Sinterización de cerámicas de avanzada asistida por campos eléctricos intensos

Resumen

En un estudio anterior, premiado por la Academia de Ciencias en el año 2005, se demuestra la marcada influencia existente entre las propiedades eléctricas de las cerámicas superconductoras con relación a la presión de compactación uniaxial, al nivel de textura y a la densificación de las muestras; o sea, mientras mayores eran estos últimos parámetros, se apreciaba un mejoramiento sistemático de las propiedades de transporte eléctrico. Sin embargo, este estudio también indicó que existía un límite crítico determinado por las propiedades mecánicas de la muestra y del troquel usado en el conformado. Es por ello que es imperativo el uso de una técnica que permita incrementar la densificación de las muestra para, de esa forma, continuar mejorando las propiedades de transporte eléctrico de las cerámicas superconductoras de alta temperatura. El resultado propuesto se basa en la obtención, por primera vez, de cerámicas superconductoras de alta temperatura mediante el método conocido comercialmente por Spark-Plasma Sintering (SPS). Este método de obtención de materiales cerámicos de avanzada combina, durante cortos periodos de tiempo, la aplicación controlada de la presión uniaxial de compactación y los altos valores de corriente eléctrica. Los resultados obtenidos indican que, por este método, es posible obtener cerámicas monofásicas de (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10+ (Bi-2223), con densidades relativas cercanas al 90 %, compactadas uniaxialmente a 50 MPa, en tiempos de sinterización de solo 5 minutos y con temperaturas de hasta 100 oC por debajo de las usadas por los métodos tradicionales. La temperatura de sinterización, TD, fue determinada a través de la simulación numérica y multifísica del proceso SPS mediante el método de los elementos finitos. Los resultados obtenidos revelaron una marcada influencia de las condiciones de sinterización sobre las propiedades de transporte eléctrico ya que el SPS ocurre al vacío. Las densidades de corriente crítica a T = 77 K estuvieron entre 2 y 10 A/cm2 para TD entre 830 y 750 oC, respectivamente. La causa de este comportamiento se debe a que el SPS promueve la desoxigenación en la superficie de los granos. Además, los resultados indican que el espesor de esta capa depende fuertemente de TD. Con el objetivo de comparar resultados, se obtuvo una muestra de Bi-2223 bajo las mismas condiciones de compactación uniaxial a 50 MPa, pero sinterizada de forma convencional, encontrándose que su densidad relativa no superó el 50 % y su densidad de corriente crítica fue de 22 A/cm2. Al realizársele a todas las muestras obtenidas por SPS un tratamiento de oxigenación a 750 oC, por solo 5 minutos, la densidad corriente crítica aumentó entre 10 y 25 veces. Con respecto a la muestra de referencia el incremento fue de 6 veces entre 22 y 130 A/cm2. Los resultados anteriores se han presentado en 4 eventos internacionales, incluida la prestigiosa European Conference on Applied Superconductivity, se encuentran publicados en tres revistas internacionales de impacto. Los estudios han sido financiados por dos proyectos internacionales. Los cuales permitieron acceder a uno de los pocos equipos de SPS localizados en Latinoamérica. El trabajo abre interesantes posibilidades para la aplicación de este método en otros tipos de muestras como hexaferritas de bario y conductores iónicos.