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Materiales innovadores. Superconductores y materiales de

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DOCUMENTOS COTEC SOBRE OPORTUNIDADES TECNOLÓGICAS

15MATERIALES INNOVADORES.SUPERCONDUCTORESY MATERIALES DERECUBRIMIENTO

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Primera edición:Marzo, 2000

Depósito legal: M. 15.766-2000

Imprime:Gráficas Arias Montano, S. A.

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Presentación........................................................ 5

Introducción ........................................................ 9

1. Ideas básicas ................................................ 171.1. Materiales superconductores .................... 171.2. Materiales de recubrimientos duros y simul-

táneamente lubricantes ............................ 22

2. Mercados y aplicaciones ................................ 292.1. Análisis de la situación a niveles nacionales e

internacionales .......................................... 292.1.1. Oportunidades en transporte de

energía eléctrica ............................ 312.1.2. Oportunidades en protección y limita-

ción de corriente ............................ 322.1.3. Oportunidades en los transformado-

res de potencia .............................. 332.1.4. Oportunidades en generadore eléctri-

cos ................................................ 342.1.5. Oportunidades en motores eléctricos 35

2.2. Aplicaciones y oportunidades en materialespara recubrimientos duros y autolubricantes.. 37

3. Inventario de centros de experiencia .......... 393.1. Superconductividad.................................. 393.2. Materiales para recubrimientos y tecno-

logías de superficie .................................. 43

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ÍNDICE

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Anexos ................................................................ 49Anexo I. Propiedades y características descripti-

vas de los materiales innovadores ........ 49Anexo II. La investigación en materiales innova-

dores ................................................ 63

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Los Documentos Cotec sobre Oportunidades Tecnológicasconforman una colección orientada al cumplimiento delobjetivo estratégico de actuar como motor de sensibiliza-ción a la actitud innovadora, tanto en los ámbitos empre-sarial y académico como en la sociedad en general.

Estos documentos se editan después de un proceso dedebate que tiene lugar en sesiones de identificación de lasoportunidades que ofrece una determinada tecnología o ungrupo de tecnologías.

Estas sesiones tienen como finalidad conocer los retos yoportunidades de las tecnologías analizadas, así como lasprincipales líneas de I+D e infraestructuras que permitanfacilitar la transferencia a la industria y a los servicios.

En ellas la Fundación Cotec reúne a un cualificado grupode expertos empresariales y de investigadores de la uni-versidad y de centros de I+D, para que analicen las posi-bilidades de aplicación de esas tecnologías y las oportuni-dades que ofrecen para los distintos sectores.

En esta ocasión, la Fundación Cotec presenta el resultadode la sesión dedicada a los «Materiales innovadores:Superconductores y materiales de recubrimiento», que tuvolugar en Madrid el día 11 de noviembre de 1999, en la

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PRESENTACIÓN

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sede de Cotec. El documento facilita una introducciónamplia sobre los materiales innovadores, en general, perose detiene con mas profundidad en los superconductores yen los materiales de recubrimiento, que son los que ofrecenmejores perspectivas de aplicación comercial.

La sesión contó con la colaboración de un equipo de inves-tigadores, de expertos empresariales y de representantesde la Administración, coordinados por José Gutiérrez Tous,Consultor de Tecnología, que preparó y coordinó el mate-rial de esta publicación.

La Fundación Cotec quiere dejar constancia de su agrade-cimiento a José Gutiérrez Tous y a los demás participantesen la sesión, y en especial, al profesor Xabier Obradorspor los comentarios minuciosos y sugerencias en la fasefinal de la redacción del documento.

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Participantes en la Sesión Cotec sobre MaterialesAvanzados:

• D. Enric CanadellCSIC

• D. Juan Ramón de la TorreAIN Surfatec

• D. José María Fernández NavarroFUNDACIÓN CENTRO NACIONAL DEL VIDRIO

• D. Javier García SerranoCDTI

• D. Luis García-TabaresCIEMAT

• Dña. Cristina Gómez-AleixandreInstituto de Ciencias de Materiales de MadridUNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID

• D. José María Gómez de SalazarFacultad de Ciencias QuímicasUNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID

• D. José María GuilemanyFacultad de Ingeniería Química y MetalurgiaUNIVERSIDAD DE BARCELONA

• D. Antonio HernandoINSTITUTO DE MAGNETISMO APLICADO

• D. Javier LauciricaTEKNIKER

• Dña. María del Carmen Mijangos INSTITUTO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEPOLÍMEROS

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• D. Rafael Navarro LinaresCentro Politécnico SuperiorUNIVERSIDAD DE ZARAGOZA

• D. Xabier ObradorsInstituto de Ciencias MaterialesCSIC

• D. Rafael OsunaABENGOA

• D. Rafael RodríguezAIN Surfatec

• D. Conrado RilloFacultad de CienciasUNIVERSIDAD DE ZARAGOZA

• D. José Luis VivienteINASMET

• D. Luis ZarauzaUNIÓN FENOSA

• D. Manuel ZaheraFUNDACIÓN COTEC

Experto-Coordinador:

• D. José Gutiérrez [email protected] TEIN 2

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La innovación en materiales, con el fin de obtener materia-les avanzados con características y prestaciones superioresa las de los materiales existentes, es una motivación cons-tante de la sociedad desde sus inicios. En los tiemposmodernos se han adoptado numerosos esquemas de inves-tigación y desarrollo que están produciendo constantemen-te resultados. La estrategia sistemática de investigar y desarrollar nuevosmateriales, combinando física o químicamente los existen-tes sobre un plan de prestaciones funcionales deseadas, esrelativamente reciente. Se comenzó con los aceros yalcanzó su plena efectividad con los materiales poliméri-cos. Actualmente se aplica a todas las familias de materia-les, y como consecuencia de ello el mundo de los nuevosmateriales es inmenso en extensión y profundidad.Las grandes familias, en las que naturalmente se hacennumerosas subdivisiones y apartados, suelen identificarsecon las nueve siguientes, que coinciden con la formulaciónde objetivos que realiza el Programa Nacional deMateriales:• Materiales metálicos.• Materiales cerámicos y vítreos.• Materiales poliméricos.• Materiales compuestos.• Biomateriales.

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INTRODUCCIÓN

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• Semiconductores.• Superconductores.• Materiales magnéticos.• Catalizadores.La configuración de la ciencia de los materiales ha experi-mentado cambios radicales. Las actividades en I+D en quí-mica consolidaron en los años sesenta el desarrollo y pos-terior evolución de los polímeros. La miniaturización y laselevadas prestaciones de los componentes electrónicos seconsiguieron gracias a la utilización de ciertos semicon-ductores (germanio, silicio, arseniuro de galio, fostafo deindio) con técnicas fotográficas de fabricación. Los compo-sites (combinaciones de materiales y procesos tradiciona-les) han hecho su irrupción en la década pasada de lamano de las industrias de transporte, debido a su baja den-sidad y a su alta resistencia. Los superconductores HTSestán posibilitando el diseño de imanes de alto rendimien-to con dimensiones muy reducidas, al tiempo que los nue-vos materiales de recubrimiento por tecnología multicapashacen pensar en la progresiva desaparición de los lubri-cantes convencionales.Sin embargo, la investigación no se ha conformado conrealizar sustituciones en el sector de los materiales conven-cionales, mejorándolos o reemplazándolos por materialesavanzados, sino que también se han efectuado avances enestos sectores mediante el uso de nuevas tecnologías dediseño y proceso, incluso en áreas en las que esto era prác-ticamente impensable. Estos avances han provocado unincremento en la gama de materiales y en su funcionalidad,marcado por algunas tendencias, entre las que se encuen-tran:• Ruptura de las distinciones tradicionales con el desarro-

llo de nuevos tipos de materiales, superconductores,superaleaciones, fotopolímeros, composites o compo-nentes intermetálicos, junto al perfeccionamiento de losexistentes. Por este motivo, el concepto de material avan-zado tiene cada vez una mayor utilización.

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• La cada vez más cercana relación entre materiales y lastécnicas utilizadas para su desarrollo e incorporación enun componente concreto, pieza o equipo. El materialforma parte de una entidad (material/proceso/métodode producción/diseño) y como tal es inseparable detodos los factores implicados, particularmente en el casode su cálculo económico.

• Como en todas las áreas tecnológicas, los materiales «amedida» están adquiriendo especial importancia, produ-ciéndose cada vez más una desestandarización en losmateriales. Esta tendencia viene coadyuvada por la ampliagama de necesidades de los usuarios y las posibilidades decombinación para obtener las características mecánicas,térmicas y eléctricas requeridas. Esto no refleja otro aspec-to más que la creciente importancia derivada de disponerde una I+D para poder correlacionar las innovaciones fun-cionales y microestructurales de los materiales.

En este sentido se estima que los nuevos materiales repre-sentan aproximadamente hoy en día una cuarta parte de lacontribución total que la ciencia y la tecnología tiene en losprogramas (aeroespaciales, nucleares, electrónicos oinformáticos), resultando también apreciable su participa-ción en sectores convencionales como el del transporte, elhogar, los deportes y el ocio.Las industrias de materiales avanzados representan, porejemplo, una parte importante de la economía francesa,que supone medio millón de puestos de trabajo, una pro-ducción de 16.500 millones de euros e inversiones en I+Dde 1.200 millones de euros. En Estados Unidos las indus-trias de materiales avanzados, en 1998, constatan un mer-cado de 96 billones de euros. El mercado japonés de mate-riales avanzados es, en 1998, ligeramente menor que elamericano, aunque tanto el Instituto Nomura como el pro-pio MITI, prevén un crecimiento sustancial en las aplicacio-nes de éstos durante los próximos años.En la mayoría de los países las Administraciones parecenhaber adquirido conciencia del empuje de las tecnologías

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de los materiales, ya que resulta difícil prescindir del papelcreciente que dichos materiales avanzados tiene en los pro-cesos de producción, en la introducción de equipos, y en lainnovación de los productos. Como consecuencia de laintensa demanda de investigación de que están siendoobjeto los materiales avanzados y sus procesos, lasAdministraciones están iniciando acciones dirigidas a for-talecer dicha capacidad de investigación, así como losrecursos y los medios humanos implicados.La expresión «materiales avanzados», como ya se ha indi-cado, se usa indistintamente tanto para nuevos materialesen los ámbitos de materiales magnéticos, catalizadores,membranas selectivas, biomateriales, semiconductores ysuperconductores, como para aquellos otros sustancialmen-te mejorados en los ámbitos más convencionales de vidrios,aleaciones metálicas, polímeros o componentes cerámicos.El número total de materiales innovadores que se obtendríasumando los proyectos de investigación y desarrollo abier-tos en los numerosos centros tecnológicos y empresas impli-cadas en la innovación de materiales a lo largo y ancho delmundo desarrollado es importante. Utilizando un análisisaproximado realizado sobre la base de datos Cordis de laUE, que recoge alrededor de 1.400 proyectos financiadospor la UE durante los últimos años en temas de innovaciónde materiales, y realizando una estimación al respecto, cre-emos que se ha estado trabajando recientemente sobreunos 800-1.000 proyectos de desarrollo que pueden con-ducir a casi otros tantos materiales innovadores. Alrededordel 50% de esta cifra son proyectos de desarrollo sobremateriales poliméricos o composites de estos materiales,mientras que el otro 50% se distribuye de modo desigualentre las restantes categorías de materiales ya indicados.Dentro de estas últimas destacan sin duda los proyectosrelacionados con materiales metálicos, por su implicaciónen todos los sectores económicos e industriales (maquina-rias, transporte, energía, etc.). Dentro del bloque de los pro-yectos relacionados con la innovación de materiales metá-

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licos, algunos de los temas más frecuentes de desarrollo sonlos relacionados con:• Recubrimientos para la mejora de la dureza y autolubri-

cación de los materiales.• Aleaciones y la correlación univoestructural con su fun-

cionalidad mecánica o eléctrica. Este es el caso, porejemplo, de los aceros microaleados o de los materialessuperconductores, que se mencionan posteriormente.

