comportamiento mecÁnico de cintas superconductoras de …

COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE CINTAS SUPERCONDUCTORAS DE YBaCuO A 300 K Y 77 K

K. Konstantopoulou1, J. Y. Pastor1, J. J. Roa2, M. Segarra2 1 Departamento de Ciencia de Materiales, E. T. S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Universidad

Politécnica de Madrid, C/Profesor Aranguren s/n, 28040, Madrid, España. E-mail: [email protected]

2 Departamento de Ciencia de Materiales e Ing. Metalúrgica, Universidad de Barcelona. Facultad de Química, C/Martí y Franqués 1, 33204, Barcelona, España.

E-mail: [email protected]

RESUMEN

En el presente trabajo se han analizado las propiedades mecánicas de cintas monofilamento de YBaCuO a temperatura ambiente y a temperatura de funcionamiento, 77 K. Las cintas han sido fabricadas por American Superconductors y están formadas por un núcleo cerámico embebido en una matriz metálica. Para la caracterización mecánica de este material se realizaron ensayos de tracción y ensayos de fatiga, tanto a temperatura ambiente, 300 K, como a baja temperatura, 77 K, utilizando nitrógeno líquido como refrigerante. Por otra parte, se ha realizado un estudio fractográfico con el fin de identificar los parámetros que controlan el proceso de fractura. Los resultados experimentales muestran que las propiedades de las cintas mejoran a temperaturas criogénicas y todas ellas presentan un comportamiento elastoplástico independientemente de la temperatura del ensayo.

ABSTRACT

In the present study, have been researched the mechanical properties of superconductor tapes at room temperature and at service temperature, 77 K. The tapes have been produced by American Superconductors and are composed of a ceramic nucleus that is embedded in a metallic matrix. About the study of their mechanical properties have been carried out mechanical tensile strength tests and mechanical fatigue tests, both at room temperature, 300 K and low temperature, 77 K Moreover, has been studied the fracture surface of the tested tapes in order to investigate the parameters that control the fracture process. The obtained results present that the mechanical properties of the tapes are better at low temperature and all of them present an elastoplastic behaviour regardless of the test temperature. PALABRAS CLAVE: YBaCuO, comportamiento mecánico, cintas, superconductores, criogenia.

1. INTRODUCCIÓN Desde el descubrimiento de los materiales superconductores de alta temperatura crítica (SAT), muchas investigaciones se han centrado en la fabricación de imanes superconductores flexibles, asequibles y con alta capacidad de transporte de la corriente eléctrica. La extraordinaria capacidad de los SAT ha superado con creces los mínimos requeridos para las distintas aplicaciones comerciales [1], pero su aplicación en imanes superconductores, cables de potencia, bobinados para motores etc. [2-3] sólo puede ser viable si alcanzan las propiedades mecánicas necesarias para soportar las tensiones y deformaciones a tracción generadas durante la manipulación, las intensas fuerzas de Lorentz

inducidas en presencia de campos magnéticos y corrientes eléctricas. Para todas estas aplicaciones los SAT deben tolerar una cierta deformación crítica, εCrit, que se define como la deformación mecánica máxima que pueden soportar sin que se degrade la corriente crítica, IC, y que es del orden de 0,2%. Además, el límite elástico debería encontrarse en el intervalo de 100 y 300 MPa [4]. En el caso de las cerámicas masivas se cumple esta última condición, pero son muy frágiles y sin apenas deformación a rotura. Por esta razón, es necesario el desarrollo de cintas superconductoras formadas por núcleos o filamentos cerámicos embebidos en una matriz metálica.

Anales de Mecánica de la Fractura 28, Vol. 1 (2011)

