las fases se han caracterizado con difracción de rayos X in-situ hasta 600°C. Los resultados se han comparado con dos grados comerciales de grafito también caracterizados: grafito pirolítico y grafito isotrópico de grano fino (grado nuclear).
Los composites de carburo-grafito investigados están mayoritariamente compuestos de grafito orientado, por lo que muestran un comportamiento transversalmente isótropo con propiedades en la dirección de los planos basales comparables a las de grafitos orientados puros. Sin embargo, a diferencia de estos últimos, que son extremadamente anisotrópicos, los composites mantienen propiedades termofísicas y mecánicas razonables en la dirección perpendicular a los planos basales.
Además de ser aplicable en física de altas energías, la combinación de propiedades de estos composites es atractiva para un amplio catálogo de aplicaciones de transferencia de calor, particularmente aeroespaciales y electrónicas, donde se necesitan bajos coeficientes de expansión, bajas densidades y altas conductividades térmicas.
Resumen (otro idioma):
En el CERN se estudia la estructura y la física de la materia, con ayuda de haces de partículas de alta energía. El acelerador “Gran Colisionador de Hadrones” (LHC) produce el haz de partículas con la mayor energía del mundo. La energía total contenida en el haz equivale a la energía de un avión Airbus A320 lleno (66 t) viajando a 380 km/h, pero concentrada en el diámetro de la mina de un lápiz. Para trabajar con esos haces de alta energía son necesarios equipos de protección e interceptación del haz, particularmente los colimadores. Los materiales absorbentes de los colimadores tienen que resistir a uno de los entornos más duros creados por el hombre. Además de eso, no pueden alterar el funcionamiento normal del acelerador, lo que introduce requisitos adicionales como alta conductividad eléctrica o compatibilidad con ultra alto vacío. Finalmente, tiene que ser posible producir estos materiales industrialmente, por lo que se necesitan procesos fiables y económicamente viables.
En los próximos años, está prevista una importante serie de mejoras llamada “LHC de alta luminosidad” (HL-LHC upgrade), que requiere colimadores con materiales absorbentes de mejores prestaciones. Esto plantea el desarrollo de nuevos materiales.
Los materiales compuestos de matriz grafítica, en concreto los que incluyen las ventajas del sinterizado en fase líquida, pueden cumplir con la inusual combinación de propiedades. Aparte de alta densificación por infiltración de poros, una fase líquida adecuada induce grafitización catalizada por medio de la disolución de átomos individuales de carbono y precipitación de grafito “fresco”.
Esta tesis busca ampliar significativamente el conocimiento de los mecanismos físicos — como la grafitización catalizada — que controlan el comportamiento de estos materiales. Uno de los objetivos principales de esta investigación es encontrar nuevas rutas de producción que reduzcan el coste y faciliten el control del sinterizado, por lo tanto, que consigan aumentar su aplicación y uso en el mercado. Un gran abanico de elementos ha sido explorado, de los cuales el cromo fue seleccionado.
Cuatro grados de material carburo de cromo - grafito (CrGr) fueron producidos y caracterizados en profundidad. Se han presentado resultados de la caracterización termofísica de todos los grados desarrollados. Los ensayos incluyen caracterización de la microestructura e identificación de las fases cristalinas. Los coeficientes de expansión térmica y la estabilidad de las fases se han caracterizado con difracción de rayos X in-situ hasta 600°C. Los resultados se han comparado con dos grados comerciales de grafito también caracterizados: grafito pirolítico y grafito isotrópico de grano fino (grado nuclear).
Los composites de carburo-grafito investigados están mayoritariamente compuestos de grafito orientado, por lo que muestran un comportamiento transversalmente isótropo con propiedades en la dirección de los planos basales comparables a las de grafitos orientados puros. Sin embargo, a diferencia de estos últimos, que son extremadamente anisotrópicos, los composites mantienen propiedades termofísicas y mecánicas razonables en la dirección perpendicular a los planos basales.
Además de ser aplicable en física de altas energías, la combinación de propiedades de estos composites es atractiva para un amplio catálogo de aplicaciones de transferencia de calor, particularmente aeroespaciales y electrónicas, donde se necesitan bajos coeficientes de expansión, bajas densidades y altas conductividades térmicas.
Resumen (otro idioma):
Pal. clave: grafito ; materiales compuestos ; propiedades de materiales ; aceleradores de particulas
Titulación: Programa de Doctorado en Física
Plan(es): Plan 488
Nota: Presentado: 20 09 2019
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2019
Enlace permanente:
Registro creado el 2021-11-08, última modificación el 2021-11-08