• Compuestos intermetálicos que aúnan resistencia, tena-cidad y ductilidad a elevadas temperaturas.

El sinterizado, tanto de polvos metálicos (pulvimetalurgia)como de compuestos cerámicos, goza de un crecienteinterés en la I+D actual, en proyectos que van desde laobtención de materiales semiconductores y superconducto-res hasta la obtención de aceros austeníticos inoxidablespor pulvimetalurgia.El Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas(CENIM) muestra una notable actividad investigadora entodos estos campos indicados. De manera concreta elCENIM está colaborando activamente con la industriaaeronáutica española en los intermetálicos multifásicos delaluminio (aluminuros de níquel, titanio y hierro), ya quealgunos de estos compuestos constituyen una más que pro-bable opción de reemplazamiento para componentes estruc-turales utilizados actualmente en esta industria.Los biomateriales están conociendo un notable desarrolloen varios frentes. En España existen actualmente varios pro-yectos de I+D en relación con la obtención de biomateria-les activados que permitan la reparación de lesiones óseas.Otros objetivos adicionales tienen que ver con el desarrollode biomateriales que mejoren la oseointegranción deimplantes o con la evaluación de las posibilidades deexpansión de dichos materiales para la solución de defec-tos óseos de mayor envergadura.Dentro de los materiales en experimentación se encuentranel quitosan, utilizado como soporte biomaterial, que se acti-va por proteínas humanas, como la rh-BMP2, debido, por

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una parte, a sus características intrínsecas estimuladoras dela regeneración ósea y, por otra, a sus propiedades fil-mogénicas, formando por evaporación de sus solucionesuna película transparente, resistente y flexible. Investigacio-nes actuales tratan de determinar la relación óptima entrela proteína morfogenética y la superficie de película de qui-tosan, de modo que la actividad osteoinductora sea máxi-ma. También existen en nuestro país experiencias prelimi-nares muy prometedoras con materiales formados pormallas de poliláctico embebida del relleno osteoinductorindicado. La industrialización y comercializacion pareceque se pueda realizar en un futuro próximoEl desarrollo de nuevas membranas para el transporteselectivo combina diversos materiales poliméricos e inorgá-nicos, en función de las aplicaciones a las que van desti-nadas (ultrafiltración, separación de gases, potabilización).Algunas poliamidas aromáticas y polímeros acrílicos, estánsiendo puesto a punto con este objetivo por el Instituto deCiencia y Tecnología de Polímeros del CSIC, de modo queconstituyan las próximas generaciones de membranas ensustitucion de las existentes.La identificación de polímeros fotosensibles para su utiliza-ción tanto como emisores o receptores en sistemas holográ-ficos y ópticos es otro campo de investigación de notabledemanda en la actualidad.Por lo que respecta a materiales avanzados para cataliza-dores existe un notable solape entre numerosos productoscomerciales y la actividad de investigación. En nuestro paísse puede decir de modo general que la principal actividadde I+D versa sobre los catalizadores de purificación y lalleva a cabo el Instituto de Catálisis del CSIC. La investiga-ción discurre sobre la mejora de óxidos de vanadio, volfra-mio, molibdeno soportados o mezclados con óxidos de tita-nio como componente principal. Estas mezclas de óxidospueden a su vez estar soportadas sobre estructuras cerámi-cas (cordierita, mullita, etc.) o metálicas (placas, mallas,etcétera). En mucha menor proporción también se realizan

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mejoras en catalizadores de zeolitas, carbón activo ymezclas de óxidos de hierro y cobre. La tecnología quelos agrupa es la denominada reducción catalítica selecti-va (procesos SRC) que es indudablemente el proceso uti-lizado en la casi totalidad de las instalaciones que dispo-nen de procesos de postcombustión (medidas secunda-rias). En esta tecnología los óxidos de nitrógeno se redu-cen hasta un 90%.Dentro de este amplio y extenso panorama de innova-ción en materiales, hemos realizado una revision de lasfamilias mas significativas para usos industriales. Comoconsecuencia de esta revision hemos seleccionado paraeste documento a dos familias que presentan claros per-files de fuerte impacto en la industria con aplicación pro-gresiva en numerosos mercados, lo que no es óbicepara que otros muchos materiales innovadores presen-ten también aplicaciones industriales, aunque posible-mente de menor repercusión económica o a mas largoplazo. El proceso de selección ha consistido en estimarel efecto que sobre la demanda potencial pudiera tenerla mejora funcional, que proporciona la aplicaciónindustrial de los resultados conseguidos en los proyec-tos. Aquellos materiales en los que la propia naturalezade la funcionalidad o aplicación, combinada con elgrado de mejora de la misma, es capaz de suscitar lasmayores expectativas de mercado, han constituido elconjunto entre los que se han elegido los materialesincluidos en este documento.Las dos familias de materiales que se describen a conti-nuación, materiales superconductores, y materiales de recu-brimientos duros y lubricantes, constituyen un ejemplo deaquellos materiales en los que se dan importantes gradosde mejora de la funcionalidad con la I+D conocida hastaahora, y se sitúan por tanto dentro del grupo de materialesinnovadores con mayores posibilidades de generar oportu-nidades industriales y empresariales, bien de forma directao en aplicaciones colaterales.

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La información que se detalla en este documento sigue unaestructura que en esencia se corresponde con la que habi-tualmente se utiliza en los informes de oportunidad de labanca de negocios o del capital riesgo. En estos informesel inversor potencial, aún persiguiendo principalmente unafinalidad de rentabilidad de su inversión, busca un nivel dedetalle tecnológico que le permita fijar sinergias con otrosproyectos o inversiones en curso. Se trata así de describirel perfil de los recursos instrumentales y humanos adecua-dos a la oportunidad descrita. En todo caso, y para dotaral documento de mayor fluidez, se han pasado numerososaspectos técnicos a los anexos I y II, dejando a nivel de loscapítulos la información más operacional relacionada conconceptos básicos, mercados y centros de soporte.Recordemos que, en síntesis, los análisis de oportunidadtecnológica implican enfrentar los mercados y aplicacionespotenciales con los recursos de todo orden, necesariospara desarrollar con éxito las propiedades innovadoras enmateriales y sus aplicaciones. Por otra parte, el tipo deinversores al que se dirigen suele implicarse en la gestiónde los proyectos de oportunidades, por lo que agradececualquier información técnica o estratégica que se les sumi-nistre.Una última reflexión tiene que ver con la circunstancia deque la investigación española en las familias de materialesa las que se refiere este documento es de carácter impor-tante. Las demandas de la industria en esos materiales inno-vadores comienzan a ser crecientes, por lo que confiamosque este documento pueda contribuir a activarlas en algu-na medida y, a que como consecuencia de ello, se pro-duzca un claro incremento en la investigación básica y apli-cada que a su vez incremente a dicha demanda industrial.

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1.1. MATERIALES SUPERCONDUCTORES

La superconductividad de los materiales consiste en unacaída brusca de la resistencia óhmica, desde las pocasdécimas de ohmios que suelen presentar por ejemplo lamayor parte de los metales, hasta niveles indetectables conlos equipos de medidas actuales. Esto significa una varia-ción del orden de 10.000 veces en la conductividad, queconlleva disminuciones muy importantes en las pérdidaspor efecto Joule, que llegan prácticamente a desaparecercuando la corriente eléctrica fluye en régimen continuo,aunque en régimen alterno existe un cierto nivel de pérdi-das. El problema esencial para el aprovechamiento de estefenómeno es que hasta hace algunos años requería alcan-zar temperaturas próximas al cero absoluto (4-5 K), lo cuales costoso y complicado desde el punto de vista instrumen-tal. El descubrimiento en 1986 de la superconductividad atemperaturas por encima de los 95 K ha sido uno de losacontecimientos científicos más importante de la pasadadécada. La absoluta sorpresa de este descubrimiento, asícomo su potencial científico y su importancia comercial, sonmotivos más que suficientes para entender el entusiasmoproducido en este campo. Ello ha hecho que los conoci-mientos anteriores en superconductividad hayan cambiadoen sus fundamentos, abriéndose una nueva puerta a la posi-

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1IDEAS BÁSICAS

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bilidad de lograr la superconductividad a temperaturaambiente o por encima de ella. Tal desarrollo representaríaverdaderamente no ya un significativo avance, sino unarevolución, con fuertes implicaciones sobre numerosas apli-caciones para el bienestar social.Mientras la base del conocimiento experimental en los nue-vos superconductores está creciendo rápidamente, no haytodavía una explicación teórica completa de su comporta-miento de aceptación general. Las aplicaciones considera-das en el momento actual son, en gran parte, extrapola-ciones de la tecnología existente en la investigación desuperconductores a baja temperatura. Para crear un mayorámbito de aplicaciones se necesitan nuevas investigacio-nes, que incorporen los nuevos materiales. Los cambios queimplican los nuevos materiales en procesos y fabricación,sugieren que el periodo precomercial y de explotación deotras aplicaciones se extenderá probablemente duranteuna década. La perspectiva a corto plazo para las aplica-ciones de materiales superconductores a alta temperatura(HTS) incluye los blindajes magnéticos, los amplificadoresde señales magnéticas muy débiles producidas por el hom-bre, sensores infrarrojos, dispositivos de microondas yamplificadores analógicos de alta velocidad, que constitu-yen en síntesis las aplicaciones existentes previamente,pero realizables de forma más fácil o económica.Las aplicaciones de tipo energético, tales como limitadoresde sobrecorriente, motores, generadores, transformadoresy líneas de transmisión de energía eléctrica, han requeridoalgunos años más en su puesta a punto, ya que al ser pro-ductos de tipo industrial, exigen no solo investigación tec-nológica, sino también una consolidación de las tecno-logías productivas y de fabricación a precios competitivos,que no era estrictamente indispensable en la instrumenta-ción geomagnética, científica y médica citada.Los materiales identificados a partir de 1986 se denomi-nan, por tanto, materiales superconductores a alta tempe-ratura o HTS. La principal ventaja de los nuevos materiales