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El recubrimiento externo metálico de las cintas aporta cierta flexibilidad a la misma, lo que facilita su manipulación y moldeabilidad y protege los SAT de las agresiones externas del medio. Este es un factor muy importante que los SAT son muy sensibles a la degradación por presencia de agua. Por otro lado, hay muy pocos estudios sobre las propiedades mecánicas de cintas superconductoras y especialmente en las condiciones de servicio, 77 K. En este trabajo se pretende estudiar el comportamiento mecánico y los mecanismos de deformación y rotura de estas cintas tanto a 300 K como a 77 K. 2. EL MATERIAL Se ha estudiado el comportamiento mecánico en función de la temperatura de cintas monofilamento fabricadas por American Superconductors. Las dimensiones de las cintas estudiadas son 4,18 mm de anchura y 0,13 mm de espesor y fueron embebidas en una matriz metálica de Cu-Zn con Ag como elemento de unión entre las fases (figura 1). 3. TÉCNICAS EXPERIMENTALES Para la caracterización mecánica de las cintas se realizaron ensayos de tracción y de fatiga a lo largo de la dirección longitudinal de la cinta usando una máquina servo-hidráulica (Instron 850). Ambos ensayos fueron realizados a temperatura ambiente, 300 K y baja temperatura, 77 K, utilizando una cámara criogenica desarrollada para este propósito como se verá más adelante. La cinta se cortó en pequeños trozos de 90 mm de longitud y se sujetaron mediante mordazas de latón especialmente diseñadas para muestras de espesores del orden de centenares de micras. La longitud libre entre las mordazas fue de 60 mm. Las mordazas estaban conectadas al actuador y a la célula de carga mediante sendas rótulas para asegurar el alineamiento del sistema. En el caso de los ensayos a baja temperatura, se usó nitrogeno líquido como refrigerante y además un tubo de acero inoxidable (dewar) recubierto de poliuretano, que se colocó desde la parte inferior hasta la altura deseada para que todo el sistema quedara sumergido en el nitrógeno líquido, durante todo el ensayo. La deformación se midió durante el ensayo mediante un extensómetro miniatura de bajo peso (Epsilon Model 3442). Antes de comenzar el ensayo a baja temperatura se llenó todo el Dewar con nitrógeno líquido. Mientras tanto, se aplicaba una carga constante de tracción de 10 N con el fin de mantener el sistema alineado y evitar sobrecargas o la flexión de la cinta debida al enfriamiento. Se llenó el Dewar con nitrógeno líquido hasta que el actuador de la máquina dejó de moverse para mantener la carga constante y compensar las contracciones térmicas diferenciales. Una vez alcanzada

esta condición y sabiendo que se había alcanzado el equilibrio térmico, se inició el ensayo. Por una parte, los ensayos de tracción se realizaron en control de posición y la velocidad del actuador fue de 100 μm/min. Por otra parte, los ensayos de fatiga se realizaron en control de carga, con una onda de carga sinusoidal. La frecuencia del ensayo fue de 40 Hz y la relación de tensiones, R, que se define como el cociente entre la tensión mínima y la tensión máxima fue igual a 0,1. El estudio fractográfico de las cintas ensayadas se realizó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). Para el estudio microestructural, la sección longitudinal de las cintas, fue embutida en resina epoxi y pulida hasta un acabado de 1 μm, con el fin de eliminar el recubrimiento metálico. La superficie se estudió tanto mediante microscopía electrónica de barrido como mediante microscopía óptica.

Figura 1. Sección longitudinal de la cinta

superconductora. Se puede observar el núcleo cerámico superconductor (negro),el recubrimiento metálico de

Ag (blanco) y el recubrimiento exterior de Cu-Zn (gris).

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1. Microestructura Se estudió la microestructura de la cinta de YBaCuO y en la figura 1 se muestra la sección longitudinal. El núcleo cerámico es un monofilamento de YBaCuO recubierto por una capa de una aleación Cu-Zn. También se ha detectado mediante análisis de elementos, la presencia de Ag, que ofrece mejor adhesión entre el superconductor y el recubrimiento, no reacciona con el cerámico superconductor durante los largos tratamientos térmicos y es permeable al oxígeno [5]. En el núcleo cerámico como se puede ver en la figura 2, se ha observado la presencia de porosidad y la distribución del elemento Y-211, que contiene el YBaCuO.


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Figura 2. Superficie de la microestructura del núcleo cerámico de YBaCuO. Corte longitudinal de la cinta

mostrando la porosidad (puntos negros) observada y la distribución de la Y-211 (puntos blancos).

4.2. Comportamiento a tracción Se realizaron siete ensayos de tracción a temperatura ambiente (300 K) y cuatro ensayos a temperatura de servicio (77 K). Las propiedades mecánicas medias de la cinta se obtuvieron de las curvas tensión-deformación (límite elástico al 0,2%, σy, tensión de rotura, σR o UTS, y deformación de rotura, εR) y se encuentran recogidas en la tabla 1, junto con sus errores cuadráticos medios correspondientes. En la figura 3, se pueden ver las curvas de tensión deformación de la cinta más representativas a temperatura ambiente y a baja temperatura.

0

200

400

600

800

1000

0 1 2 3 4 5 6 7

77 K300 K

(%) Figura 3. Curvas tensión-deformación de un ensayo

uniaxial de tracción a 300 K y 77 K.

T

(K) E

(GPa) y

(MPa) 0

(MPa) R

(MPa) E

(%) 300 82,4 ± 4 57,8 ± 3 53,9 ± 3 64,2 ± 3 4,4 ± 0,5 77 88,8 70,9 ± 3 68,4 ± 8 82,8 ± 3 6,3 ± 0,2

Tabla 1. Comportamiento mecánico a tracción de las cintas de YBaCuO a 300 K y 77 K.