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HTS se encuentra en el potencial que tienen para facilitar lasuperconductividad, al hacer el proceso de enfriamientomás barato. Por razones técnicas, los superconductoresdeben ser manejados por debajo de sus temperaturas detransición. De modo empírico, por debajo del 50 ó 75% desus valores de transición. Si los últimos materiales cerámi-cos descubiertos, con temperaturas críticas de 110 K ysuperiores, demuestran tener propiedades beneficiosas, elnitrógeno líquido enfriado se muestra ciertamente adecua-do para ello.Todas las composiciones de materiales superconductores aaltas temperaturas, hasta ahora descubiertos, son cerámi-cas en lugar de metálicas. Estas composiciones cerámicasconstituyen nuevos materiales poco conocidos. Por otraparte, todos estos materiales cerámicos son frágiles yrequieren procesos y métodos de fabricación muy diferen-tes a los que requerían los materiales metálicos y sus alea-ciones. La investigación se mueve así en diferentes frentes.La superconductividad de materiales en estas condicionesde temperatura es solamente un prólogo de lo quesupondrá cuando se consiga a la temperatura ambiente. Apesar de ello, la superconductividad a alta temperaturaestá influyendo apreciablemente en el mercado industrialmundial. La oportunidad de desarrollar aplicaciones paraenergía eléctrica que usen superconductores a alta tempe-ratura (HTS), proporcionará a los agentes implicados laoportunidad de crear una nueva industria tecnológicamen-te más avanzada, que posiblemente incidirá en la creaciónde puestos de trabajo con un perfil de mayor calidad. Elempleo de estos productos avanzados ayudará, asimismo,a las industrias a hacerse un hueco en el mercado global ymuy competitivo del equipamiento eléctrico. Los materiales HTS son actualmente compuestos cuaterna-rios de itrio o de bismuto con cobre, bario y oxígeno o conestroncio, calcio, cobre y oxígeno, respectivamente. En de-terminadas aplicaciones en las que las temperaturas sonmayores de 350 K se utiliza talio en lugar de bismuto.

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Las aplicaciones tecnológicas que pueden desarrollarse conlos materiales superconductores son muy diversas y multi-sectoriales. Los sectores industriales en los que la capaci-dad de incidencia es mayor son energía eléctrica, teleco-municaciones, electromedicina y transporte. La primeraparte de las actividades de I+D para la creación y puestaa punto de aplicaciones eléctricas consiste en la prepara-ción de cables y conductores, destinados a reemplazar alos cables convencionales de cobre o de aluminio en dichasaplicaciones. El requisito subyacente para la mayor partede aplicaciones de mayor valor comercial de aparatos deenergía eléctrica con superconductores a altas temperatu-ras, es la existencia de cables flexibles o mecánicamenterígidos y superconductores a alta temperatura. Este cabledebe ser capaz de transmitir una gran corriente en presen-cia de un campo magnético y debe lograrlo a precios acep-tables. Sin embargo, en el momento actual las tecnologíasde fabricación no pueden aún proveer, de forma estándar,de cables superconductores a altas temperaturas paratodos los aparatos de energía eléctrica que se quierendesarrollar. Los componentes que llevan incorporados losprototipos tienen que ser diseñados, desarrollados y testa-dos antes de que pueda llegarse a la comercialización.A la luz de estas necesidades paralelas, el desarrollo delproducto y de las tecnologías va sucediéndose de formaconcurrente: progresos en las tecnologías de materialespermiten construir prototipos de equipos más avanzados yluego testarlos. Además, mediante realimentación de lainformación obtenida en los tests de las aplicaciones, lainvestigación puede realizar mejoras adicionales en lastecnologías de materiales.Las actividades en cuanto al desarrollo de cables se estáncentrando en llegar a comprender el modo en que los pro-cesos afectan al cable, mejorando los propios procesos defabricación del mismo. Los trabajos también se centran enaumentar la cantidad de corriente que puede transmitirse através de un cable, descrita como densidad crítica de

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corriente (Jc). El desarrollo de aplicaciones de energía eléc-trica se focaliza en fabricar cables de larga longitud, bobi-nas y otros componentes e intentar mejorar y conocer mejorlos sistemas, tales como los refrigeradores criogénicos quesoportan los equipos superconductores a alta temperatura.Estas actividades, aunque pertenecen al área de desarrollode cables y aplicaciones en general, constituyen al mismotiempo grandes fuentes de realimentación de informaciónsobre el comportamiento de los propios materiales super-conductores HTS.El desarrollo de metodologías avanzadas de fabricación decerámicas másicas con elevadas prestaciones ha abierto lapuerta a muy diversas aplicaciones de estos materiales.Entre ellas podemos citar las que presentan un mayor avan-ce en su desarrollo: los alimentadores de corriente para sis-temas criogénicos, ya en el mercado para bobinas de reso-nancia magnética, por ejemplo. Los cojinetes magnéticospara maquinaria rotativa o los motores de histéresis o dereluctancia variable homopolares, síncronos e, incluso, decorriente continua. También hemos de señalar el uso deestos materiales como elementos de impedancia variableen limitadores de corriente de falta, sistemas éstos que per-mitirán aumentar la fiabilidad y la potencia de las redes dedistribución de energía eléctrica.Otro campo de aplicación inmediata para los materialesHTS son algunos dispositivos pasivos y activos de teleco-municación. Las pérdidas menores que se desarrollan enlos materiales superconductores a las frecuencias típicas delas microondas confiere a dichos materiales un notableinterés para su uso en la fabricación de dispositivos pasivosde telecomunicaciones y radares. La progresiva congestióndel espectro electromagnético requiere sistemas con elancho de banda más reducido y, en consecuencia, másresistente a las interferencias. Asimismo, el avance en eldesarrollo de motodologías de refrigeración fiables quepuedan integrarse con dichos dispositivos, ha hecho posi-ble que se encuentren ya en el mercado los primeros filtros

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superconductores para telefonía móvil. Además, la mejoraen las prestaciones de dichos materiales, el desarrollo demetodologías de fabricación adecuadas para superficiesmayores, así como la reducción de la potencia de refrige-ración está permitiendo extender el uso de los dispositivossuperconductores a las telecomunicaciones por satélite.También existen de modo inmediato algunas aplicacionespara los materiales HTS en circuitos activos. Los circuitosactivos superconductores se basan en la capacidad defabricar e integrar uniones Josephson en un circuito electró-nico. Los primeros dispositivos desarrollados con los super-conductores de alta temperatura son los sensores magnéti-cos SQUID (Superconducting Quantum Interference Device),los dispositivos con mayor sensibilidad para detectar cam-pos magnéticos. Sus aplicaciones van desde temáticasbiomédicas (magnetocardiogramas, magnetoencefalogra-mas, etc.) hasta el análisis no destructivo en aeronáutica,microelectrónica, etc.En las aplicaciones biomédicas es quizás donde se esperaque el impacto de estos nuevos dispositivos sea mayor. Porejemplo, en el estadio actual puede analizarse con grandetalle la dinámica de la actividad cerebral en pacientescon epilepsia, alzheimer, desórdenes prenatales, etc.; otambién pueden dar nacimiento a una nueva técnica dediagnóstico no invasiva: la magnetocardiografía, la cualpermite detectar arritmias u otras anomalías, realizar car-diografía fetal, etc.

1.2. Materiales de recubrimientos duros y simultáneamente lubricantes

Esta propiedad consiste en la capacidad ofrecida por algu-nos sistemas de recubrimiento de piezas formados porvarios materiales con estructura habitual de multicapas, quepresentan elevada dureza y bajo coeficiente de fricción ensu conjunto y de modo simultáneo.

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Los criterios de selección de materiales para su aplicacióncomo recubrimiento duro son en general complejos, ya quese han de cumplir varios requerimientos. En primer lugar,hay que considerar la superficie o capa externa del recu-brimiento, que está sujeta a una fuerte interacción, ya seacon la atmósfera ambiente o con otro material de trabajode diferente naturaleza. Por este motivo la capa externa delrecubrimiento ha de tener una alta estabilidad química, conobjeto de conseguir una buena resistencia a la oxidación ycorrosión, así como una elevada resistencia mecánica.Asimismo, para que se de un coeficiente de fricción bajoserá necesario que la capa lubricante (superficie más exter-na en contacto) tenga una resistencia a la cizalladura míni-ma. En segundo lugar, hay que considerar el interior delrecubrimiento, que ha de ofrecer las propiedades buscadasde dureza, resistencia a la fractura, ausencia de tensiones,etcétera, con el fin de constituir un recubrimiento duro.Finalmente, es preciso considerar también la intercara ocapa interna del recubrimiento, en la que las propiedadesde adherencia y la interacción con el substrato juegan unpapel fundamental. Normalmente es muy difícil alcanzartodas estas propiedades utilizando un recubrimiento omaterial único, por lo que los recubrimientos con prestacio-nes óptimas suelen tener una composición variable (capasgradientes y/o multicapas), de forma que combinen las fun-ciones deseadas.Los esfuerzos de investigación sobre procesos y materialestendentes a disminuir el rozamiento, y el desgaste de mate-riales y equipos inherente al mismo, presentan diversidadde frentes y líneas de trabajo, que en algunos casos estánproduciendo recientemente resultados importantes. Los dosrequisitos más importantes para lograr lubricación pormedio de un sistema de capas son una fuerte adherenciarecubrimiento-substrato y una baja resistencia al desliza-miento cristalino bajo esfuerzos constantes. Otro criterioigualmente importante para obtener una acción lubricanteefectiva y duradera es que las películas lubricantes desa-

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rrolladas posean alta dureza y elevado módulo elástico. Deeste modo, para una geometría y una carga dadas, el coe-ficiente de fricción depende de la resistencia a la cizalla-dura de la película lubricante y del módulo elástico de losmateriales de las piezas en contacto. La deposición de varias capas permite utilizar la primeracapa como anclaje, con una buena adherencia con el subs-trato y con la capa que se aplique posteriormente, mejo-rando así la adherencia global del recubrimiento y las pres-taciones del mismo, al aplicar normalmente la capa deinterés en el último proceso. Asimismo, permite adecuar odisminuir las tensiones internas de las capas, ya sea alter-nando varias capas de poco espesor del mismo material,hasta alcanzar un espesor total adecuado, o introduciendocapas alternas de compuestos o elementos con mayor duc-tilidad, que puedan absorber y por tanto disminuir las ten-siones internas. Estos recubrimientos se preparan por depo-sición simultánea de dos o mas materiales, controlando elproceso de tal manera que se pueda alcanzar el perfil decomposición deseado de los constituyentes a través de todoel espesor del recubrimiento.El objetivo de una buena parte de la investigación actual esla deposición y caracterización de capas en el sistemaCxByNz. En este triángulo encontramos materiales superresistentes como el diamante, tal es el caso del gamma-BNy del beta-C3N4 (este material es teóricamente más duroque el diamante). El programa DEBOWA, mencionado enel anexo 1 y desarrollado en Brite, optimizó la deposiciónde las capas de carbono cristalino y analizó el triángulocompleto B-N-C, estableciendo el procedimiento de elec-ción de las propiedades de las capas depositadas. Eligien-do adecuadamente los tipos de capas, de tal modo quecombinasen las propiedades de los compuestos cristalinosen el triángulo aludido con las de los amorfos (gran dure-za, bajo coeficiente de fricción y buena transparencia ópti-ca) se podían diseñar a la medida recubrimientos transpa-rentes de gran dureza y bajo coeficiente de fricción.

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Además, desde que las temperaturas de deposición semantienen por debajo de los 6000 C, no se espera que loscompuestos policristalinos crezcan fácilmente. En lamayoría de los casos, las capas depositadas son amorfas ymuy uniformes lo que aumenta su potencial para aplicacio-nes de baja resistencia al rozamiento. La investigacion rea-lizada ha permitido que el tipo de capa pueda ser obteni-da mediante cualquiera de las técnicas de deposición dis-ponibles (alta o baja temperatura), lo que hace posible quese pueda elegir el mejor método para la deposición de lacapa, dependiendo del substrato material, la geometría delos componentes y la aplicación específica. Con estos resul-tados algunos de los fabricantes de automóviles más cono-cidos, como Citroen, Peugeot o Ford, han estado realizan-do pruebas de usuario a las capas de recubrimiento resul-tantes de proyectos Brite, como el anteriormente mencio-nado.En algunas aplicaciones se han desarrollado capas autolu-bricantes que suplen casi totalmente la necesidad de lubri-cación líquida convencional, lo cual desde el punto de vistametalmecánico es de un gran interés para diversas indus-trias. En la actualidad existen muchos procesos en los quela lubricación es desde el punto de vista medio-ambientalindeseable, debido tanto a los gastos asociados de limpie-za-desengrase y tratamiento o eliminación de residuos quese generan como también a la necesidad de mejorar lascondiciones de trabajo de los operarios, especialmente enaplicaciones de corte o conformado de materiales con usointensivo de taladrinas o emulsiones lubricantes de otrostipos. La utilización de capa lubricantes sólidas, que seanal mismo tiempo resistentes al desgaste en las herramientaso incluso en componentes, es muy importante en casos talescomo:• Materiales de varillas, bulones, guías, mecanismos de

actuación, componentes, etc. en motores aeronáuticos oelementos mecánicos móviles de aeronaves, donde lascapas lubricantes reducen la fricción y el desgaste de

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partes móviles, permitiendo reducir las fuerzas necesa-rias para su movimiento y aumentando la fiabilidad delas mismas.

• Materiales de alta fiabilidad en los mecanismos que seemplean en la industria espacial. Los mecanismos, y enespecial su lubricación, son la fuente más importante defallos en estos sistemas.

• Materiales para la fabricación de envases metálicos dealuminio (como tubos rígidos y flexibles para cosmética,farmacia o bebidas).

• Materiales para la fabricación de cápsulas de estañopara botellas.

• Materiales para punzonado y conformado de láminasde aluminio, utilizadas en la fabricación de intercam-biadores de calor.

• Materiales para proceso de mecanizado en seco ymecanizado de alta velocidad.

• Materiales empleados en procesos de transformación deplásticos (algunas de las capas pueden mejorar el des-molde de los materiales, al mismo tiempo que propor-cionar resistencia al desgaste producido por aditivos ycargas abrasivas, así como resistencia a la corrosión enlas zonas de venteo de gases corrosivos).

• Materiales por capas lubricantes, biocompatibles, en dis-positivos tales como prótesis de cadera o rodilla.

• Materiales con pistones, segmentos, guías de válvulas,etc. para motores de 2 y 4 tiempos para ciclomotores yautomoción (las capas autolubricantes reducen la fric-ción de partes móviles, reduciendo en algunos casos elporcentaje de aceite necesario en la mezcla de combus-tible, y por tanto la emisión de gases al exterior).

Otros materiales elegidos para los sistemas de multicapa ocapa gradiente son frecuentemente elementos metálicos,como el níquel, titanio, cromo o silicio para la capa internay nitruros o carburos de dichos elementos en el recubri-miento intermedio. El carácter metálico de estos materialesles confiere muy buena adherencia a diferentes tipos de

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substratos y, por otra parte, los nitruros y/o carburos pre-sentan buenas disposiciones de dureza y estabilidad quí-mica. Posteriormente, sobre estos recubrimientos suelenaplicarse los compuestos de carbono-nitrógeno (CNx), queson también conocidos por sus propiedades de dureza,estabilidad y bajo coeficiente de rozamiento.En algunos casos se refuerzan las propiedades de bajoscoeficientes de fricción mediante compuestos tales como elCaF2 o algunos polietilenos de alto peso molecular, comose indica en el anexo II.

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Como se indicaba en la introducción, las familias de mate-riales elegidas son aquellas en las que, a la luz de los resul-tados tecnológicos actuales, se puede preveer una mayordemanda futura de aplicaciones valoradas en condicionesde mercado. Esta previsión económica se basa, comoindicábamos entonces, en la propia naturaleza de la fun-cionalidad o aplicación de que se trate y en el grado demejora que han experimentado los parámetros que definendicha funcionalidad. En este sentido, nos fijaremos en lareducción de la resistencia eléctrica y en el incremento dela resistencia al desgaste.

2.1. APLICACIONES DE MATERIALES SUPERCONDUCTORES HTS

Resulta interesante analizar el esfuerzo de investigación ensuperconductores a alta temperatura, para su uso enenergía eléctrica, que está realizando la industria nortea-mericana, con el fin de poder producir componentes HTSpara cables de larga longitud y altas corrientes o para otrosequipos como motores, generadores, limitadores y transfor-madores eléctricos. En este sentido, el desarrollo de com-ponentes está alcanzando cotas de desarrollo importantesen las siguientes áreas:

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2MERCADOS Y APLICACIONES

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• Fabricación de cables de larga longitud y de altacorriente en materiales superconductores a alta tempera-tura.

• Desarrollo de bobinas.• Desarrollo de hilos y cables.• Testado de bobinas y cablesLos componentes que se obtienen poseen en la actualidadcaracterísticas adecuadas respecto a la transmisión decorriente y creación de campos magnéticos, de tal modoque puedan ser incorporados a los equipos de energíaeléctrica. Actualmente las características de los componen-tes —hilos y cables— no han alcanzado plenamente elnivel necesario para poder llevar a cabo una comerciali-zación a escala industrial de los equipos. A esto hay queañadir que el coste de los cables superconductores a altatemperatura y de larga longitud debe reducirse apreciable-mente, para que sean competitivos con los fabricados bajolas tecnologías existentes. Las aplicaciones eléctricas posi-bles se estima que pueden alcanzar los 20.000 M$ a nivelmundial para el año 2000, y 110.000 M$ para el año2007, fecha en la que se supone que se habrán logradoplenos resultados comerciales de numerosos proyectos enmarcha en diversos países desarrollados del mundo.Adicionalmente a estas aplicaciones eléctricas de granvolumen económico no conviene olvidar que la primeraaplicación práctica de los superconductores se encontró enla necesidad de generar campos magnéticos elevados parala espectroscopía de resonancia magnética nuclear, técni-ca crucial actualmente en el diseño molecular, en particularde productos farmacéuticos. No obstante, aparte de su usoen instrumentación avanzada de interés científico, el primersistema superconductor que ha llegado a implantarse comoun producto realmente comercial, generando de esta formauna industria superconductora, es la resonancia magnéticade imágenes médicas (Magnetic Resonance Imaging, MRI).Mediante dicha técnica pueden generarse imágenes dealta resolución del cuerpo humano utilizando para ello

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bobinas superconductoras que generan intensos camposmagnéticos. Actualmente existen miles de hospitales entodo el mundo que utilizan estos equipos como herramien-tas para el diagnóstico e incluso para llevar a cabo cirugíacon visión en tiempo real. Podemos por tanto decir que lasuperconductividad ha empezado ya a llegar a nuestravida cotidiana en un cometido en el cual es insustituible, ypara el cual la necesidad de refrigeración se convierte enun ligero inconveniente dada la gran relevancia para nues-tra salud de los resultados obtenidos.

2.1.1. Oportunidades en transporte de energíaeléctrica

Volviendo de nuevo al sector eléctrico, el transporte porcable HTS podría emplearse del mismo modo en que seusan los cables convencionales para el transporte y la dis-tribución de energía eléctrica. Estimaciones realizadas a unnivel general muestran que aproximadamente 2.500 kiló-metros del cable existente ahora mismo en el subsuelo ame-ricano se encuentran al final de su vida útil, y podría ser elmomento de sustituirlos por cable HTS. El cable HTS puedetransportar entre 3 y 5 veces más potencia eléctrica que elcable convencional, lo que puede significar aumentar laoferta de energía en las áreas urbanas sin tener que adqui-rir nuevas servidumbres. La transmisión subterránea deenergía mediante cable HTS podría sustituir al cableadoaéreo cuando el interés medioambiental u otros interesesprohíban instalaciones del mismo. Las excepcionalmentebajas pérdidas de energía, posibles gracias al cable HTS,permitirían incrementar la eficiencia del sistema en su con-junto, incrementando la flexibilidad y reduciendo los costesenergéticos de la electricidad. Dado que la demanda deenergía aumenta y la preocupación medioambiental cadavez es mayor, el cable HTS en el subsuelo ofrece una alter-nativa muy conveniente para enfrentarse al problema que

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plantea el suministro de energía. El desarrollo de cablesHTS de transporte eléctrico permitiría a la industria innova-dora hacerse con una gran parte del creciente mercadomundial. En este sentido, se estima que el mercado decables de potencia puede representar alrededor del 30%de la cifra global indicada de 110.000 M$, para todos lasaplicaciones superconductoras en el año 2007.

2.1.2. Oportunidades en protección y limitación de corriente

Un limitador de corriente se diseña para reaccionar yabsorber anticipadamente perturbaciones y fallos de poten-cia en la red, evitando tanto pérdidas o caídas de energíaa los consumidores como daños a las redes eléctricas.Los fallos de corriente son producidos por rayos, árboles ypostes de electricidad caídos. Estos sucesos provocan unaumento de la corriente, la cual puede causar serios dañosen la red y como resultado un cortocircuito en el sistema,obligando con ello a desconectar una parte del mismo. Losfallos importantes pueden incluso producir aumentos dehasta 100 veces la corriente que circula en condicionesnominales, y generar oscilaciones de voltaje y corrienteincontroladas que se propaguen por la red, anulando sufuncionamiento eficaz o incluso desestabilizándola y afec-tando a los equipos de los usuarios. También se ha com-probado que la vida útil de los limitadores de corriente dis-minuye en función del número e intensidad de los fallos. En el marco descrito encuentran una aplicación muy intere-sante los limitadores de corriente HTS, que instalados en lared pueden detectar una oscilación de corriente y redistri-buirla a una bobina HTS, que la absorberá sin hacer saltarlos fusibles automáticos. Este dispositivo limita el impacto pro-vocado por un fallo en la corriente, asegurando que no hayainterrupciones en el suministro de energía a los usuarios yprotegiendo los costosos equipos de la subestación eléctrica.