Todas las curvas tensión-deformación presentaron una zona elástica lineal seguida de una región plástica bastante amplia. En el inicio de la zona plástica se observó una ligera inestabilidad, caracterizada por un incremento de la deformación sin aumentar la tensión. En el caso de los ensayos criogénicos es más difícil observar esta inestabilidad debido a las fluctuaciones térmicas, que también impidieron la determinación del módulo de elasticidad con precisión ya que en la mayoría de los ensayos se observó una zona inicial de deslizamiento de las patas del extensómetro sobre la superficie del superconductor. El límite elástico presentó un valor bajo tanto a la temperatura ambiente como a 77 K. Sin embargo, a baja temperatura se observó un significativo aumento del límite elástico, que alcanzó el 20% del valor obtenido a temperatura ambiente. En general, se observó una mejora de las propiedades mecánicas de la cinta a la temperatura del servicio, 77 K. Adicionalmente, como puede apreciarse en la Figura 3, las cintas presentaron muy poco endurecimiento durante la deformación plástica. Este efecto es particularmente poco intenso en los ensayos realizados a temperatura ambiente. Este fenómeno es el responsable de que a baja temperatura la resistencia y la deformación de rotura de las cintas superconductoras sean mayores (28 y 45 %, respectivamente que a 300 K.

Figura 4. Superficie de fractura de la cinta de YBaCuO ensayada a tracción uniaxial a 300 K. Se muestra una superficie de fractura macroscópicamente plana y el

inicio de la rotura del material (defecto). Como consecuencia de esta mayor deformación a rotura, las superficies de fractura de las probetas ensayadas a baja temperatura presentaron una mayor deformación microestructural, como puede verse en las figuras 4 y 5, dando lugar a una superficie de fractura más rugosa y curvada. Este fenómeno puede explicar el aumento de la resistencia mecánica a baja temperatura [6].


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Figura 5. Superficie de fractura de la cinta de YBaCuO

ensayada a tracción uniaxial a 77 K. Se muestra una superficie de fractura curvada y rugosa.

Figura 6. Superficie de fractura de la cinta de YBaCuO ensayada a tracción uniaxial a 300 K. Se muestra una superficie de fractura frágil y también se puede ver el defecto crítico entre el superconductor y el metal que

produjo la rotura.

Figura 7. Superficie de fractura de la cinta de YBaCuO

ensayada a tracción uniaxial a 300 K. Se muestra la recohesión entre el superconductor y el recubrimiento

metálico.

Las superficies de rotura mostraron una fractura típicamente frágil en el núcleo cerámico (Figura 6), en el cual puede encontrarse el defecto crítico que da lugar a la rotura del material. Al progresar esta grieta inicial y encontrarse con la intercara metal-cerámico, también se observó una decohesión entre el superconductor y el recubrimiento, debido a la mala adhesión entre las dos regiones (Figura 7). 4.3. Comportamiento a fatiga

El estudio del efecto de la fatiga mecánica en la cinta de YBaCuO se realizó con tres amplitudes de carga diferentes. Las amplitudes de carga se eligieron de tal manera que la tensión máxima fuera el 35%, el 50% y el 70% del valor medio del límite elástico al 0,2% obtenido en los ensayos estáticos, tanto a 300 K como a 77 K. Para cada amplitud de carga y temperatura se realizaron entre dos y cinco ensayos válidos. En las Figura 8, se representan los ciclos de vida en fatiga en función de la tensión máxima del límite elástico de la cinta, a temperatura ambiente y a baja temperatura, respectivamente.

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

10 100 1000 104

105

77 K300 K

Número de Ciclos Figura 8. Vida de fatiga de las cintas de YBaCuO a 300

K y 77 K en función de la tensión máxima aplicada respecto al límite elástico al 0,2%..

Los resultados experimentales muestran que la cinta superconductora presenta vida en fatiga más larga a baja temperatura que a temperatura ambiente. Además, se puede apreciar que cuanto menor es la amplitud de carga, mayor es el número de ciclos que puede soportar la cinta, tal y como era de esperar. No obstante, es claro que cuando la tensión máxima aplicada supera el 50% del límite elástico del material, el material se degrada muy rápidamente y la vida en fatiga se reduce a unos pocos ciclos. Por este motivo, estos materiales no deberían ser utilizados en por encima de esta carga si se quiere garantizar su seguridad estructural para tiempos de vida por encima de los dos mil ciclos.


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Figura 9. Superficie de fractura de la cinta de YBaCuO ensayada a fatiga a 300 K. La tensión máxima aplicada es el 35% del límite elástico. Se muestra la superficie

escalonada tanto en el recubrimiento metálico como en el núcleo cerámico

Figura 10. Superficie de fractura de la cinta de

YBaCuO ensayada a fatiga a 77 K. La tensión máxima aplicada es el 35% del límite elástico. Se muestran las

grietas generadas y su propagación en las zonas de mayor porosidad.