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Su primera aplicación estriba en proteger sistemas de trans-porte y distribución, especialmente en empresas distribui-doras de electricidad y usuarios de gran consumo eléctrico,así como en áreas de gran densidad o gran crecimiento dela demanda. Lockheed Martin defiende que los limitadoresde corriente basados en superconductores pueden suponerimportantes ahorros en costes así como notables beneficiosoperativos, estimando un mercado potencial que, sólo enUSA, alcanzaría un valor de 3 a 6 billones de dólares enel año 2007. En todo el mundo, se estima este mercado enmás de 12.000 M$ para la misma fecha.Las empresas generadoras se beneficiarían en gran medidade esta aplicación, ya que les ofrecería una mejora en laseguridad, fiabilidad y potencia controlada. Además, resul-ta compatible con los sistemas de protección existentes. Lacorriente máxima permitida se puede ajustar, lo cual impli-ca dotar de mayor flexibilidad al sistema y pospone la nece-sidad de ampliar el sistema de transmisión y distribución,con lo que de algún modo se reduce el capital a invertir.

2.1.3. Oportunidades en los transformadores de potencia

Un transformador está compuesto de dos bobinas conduc-toras o arrollamientos alrededor de un núcleo magnético.Por inducción electromagnética, la corriente que fluye através de la bobina primaria produce una réplica en lasecundaria. Lo ideal sería que la energía que entrase fueseigual que la que saliera. Sin embargo las bobinas de lostransformadores convencionales están fabricadas de hilode cobre, y la resistencia óhmica del hilo provoca entre un1% y un 2% de pérdida de energía. En este sentido, lasbobinas de un transformador HTS implican una sustancialreducción de las pérdidas, debido a su casi nula resisten-cia, alcanzando el transformador una eficiencia cercana al100% de su rendimiento.

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Los transformadores convencionales tienen una gran canti-dad de masa de cobre y de aceite mineral para su aisla-miento y enfriamiento, tanto de las pérdidas óhmicas comode las parásitas e histéresis. Sin embargo, en un transfor-mador HTS el superconductor pesa solamente unos pocoskilogramos. Desde el momento en que tiene una resistenciaeléctrica prácticamente nula, con muy pocas pérdidas porcorrientes parásitas y por histéresis, las pérdidas de cargaen un transformador HTS son muy pequeñas. Adicional-mente, el enfriamiento se hace con agentes respetuosos conel medioambiente, tales como el nitrógeno líquido o el gashelio. El aislamiento también puede ser logrado medianteel uso de estos gases. Estas circunstancias redundan en untransformador que es más pequeño, más ligero, más efi-ciente y compatible con el medio ambiente de lo que sonlos transformadores convencionales.El crecimiento urbano en la demanda de energía nos llevaa la necesidad de que los transformadores de media poten-cia se vayan haciendo de menor tamaño, más ligeros y sinriesgo de incendios. Uno de los tipos más frecuentes detransformadores utilizados es el de distribución, que trans-forma reduciendo la tensión desde el nivel de transportehasta el nivel de las aplicaciones en media o baja tensión.Los transformadores HTS reúnen las cualidades demanda-das, pudiendo alcanzar una cifra mundial de mercado entorno a los 4.000 M$ en los próximos años, y cifras próxi-mas a los 20.000 M$ para el año 2007, como reempla-zamiento de los transformadores convencionales.

2.1.4. Oportunidades en generadores eléctricos

Los generadores se utilizan para la producción de energíaeléctrica a gran escala. Su principal aplicación se da en lasplantas de producción de energía eléctrica, utilizando biengeneradores nuevos o bien generadores readaptados. Lareadaptación se realiza en los países industrializados fun-

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damentalmente sobre plantas de funcionamiento, mientrasque las naciones en vías de desarrollo podrían beneficiar-se de nuevos generadores con tecnología HTS.Los generadores basados en superconductores HTS puedenaumentar la eficiencia de las máquinas por encima del99%, reduciendo las pérdidas hasta el 50% en relacióncon los generadores convencionales. Al mismo tiempo pro-ducen ahorros en costes de explotación, reduciéndose lacontaminación por unidad de energía producida y redu-ciéndose también los costes de mantenimiento. Además, losgeneradores superconductores han modificado algunas delas características eléctricas, lo que permite mejorar la esta-bilidad de las redes en relación con la de los generadoresconvencionales. De este modo, y comparados con los gene-radores convencionales de similares características, losgeneradores superconductores podrían reducir el peso ytamaño en más de la mitad, disminuyendo en buena medi-da los costes de capital y los gastos de instalación.Los generadores eléctricos representan un gran mercadomundial, muy consolidado y con un crecimiento esperadode más de 1.000 GW de nueva capacidad instalada paralos próximos 7 a 10 años. En este sentido, General Electricestima un mercado mundial para los generadores super-conductores de alrededor de 30 billones de dólares endicho periodo.

2.1.5. Oportunidades en motores eléctricos

Los motores superconductores utilizan espiras de materialHTS en lugar de las convencionales de cobre, teniendo lamitad de pérdidas que los motores con espiras de cobre. Laprincipal aplicación se daría en grandes motores (mayoresde 1.000 Hp) para bombas y ventiladores de aplicacionesindustriales, en particular en aplicaciones que requieren unfuncionamiento continuo. Se trata en general de motoressíncronos de alta eficiencia enfriados criogénicamente. La

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variación de velocidad utilizada en los mismos sería un sis-tema convencional rectificador/inversor/control vectorial,como los usados con los actuales motores de inducción AC,aunque modificado para operar con un motor síncrono.Los motores HTS pueden incrementar la eficiencia de lasmáquinas por encima del 98%, reduciendo las pérdidasincluso en un 50% respecto a los motores convencionales,produciendo por tanto ahorros de energía, menor contami-nación por unidad de potencia y menores costes de man-tenimiento.Las oportunidades para introducir motores con tecnologíaHTS son importantes. En Estados Unidos los motores gran-des (más de 1.000 Hp) convierten el 30% de potencia ins-talada, y aproximadamente al 70% de los mismos se lespodría incluir tecnología HTS. De este modo, al convertirlas bases ya instaladas de motores de 1.000 Hp o mayo-res a bases HTS podrían ahorrarse más de 600 millones dedólares anualmente. En este sentido, el crecimiento espera-do en la utilización de equipos HTS de gran potencia esmuy importante, constituyendo en la actualidad el mercadomundial de motores HTS mayores de 1.000 Hp unos 1.000M$, y estimándose en unos 4.000 M$ para el año 2007.El siguiente cuadro resume la previsión mundial de aplica-ciones eléctricas basadas en materiales superconductorespara los próximos años:

Tabla 1. Previsión mundial de aplicaciones eléctricas superconductoras

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Aplicaciones Año 2.002 (M$) Año 2.007 (M$)

Transporte de energía (cables de potencia) 5.000 44.000

Limitadores de corriente 2.500 12.000

Transformadores 4.000 20.000

Generadores 3.000 30.000

Motores 1.000 4.000

TOTAL 15.500 110.000

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2.2. Aplicaciones y oportunidades en materialespara recubrimientos duros y autolubricantes

Las pérdidas originadas en la industria por recubrimientosinadecuados y el desgaste indebido de los materialesalcanzan un volumen económico significativo en los paísesdesarrollados, llegando a cifras globales anuales cercanasa varios billones de dólares. Cualquier reducción, porpequeña que ésta sea, en las pérdidas materiales que ocu-rren por estos conceptos tiene un resultado paralelo en elaumento de la competitividad, ya que se precisan menoshoras de mantenimiento, reparación, etc., y se logran mejo-res resultados de productividad. Como consecuencia deello, en los países desarrollados los campos de la tribologíay los recubrimientos se investigan ampliamente, y se dedi-can esfuerzos continuos a la búsqueda de soluciones quepermitan reducir cada vez más las pérdidas ocasionadaspor estos fenómenos.Por otro lado, de todos los materiales conocidos a nivel deelementos químicos el carbono en su configuración de dia-mante es el más duro, con sus 10.000 Kg/m2 de dureza.Esto conduce al hecho de que a medida que se han idodominando las técnicas de deposición física (PVD) y quí-mica (CVD) su uso se haya generalizado, hasta constituiractualmente un importante mercado de recubrimiento deherramientas, piezas y subconjuntos, próximo a los 1.600M$ a nivel mundial. Este mercado se estima que va a man-tenerse en las cifras anteriores, con ligeras variaciones, enlos próximos años. Junto a él se ha iniciado una fuertedemanda de materiales en general para recubrimientosduros, que pretende conseguir simultáneamente un reduci-do coeficiente de fricción (0,1 o menos).Se calcula que en el año 2003, y debido principalmente ala necesidad de disminuir la dependencia medio ambien-tal que producen los lubricantes convencionales, los recu-brimientos superficiales con materiales autolubricantes ybajo desgaste supondrán en Europa un mercado de 3.200

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M$, concentrado en la industria del automóvil, maquinariaindustrial, papeleras, equipos elevadores, equipos ópticosy electromédicos. Posteriormente se irán incorporandotodo tipo de rodamientos, compresores de frío y de obraspúblicas y finalmente los motores de combustión interna.Para el año 2010, en que pueden estar incorporadastodas las aplicaciones señaladas, el mercado europeo delos nuevos materiales de recubrimiento, con prestacionesnotablemente superiores a las actuales en su duración, fric-ción y necesidad de lubricación, puede ascender a unos15.000 M$ /año.

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3.1. SUPERCONDUCTIVIDAD

En España la actividad desarrollada durante los doce añosposteriores al descubrimiento de la superconductividad dealta temperatura fue en un principio fuertemente promocio-nada por el programa MIDAS, subvencionado conjunta-mente por la CICYT y el Programa de InvestigaciónElectrotécnico (Red Eléctrica de España, UNESA). El estí-mulo inicial de dicho programa permitió que algunas gru-pos alcanzaran nivel competente en el entorno europeo, apesar de no existir ninguna experiencia previa en esta dis-ciplina en nuestro país. Actualmente existe una actividad deinvestigación sostenida por proyectos nacionales y europe-os en una media docena de centros, los cuales colaboranademás en algunos casos con empresas españolas de lossectores electrotécnico, electromecánico, químico-metalúrgi-co y de telecomunicaciones. En este sentido, los centros quehan desarrollado investigación básica o aplicada en super-conductividad o materiales superconductores son funda-mentalmente los siguientes:El CIEMAT ha creado recientemente un grupo especializadoen aplicaciones de la superconductividad, y más específica-mente en aquellas que están relacionadas con la energía ylos aceleradores de partículas. Los objetivos técnicos de esteproyecto son múltiples; en un plazo de dos años está pre-

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3INVENTARIO DECENTROS DEEXPERIENCIA

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vista la culminación de actividades tales como la construc-ción de un imán superconductor para el CERN, la partici-pación en el diseño y construcción de un limitador decorriente o la fabricación de toma de alimentación, amboscon materiales superconductores. También se está trabajan-do en levitación superconductora y almacenamiento deenergía cinética para aplicación de gestión energética.

Dirección de contacto:

Dr. Luis García-Tabares Rodríguezwww.ciemat.es/proyectos/supercon

Los Institutos de Ciencia de Materiales de Barcelona yAragón, dependientes del CSIC, han mantenido líneas muyactivas de investigación en materiales superconductores ydesarrollos aplicados de la superconductividad. Entre laslíneas de investigación desarrolladas se encuentran la fabri-cación de cerámicas másicas texturadas, las cintas super-conductoras, y las barras superconductoras. Asimismo sehan desarrollado, en colaboración con el CIEMAT y empre-sas españolas, limitadores de corriente, motores y alimen-tadores basados en superconductores de alta temperatura.Algunos de dichos desarrollos han sido transferidos a empre-sas del sector las cuales actualmente son capaces de fabri-car sistemas que, por ejemplo, se integrarán en el CERN.

Personas de contacto:

Prof. Xavier ObradorsICMAB, CSICCampus Universitat Autònoma de Barcelona08193 BellaterraTel.: 93 580 18 53, Fax: 93 580 57 29E-mail: [email protected]

Prof. Rafael NavarroICMA, CSIC-Universidad ZaragozaCentro Politécnico Superior

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María de Luna 350015 ZaragozaTel.: 976 76 19 58, Fax: 976 76 19 57E-mail: [email protected]

Los programas nacionales de materiales han definido hastaahora en España a los superconductores como un área deinterés, junto a otras áreas igualmente objetivos. Sin embar-go, desde el punto de vista práctico la investigación reali-zada ha de cobrar mayor impulso y tener una mayor vin-culación con la industria. En algunos países europeos lasituación es apreciablemente mejor y en su conjunto se estácoordinando con el programa europeo Scenet, aunquetodavía dista del esquema que se está practicando enEEUU. En Italia, por ejemplo, los diversos centros e institu-tos que investigan se han integrado en una red de super-conductividad, a la que en su conjunto se le asignan recur-sos y objetivos que, aunque se sitúen en etapas previas alas que se describen para EEUU (véase anexo II), en térmi-nos de proyectos industriales tienen la virtualidad de ir pre-parando la investigación hacia etapas preindustriales. LaRed tiene dos coordinadores y un consejo asesor. A ellapertenecen centros nacionales como el ENEA, CNR, etc.,varias universidades y algunas empresas de los sectoreseléctrico, materiales y automóviles.

Dirección de contacto:

Dr. Massimo MarezioCoordinador SCENETMASPEC-CNRArea delle Scienze, I - 43010 Parma-Fontanini, Italy Phone: ++39/0521/251728, Fax: ++39/0521/254352E-mail: [email protected]

Dado el interés investigador de esta temática, y con el fin depromover la interelación entre el sector académico e indus-

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trial de todos los países del área europea, se inició en 1993la serie de los congresos European Conference on AppliedSuperconductivity. Dichos congresos se han celebrado cadados años en distintos puntos de Europa: Göttingen,Edinburgo, Twente y, en septiembre de 1999, en Sitges-Barcelona: http://www.icmab.es/eucas99.El número de asistentes a dichos congresos es importante(500-700 personas), con una participación sustancial delsector industrial. Por otro lado, la procedencia de los asis-tentes es muy diversa e incluye representantes de países detodo el mundo, incluidos EEUU y Japón.La celebración de EUCAS'99 en Barcelona ha sido el resul-tado de un proceso de afianzamiento de la presencia denuestro país en la I+D europea en el campo de la super-conductividad, incluyendo una excelente oportunidad paradifundir e introducir en nuestro país una tecnología emer-gente con excelentes perspectivas para generar i41nnova-ciones en sectores industriales muy diversos.EUCAS se organiza con el soporte de la Unión Europea através de la red temática SCENET (SuperconductingEuropean Network): http://orchidea.maspec.bo.cnr.it) yde la European Society of Applied Superconductivity(ESAS): http://www.esas.org.La organización de EUCAS'99 corrió a cargo delInstitut de Ciència de Materials de Barcelona del CSIC(chairman el profesor Xabier Obradors), en cooperacióncon la Universitat Autònoma de Barcelona, la UniversitatPolitècnica de Catalunya, la Universitat de Barcelona y elInstituto de Ciencia de Materiales de Aragón del CSIC,Universidad de Zaragoza: http://www.icmab.es/magneto/.El programa americano de superconductividad está opera-tivo en EEUU desde 1 ó 2 años después de que se realiza-ran los descubrimientos de la superconductividad HTS, y enalgunas investigaciones está alcanzando ya etapas depreindustrialización. Este programa está siendo animado yfinanciado en parte por el Departamento de Energía consubprogramas de diversos tipos, entre los que destacan los

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destinados a PYMES, como el Small Business InnovationResearch (SBIR).En el programa participan siete grandes laboratorios y cen-tros de investigación nacionales, junto a cuatro universida-des y 18 grandes corporaciones. En numerosos casos,algunas de estas corporaciones han creado centros desuperconductividad y materiales HTS, solas o en alianzacon las universidades. El número total de empresas partici-pantes alcanza las 200.

3.2. MATERIALES PARA RECUBRIMIENTOS Y TECNOLOGÍAS DE SUPERFICIE

En España existe en este campo un nivel tecnológico bueno,proporcionado a nuestra industria; nivel que además estámejorando sensiblemente en los últimos años.La actividad se lleva a cabo fundamentalmente a través decentros de desarrollo tecnológico dotados de personal yequipamiento apropiado. Estos centros pueden ser de natu-raleza pública o privada, aunque enfocados a la investi-gación cooperativa y vinculados a agrupaciones de empre-sas o departamentos universitarios y escuelas de ingeniería.En Navarra existen dos de estos centros, conocidos por sularga trayectoria en tratamientos superficiales y más recien-temente en tribología y tecnologías de superficie. Uno de estos dos centros es el Centro de IngenieriaAvanzada de Superficies perteneciente a la AIN(Asociación de Industria Navarra). Creado en 1989, hasido pionero en la introduccion de los tratamientos porimplantacion iónica en España. El Centro dispone de unimplantador iónico de alta corriente con el que el que se tra-tan herramientas y componentes industriales, así como de unequipo prototipo de deposición física de vapor. El Centrodispone igualmente de equipos de caracterizacion tribológi-ca para caracterizar el comportamiento frente a desgaste yfriccion de materiales tratados y sin tratar. Más reciente-

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mente el Centro ha comenzado a ofrecer asesoramiento téc-nico para la eleccion de materiales y la solucion correcta delos problemas de deterioro y tratamiento superficial.

Dirección de contacto:

Dr Rafael Rodríguez TríasAIN Centro de Ingeniería Avanzada de Superficies31191 Cardovilla. PamplonaTeléfono: 948 421101Fax: 948 [email protected]//www.ain.es

El segundo de los centros aludidos es Cetenasa, que estátrabajando, entre otras áreas, en la de materiales y en líne-as relativas a caracterización de materiales y comporta-mientos superficiales.

Dirección de contacto:

CetenasaPolígono Elorz, s/n.31110 Noain. NavarraTeléfono: 948 31 23 51Fax: 948 31 77 54

En el País Vasco las tecnologías de superficie han sidoámbito de investigación frecuente y constante por parte dealgunos de los centros de investigación de esta Comu-nidad. A partir de dichos trabajos de I+D, dos de los cen-tros del EITE (INASMET y TEKNIKER) tienen una oferta cua-lificada de servicios en técnicas de superficie.INASMET Centro Tecnológico de materiales dispone de ungrupo investigador en el área de ingeniería de superficies,que se ha especializado en procesos de recubrimientos,deposicion de capas o películas delgadas y tratamientossuperficiales con diferentes aplicaciones, tanto para lamejora del comportamiento tribológico de los materiales

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como para el desarrollo de propiedades funcionales.También dispone de una amplia capacidad de caracteri-zación de los recubrimientos (XPS, AES/SAM, EPMA, FTIR).El Centro posee, asimismo, equipamiento para el desarro-llo de capas delgadas mediante tecnologías PVD, PACVDe IBAD, y dispone de capacidad para implantación iónica,tratamiento superficial por plasma, proyección térmica, yrecubrimientos por vía húmeda. En un futuro se pretendeincorporar capacidad para recubrimientos con estructurananométrica, capas finas sobre plásticos, sobre materialessensibles a la temperatura o sobre materiales que trabajenen condiciones especiales de presión o temperatura.

Dirección de contacto:

INASMETDr. José Ignacio Oñate de la PresaCamino de Portuetxe, 1220009 San SebastiánTeléfono: 943 31 66 22Fax: 943 21 75 [email protected]

TEKNIKER, como consecuencia de sus comienzos comocentro de soporte de la I+D para máquina herramienta, haestado más concentrado en recubrimientos para el endure-cimiento superficial. Más recientemente se ha implicadocompletamente en la investigación tribológica y en tecno-logías de superficie, ofreciendo:• Diseño y fabricación a medida de máquinas industriales

para deposición física en fase vapor (PVD) de recubri-mientos finos.

• Desarrollo de nuevos recubrimientos y búsqueda de susaplicaciones industriales.

• Desarrollo de nuevos materiales y componentes antides-gaste.

• Mantenimiento tribológico predictivo.

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Dirección de contacto:

D. Javier LaucericaAvda. Otaola, 2020600 Éibar. GuipúzcoaTeléfono: 943 10 67 44Fax: 943 10 27 57

El Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid (ICMM),dependiente del CSIC, se muestra muy activo en tecnologíay materiales de recubrimiento.De modo concreto está impli-cado en el estudio de diferentes tipos de recubrimientos,como la mezcla a nivel nanométrico de un mismo material(multifases) o de distintos materiales (multicompuestos)Dispone de personal e instalaciones para la deposición derecubrimientos específicos multicapa utilizando la presen-cia de nanocristales insertados en la matriz amorfa.

Dirección de contacto:

ICMMD.ª Cristina Gómez-Aleixandre FernándezCantoblanco. 28049 MadridTeléfono: 91 334 90 79Fax: 91 372 06 23

El Departamento de Ciencia de los Materiales e IngenieríaMetalúrgica de la Universidad Complutense (Facultad deCiencias Químicas) dispone también de tecnología de recu-brimientos.