A partir del estudio fractográfico, se observa que la grieta principal que produjo la fractura de la cinta se nucleó a partir de defectos superficiales en la intercara entre el recubrimiento metálico y el superconductor (Figura 9). Estos defectos dieron lugar a la descohesión entre las fases, y la grieta se propagó a través de ambas produciendo, tanto en el metal como en la cerámica, una superficie escalonada típica la de rotura por fatiga. Adicionalmente, en la superficie de fractura de la fase cerámica se observa como a consecuencia del proceso de fatiga del material, el daño se acumula en las zonas de mayor porosidad dando lugar a la nucleación de grietas que terminan interconectando poros cercanos. De esta forma se generan grietas de mayor tamaño que causan la degradación del comportamiento mecánico del material (Figura 10).


YBaCuO ensayada a fatiga a 77 K. La tensión máxima aplicada es el 70% del límite elástico. Se muestra la cantidad de grietas, que se generan en las zonas de

mayor porosidad. Los dos mecanismos referidos anteriormente son tanto más intensos cuanto mayor es la carga de fatiga a la que se somete el material (Figura 11). Comparando las superfices de fractura de los materiales ensayados en fatiga a temperatura ambiente y a 77 K (Figuras 12 a 14), puede observarse que el aspecto de las superficies en ambas situaciones es similar. Los mecanismos que dan lugar a la degradación son los mismos pero en el caso de 77 K la propagación de las grietas en el material es más lento debido a la mayor resistencia del material, tal y como se ha mostrado anteriormente. Esto da lugar a que la resistencia a fatiga sea mayor a 77 K, aunque el efecto sólo es realmente significativo para cargas bajas. A cargas muy elevadas, dada la baja vida en fatiga del material y la dispersión típica de resultados en fatiga, los valores resultan estar muy cercanos (Figura 8).


YBaCuO ensayada a fatiga a 300 K. La tensión máxima aplicada es el 35% del límite elástico. Superficie de

fractura frágil con grietas transversales y perpendiculares.


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YBaCuO ensayada a fatiga a 77 K. La tensión máxima aplicada es el 50% del límite elástico. Se muestra la superficie de fractura frágil del superconductor y la propagación de grietas generadas en su superficie.


YBaCuO ensayada a fatiga a 300 K. La tensión máxima aplicada es el 70% del límite elástico. Se muestra la superficie de fractura frágil del núcleo cerámico y la recohesión significativa entre el superconductor y el

recubrimiento. 5. CONCLUSIONES Las conclusiones más relevantes de este estudio sobre la cinta superconductora de YBaCuO son las siguientes.

La resistencia mecánica, el módulo de elasticidad y la deformación a rotura de las cintas superconductoras aumentan muy significativamente (por encima del 20%) a temperatura de trabajo, respecto de los valores obtenidos a temperatura ambiente. La degradación por fatiga de las cintas superconductoras es muy intensa para cargas máximas por encima del 50% del límite elástico al 0,2%. La resistencia a fatiga se incrementa a baja temperatura, aunque este efecto sólo es

particularmente intenso cuando la carga máxima está por debajo del 50% del límite elástico al 0,2% Los micromecanismos de fractura en condiciones de fatiga parecen ser los mismos a temperatura ambiente y a baja temperatura, la diferencia está en la velocidad de la propagación del daño. Para utilizar estos materiales en condiciones de cargas cíclicas durante largos periodos de tiempo habrá que estar en condiciones carga máxima muy baja si se quiere garantizar su integridad estructural a largo plazo.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación, CSD00C-06-14102, y MAT2009-13979-C03-02, y la Comunidad de Madrid, S-S2009/MAT-1585-ESTRUMAT2.

REFERENCIAS [1] Tixador, P., “Developmente of superconducting

power devices in Europe”, Physica C, pag. 971-979, 470 (2010).

[2] Obradors, X., “Superconductividad I. Retos

Científicos”, Revista Española de Física 16 (1), (2002)

[3] Obradors, X., “Superconductividad I. Retos

Científicos”, Revista Española de Física 16 (2), (2002)

[4] Salazar, A., “Propiedades mecánicas de cerámicos

superconductores de BiSrCaCuO y sus compuestos”. Tesis Doctoral, Madrid 2003.

[5] Svistunov, V. M., Trenkov, V. Yu., D`yachenko, A.

I., Chernyak, O. I., Aoki, R., “Contact phenomena in Ag-YBaCuO composites”, Physica C, pag.177-184, 303 (1998).

[6] Konstantopoulou, K., Pastor, J. Y., Roa, J. J.,

Segarra, M., “Comportamiento mecánico de materiales masivos superconductores de segunda generación en función de la temperatura”, Ciência & Tecnologia dos Materiais, pag. 39-46, 22 (2010).


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