Dirección de contacto:

D. José M.ª Gómez de SalazarCiudad Universitaria, s/n.28 040 MadridTeléfono: 91 3944351Fax: 91 [email protected]

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En Cataluña, el Departamento de Ingeniería Química yMetalurgia de la Universidad de Barcelona participa enproyectos de recubrimientos y dispone de tecnología yequipos a través del Centro de Proyección Térmica (CPT).El Centro de Proyección Térmica nace con unos objetivosclaros:• Investigar nuevos recubrimientos.• Desarrollar tecnologías avanzadas.• Manejar la mas variada gama de materiales mediante la

utilizacion de las técnicas de proyección térmica.La actividad del CTP se encuadra —y forma parte de ella—en la dinámica establecida por la Cátedra de MetalurgiaFísica de la Facultad de Química para la cooperación ytransferencia de tecnología a empresas. El Centro cuentacon el patrocinio de Carburos Metálicos S.A y de Sultzer-Metco y un equipamiento de proyección térmica sumamen-te versátil para la deposición de prácticamente cualquiermaterial sobre cualquier sustrato.

Dirección de contacto:

D. José M.ª Guilemany CasademónMartí y Franques, 108028 BarcelonaTeléfono: 93 4021297

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ANEXO I

PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DESCRIPTIVAS DE LOS MATERIALES INNOVADORES

Materiales superconductores

A principios del siglo XX, el físico holandés HeikeKamerlingh Onnes observó que el mercurio no mostrabaresistencia óhmica a la electricidad cuando se enfriabaa muy bajas temperaturas. Con esta observación habíanacido el estudio de la superconductividad. Durantevarias décadas posteriores, los superconductores perma-necieron como una simple curiosidad científica conpocas aplicaciones en la práctica. Luego, en la décadade los años sesenta, se desarrolló un cable de metalsuperconductor hecho de niobio y estaño, que se convir -tió en la base de la primera aplicación de los supercon -ductores.La aleación de niobio y titanio, que aún se usa hoy endía, forma parte de los llamados superconductores abaja temperatura. Los materiales superconductores abaja temperatura deben ser enfriados por debajo de 20

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ANEXOS

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grados Kelvin (K) (–253 0C) para que lleguen a ser super-conductores. Estos superconductores son ahora muy usa -dos en imágenes de resonancias magnética (MRI) y otrotipo de máquinas en el campo de la física de altaenergía y fusión nuclear. Los usos comerciales adiciona-les se han visto limitados en gran medida por los eleva -dos costes de refrigeración asociados con el helio líqui-do, que es necesario utilizar para enfriar los materialesa esas bajas temperaturas.La esperanza de lograr la superconductividad sin incurriren costes elevados se inició con los descubrimientos signi-ficativos de los años ochenta. En 1986 dos científicos deIBM en Zurich, Alex Muller y Georg Bednorz, descubrieronuna nueva clase de superconductores. A diferencia de lossuperconductores a bajas temperaturas, que son metálicoso semimetálicos, estos nuevos materiales eran cerámicos ysus propiedades superconductoras se manifestaban porencima de los 35 K (–238 0C). Muller y Bednorz ganaronel Premio Nobel por su descubrimiento. Un año más tarde,en 1987, Paul Chu, de la Universidad de Houston, dio unpaso más allá en la investigación y anunció un compuestoque llegaba a ser superconductor a 94 K (–179 0C). Estedescubrimiento fue particularmente significativo, porqueeste compuesto podía ser enfriado con nitrógeno líquido,que es notablemente más barato y accesible. Estos nuevosmateriales fueron bautizados como superconductores aaltas temperaturas (HTS).Hoy en día los superconductores a altas temperaturas estánya saliendo del laboratorio al mercado. Compuestos basa-dos en el bismuto se incorporan en hilos y bobinas super-conductoras, empleadas esencialmente en la distribuciónde energía eléctrica. Compuestos basados en talio e itrioforman parte de las capas delgadas usadas en los apara-tos electrónicos y, como se describió en el capítulo II, dis-positivos como motores superconductores, limitadores defallos de corriente, sistemas de almacenamiento de energíay cables de transmisión de potencia prometen cambiar

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para siempre el modo en que se genera, distribuye y usa laelectricidad.Antes de continuar reflexionando al respecto de las aplica-ciones, conviene sin duda tratar de comprender de modosomero aspectos físico-teóricos del fenómeno de la super-conducción. El efecto Meissner es uno de ellos. Este descu-brimiento se llevó a cabo en 1933 en el laboratorio desuperconductividad de Walther Meissner en Berlín. Meissnery R. Ochsenfeld llegaron a la conclusión de que un super-conductor es más que un conductor perfecto de la electrici-dad, ya que tiene también sorprendentes propiedadesmagnéticas. En este sentido, un material superconductor nopermite que un campo magnético penetre en su interior, yasí, si a un superconductor se le aproxima un campo magné-tico, surgen corrientes protectoras en su superficie. Estascorrientes protectoras crean un efecto magnético igual peroopuesto, por lo que cancelan el campo magnético y dejanun campo nulo dentro del conductor. Realizando la mismasecuencia, pero al revés, obtenemos el mismo resultado: siaplicamos primero el campo magnético al material super-conductor y después lo enfriamos hasta alcanzar el estadode superconductividad, se establece una corriente protecto -ra que expulsa el campo magnético; este fenómeno es cono-cido como el efecto Meissner.Como explica Paul Grant, investigador de IBM, un imáncolocado cerca de un superconductor parecerá literal-mente su imagen reflejada, y como los polos se repelen,tanto el superconductor como el imán intentarán separar-se. Si ponemos un imán sobre un superconductor, estehará que el imán levite, tal como se muestra en la siguien-te figura.

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Figura 3. Efecto Meissner

Ilustración del fenómeno concido como el efecto Meissner. Un imán perma-nente flota sobre un superconductor bañado en nitrógeno líquido, debido a quesu campo magnético es totalmente repelido por la superficie del superconductor.

El efecto Meissner solamente ocurre si el campo magnéticoes relativamente pequeño. Si el campo magnético fuerademasiado grande, penetraría en el interior del material yeste perdería su superconductividad.La superconductividad fue un misterio durante años.Einstein, Bohr y Heisenberg intentaron sin éxito explicarla.En 1935 los hermanos Fritz y Heinz London concibierondos ecuaciones que describían la resistencia nula y el efec-to Meissner. 15 años después Vitaly Ginzburg y LevLandau, ambos científicos rusos, describieron la supercon-ductividad en términos de mecánica cuántica. Estas eranteorías fenomenológicas; en otras palabras, ellos des-cribían los fenómenos que observaban, pero sin explicar loque estaba ocurriendo a un nivel microscópico. A pesar deque las ecuaciones de los hermanos London y la teoríaGinzburg-Landau ayudaron como guía a los investigadoresexperimentales, faltaba una teoría completa de la super-conductividad, que no apareció hasta 1957, 46 años des-pués del descubrimiento de Onnes. John Bardeen, LeonCooper y Robert Schrieffer, de la Universidad de Illinois,

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ganaron el Premio Nobel por su teoría, ahora conocidacomo la teoría Bardeen-Cooper-Schieffer (teoría BCS). Deacuerdo con Schieffer, «todos los electrones se condensanen un solo estado y flotan como un fluido totalmente librede fricciones». Los electrones que normalmente se repelen,desarrollan una atracción y forman parejas llamadas paresde Cooper. Schhieffer describió la teoría «como coreogra-fiar un baile para decenas de millones de parejas». D. N.Langenberg, amplió la analogía del baile: «Consideremosun salón enorme de baile, lleno de bailarines, hombro conhombro. Suponemos también que cada bailarín realiza conenergía su propio baile. Los bailarines chocarán entre ellosy con los objetos que puedan haber sido dejados en lapista de baile. Si se presiona de algún modo a todo elgrupo para que se mueva hacía un lado del salón, mientrassiguen bailando, el movimiento del grupo sería aleatorio ycaótico y se perdería una gran cantidad de energía por lascolisiones. Eso es lo que ocurre con los electrones en unmetal normal, chocan entre ellos y con las irregularidadeso impurezas en la red del cristal. Ahora supongamos quelos bailarines se agrupan en parejas, bailando cada pare-ja juntos. Los bailarines que forman la pareja no bailanfrente a frente, sino que están separados por cientos de bai-larines. Como consecuencia, si cada pareja va a bailarjunta está claro que todo el mundo tiene que bailar junto.El resultado es un sencillo y coherente movimiento que seextiende por todo el salón. Cuando un material alcanza elestado de superconductividad, ocurre algo parecido.»La teoría de Bardeen, Cooper y Schieffer definió la interac-ción entre los electrones y fonones como un estado vibra-cional de la red de átomos, que prepara al material y loconduce literalmente a configurarse en parejas de electro-nes. A bajas temperaturas los llamados pares de Cooper secondensan en un superfluido eléctrico, con unos niveles deenergía ligeramente por debajo de los de los electronesnormales (conocidos como los niveles o bandas de super-conductividad). Las bases teóricas para las aplicaciones

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electrónicas aparecieron cinco años después, en 1962.Brian Josephson, entonces estudiante graduado en laUniversidad de Cambridge, analizó lo que sucedería alrealizar una intersección de dos superconductores separa-dos por una fina barrera aislante (ahora llamada Unión deJosephson). Su predicción desafió el sentido común: predi-jo que una supercorriente se abriría paso a través de labarrera y que no habría tensión eléctrica en la barreramientras que la supercorriente no excediera un valor críti-co; también predijo que un voltaje a lo largo de la barreracrearía una supercorriente alterna de alta frecuencia. Estasconclusiones levantaron un escepticismo considerable, peroJohn Rowell, Phil Anderson y S. Shapiro las verificaron deforma experimental en 1963. Las corrientes eléctricas cir-culan a través de los superconductores sin encontrar resis-tencia óhmica. Por esto no se producen pérdidas si lacorriente es continua; sin embargo, si la corriente es alter-na, encontrará resistencia incluso con superconductores.Así, cuando la corriente circula por un conductor normal,como por ejemplo por un hilo de cobre, se pierde algo deenergía, ya que junto al trabajo útil (luz, movimiento, calor,etcétera) siempre existe una energía perdida debido a laresistencia óhmica. Si, por el contrario, no existiese resis-tencia óhmica, los imanes envueltos con superconductorespodrían crear grandes campos sin calentarse ni perderenergía. De este modo, motores y generadores, si se recu-brieran con materiales superconductores, podrían ser demenor tamaño, más ligeros y más eficientes que los cons-truidos con materiales convencionales.

Materiales de recubrimientos antidesgaste

Hasta hace bien poco las mejoras relacionadas con el des-gaste o rozamiento entre dos superficies en contacto seresolvía únicamente con un mejor acabado de las aspere-zas superficiales, y/o con una lubricación lo más perfecta

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posible entre dichas superficies. En general, son tres los fac-tores que condicionan el rozamiento entre superficies móvi-les en contacto:1. Estado de las superficies:

• Capas superficiales• Acabado

2. Contacto superficial:• Zonas de contacto real• Área efectiva de contacto

3. Efectos de carga:• Naturaleza del contacto• Influencia de las asperezas

Las asperezas superficiales pueden ser de dos tipos y, en lamayoría de los casos, se dan combinadas. Así, puedeobservarse en la fig. 7-A una superficie metálica aparente-mente plana, que cuando se observa con cinco mil aumen-tos tiene el aspecto de la superficie torneada con picos de0,4 µm de la fig. 7-B. En un examen microscópico con milaumentos, fig. 7-C, puede percibirse una ondulación super-ficial de 6µm, combinada con rugosidades como las indi-cadas en la fig. 7-B.

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Figura 7-B Figura 7-C

Figura 7-A

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Las asperezas dentadas regulares son causadas por ligerasfaltas en la herramienta de corte y la naturaleza del metalmecanizado. La longitud de onda corresponde a la anchu-ra de recorrido de la herramienta, que es generalmente muypequeña en operaciones finas de mecanizado. La superficieondulada está causada por falta de exactitud en la máqui-na herramienta o por falta de rigidez entre la herramienta yla pieza mecanizada. La longitud de onda o frecuenciapuede variar entre pocas milésimas de pulgada hasta variaspulgadas, dependiendo de su causa. Las alturas o picos sonmucho más pequeños durante el mecanizado de las superfi-cies, ya sea por herramienta cortante o por abrasión conmuela. Además, la estructura cristalina de las piezas quedaprofundamente modificada, bajo la influencia de la presiónpor el punto de la herramienta (700 kg/mm2) o por las tem-peraturas locales superiores a 1.300 0C. En esta situaciónlos cristales son destruidos o fragmentados, produciéndosela formación de una capa superficial de carácter amorfo conperturbación profunda en las capas inferiores. El trabajo dela herramienta genera asimismo la formación de óxidos ynitruros, por calentamiento con el aire, y elevada tempera-tura local, todo lo cual provoca una transformación más omenos acentuada que modifica superficialmente las carac-terísticas del metal trabajado.Según las profundidades de pasada de los avances y velo-cidades de corte, la superficie queda cubierta por estríasdesiguales. El grado de finura de las pasadas de acabadodisminuye el valor de las asperezas, pero no aporta unamejora sensible a las distorsiones superficiales del material.De todo ello podemos deducir que la superficie de un metales siempre el lugar más deteriorado del conjunto de unapieza; es decir, está de tal modo desfigurada que es impo-sible definir el metal por su superficie. De aquí que cuandodos superficies típicas mecanizadas se ponen en contacto,inicialmente éste se realiza entre las crestas de las aspere-zas en la parte alta de las ondulaciones. A medida que seaplica presión, se produce una deformación elástica y

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entran en contacto más áreas de las superficies. Si segui-mos aumentando la presión, se sobrepasa el límite de elas-ticidad del metal y se produce una deformación plásticapermanente. En este contexto aparece la necesidad delubricar las superficies en contacto. La lubricación esencial-mente consiste en utilizar películas de aceite entre las super-ficies en contacto, más o menos finas según el acabado delas superficies sea mejor (fig. 8.A) o peor (fig. 8.B).

Espesor de la película de aceite según rugosidad de las superficies

Cuando se aplica una carga entre ambas superficies, lapresión teórica resultante puede ser apreciablemente dis -tinta de la real, como consecuencia de que la zona efec -tiva de contacto siempre es menor que la superficiegeométrica, y se aproxima a ella de modo asintótico amedida que aumenta la presión entre las superficies. Porotro lado, cuando una película de aceite interpuestaentre dos superficies en movimiento es lo suficientementegruesa como para impedir todo contacto metal-metal,entonces se definen las condiciones de lubricación comoóptimas, lo que equivale a decir que el espesor mínimode la película debe ser algo superior a la suma de lasrugosidades de ambas superficies. En cualquier caso, lapelícula de aceite se implementa mediante tres tipos delubricación:• Lubricación hidrostática, por sistema de aceite a presión.• Lubricación hidrodinámica, arrastrada por la superficie

móvil en régimen laminar.

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Figura 8.A Figura 8.B

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• Lubricación elastohidrodinámica, cuando se aplica alpunto o línea de contacto entre mecanismos al rodar y/odeslizarse.

De cualquiera de estas formas las condiciones más desfa-vorables se producen con cargas elevadas, velocidadeslentas y temperaturas elevadas, que trasladan la situaciónde lubricación desde una situación de lubricación correctay suficiente, con régimen laminar entre las superficies, hastauna lubricación límite, que supone que las presiones decontacto alcancen valores suficientemente elevados y velo-cidades de deslizamiento suficientemente bajas para quelos efectos hidrodinámicos sean prácticamente nulos. Eneste caso la carga total es soportada por un lecho de capasmoleculares absorbidas por la superficie del metal, deno-minado «epilamen». La transición de estos dos regímenesse efectúa progresivamente, en un sentido o en otro, através de lubricación por película delgada, en la que lasasperezas superficiales de las dos piezas se intercalan lasunas con las otras, perturbándose las condiciones con el finde obtener un flujo laminar, de forma que sólo una parte dela carga soporta las acciones hidrodinámicas, mientras queen la otra el contacto es del tipo sólido-sólido. Este régimenrepresenta un estado intermedio para el que no son apli-cables las leyes de la lubricación hidrodinámica.Lo hasta aquí descrito constituye el planteamiento de los pro-blemas de rozamiento y su solución clásica con aceites lubri-cantes. La situación ha cambiado desde hace ya varios añoscon el descubrimiento de los recubrimientos multicapa debajo rozamiento, que presentan un gradiente de desliza-miento variable a media que se profundiza en el mismo. Dehecho, puede decirse que uno de los principales objetivosde la I+D en este campo ha sido el desarrollo de lubricantessólidos funcionalmente extraduros (de capas gradiantes y/omulticapas), con fines mecánicos y tribológicos, entre losque se cuentan los recubrimientos destinados a componen-tes aeronáuticos, herramientas y piezas mecánicas, recubri-mientos resistentes a medias y altas temperaturas y recubri-

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mientos resistentes al desgaste. Recordemos, además, quecuando se habla de materiales extraduros estamos conside-rando, de forma genérica, el conjunto de materiales quepresentan una dureza superior a 4.000 HV (kg/mm2). Dadoque la dureza de un material ideal viene definida por sumódulo de compresión (B), relacionado con la fuerza de suenlace, que depende a su vez de la distancia de equilibrioentre los átomos del enlace y la energía de éste, sólo aque-llos materiales que presenten una alta energía de enlace yuna distancia interatómica pequeña son susceptibles de pre-sentar valores elevados de B y, por tanto, durezas elevadas.Por otro lado, una alta energía de enlace está relacionadacon una elevada densidad de electrones entre los átomosvecinos, es decir con un enlace covalente o prácticamentecovalente, donde la contribución metálica o dipolar al enla-ce debe de ser nula o despreciable. De este modo, el dia-mante, con su configuración de enlaces con hibridación sp3,es uno de los ejemplos más claros de este tipo de materia-les (los cuatro electrones del C forman un enlace € fuerte,localizado y orientado con sus cuatro átomos vecinos). Suestructura tetraédrica, así como la pequeña longitud delenlace (1,54 A), son las responsables de su elevada dure-za, del orden de los 10.000 HV (kg/mm2), y de su elevadomódulo de Young. De igual modo, tanto el BN como el SiCson materiales con estructura tetraédrica (enlaces con hibri-dación sp3) y pueden considerarse materiales extraduros(aunque de dureza menor que el diamante). Por otro lado,solamente cuatro elementos —B, C, N y Si— pueden formarestos enlaces tan fuertes o enlaces €. De hecho, tan prontocomo aparecen enlaces de tipo € (enlaces con hibridaciónsp2), aparecen materiales menos duros como el grafito o elnitruro de boro hexagonal.Otro grupo de recubrimientos que se consideran extra-duros, llegando incluso a durezas del orden de 6.000 HV(kg/mm2), son los recubrimientos de «cuasidiamante». Enestos materiales los procesos de deposición permiten variarla distribución de enlaces sp3 y sp2, obteniéndose materia-

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les de elevada dureza. También otros materiales, como elB4C y el Si3N4, presentan durezas cercanas a los 4.000 HV(kg/mm2).La investigación, tanto teórica como aplicada, ha ido cre-ciendo en el campo del recubrimiento multicapa de estruc-turas, y existe un renovado interés en esta área. La investi-gación se lleva a cabo frecuentemente en proyectos inter-disciplinarios que han puesto a punto nuevas familias derecubrimientos, como por ejemplo las capas de base C - No CNx. Los ensayos de laboratorio indican que estas capasson predominantemente amorfas, aunque pueden contenerun porcentaje pequeño y variable de partículas con estruc-tura cristalina asociadas al C3N4, dependiendo de las téc-nicas y parámetros de deposición. Dentro de estas capas seha detectado la presencia de diferentes tipos de enlace, nosiempre simultáneos, siendo los más característicos: C - N,C = N y C N. Las mejores propiedades, desde el puntode vista de la dureza y de los enlaces entre el carbono y elnitrógeno, se observan en aquellos recubrimientos en loscuales el mayor porcentaje de enlaces C - N son enlaces dehibridación. Es más, en la producción de este tipo de capasdebe evitarse la aparición de enlaces C = N y C N, quepresentan poca estabilidad (por ejemplo frente a la tempe-ratura), y no proporcionan buenas propiedades de durezaa los recubrimientos. En este sentido, muchos de los pro-blemas que se presentan al intentar aplicar estos recubri-mientos se deben a la dificultad de inhibir la aparición yaumento de enlaces C = N y C N, conforme aumenta laconcentración total de nitrógeno en el recubrimiento.A pesar de la dificultad de obtener capas de C3N4 con bue-nas propiedades, estudios realizados indican que es posi-ble obtener recubrimientos de CNx con elevadas durezas,aún con valores bajos de N, x = (0'2, 0'35).Otra familia de materiales de recubrimientos multicapas esla que se obtiene a partir de los diversos componentes deltriángulo CxByNZ, que han sido objeto de algunos proyec-tos de investigación en la Unión Europea.

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Una interesante posibilidad para las capas ultrarresistenteses la basada en el boro, en la medida en que el boruro denitrógeno, BN, es el material más duro conocido despuésdel diamante. Las capas de BN ofrecen una gran durezajunto con un bajo coeficiente de fricción teórico, y no pre-sentan reacción química cuando entran en contacto con elacero, o atmósferas oxidantes, a altas temperaturas. Sinembargo, la tecnología del BN se encuentra aún en fase deinvestigación, no siendo bien conocida la rugosidad de suscapas, lo que limita sus aplicaciones. Existe por otro ladouna variante termoestática, pero en el punto actual de lainvestigación se desconocen sus otras propiedades mecá-nicas. La investigación sobre estas capas super resistentesse está desarrollando principalmente en Japón y EstadosUnidos, ya que en Europa la investigación en este campoestá aún empezando.Finalmente, y para atender aquellas aplicaciones en lasque las necesidades de lubricación van mas allá de lasposibilidades ofrecidas por los compuestos amorfos de lospropios materiales extraduros, conviene incluir partículasde materiales más blandos particularmente favorables alesfuerzo de cizalladura o deslizamiento, como el CaF2 oalgunos polietilenos (véase el anexo II).Los nuevos materiales para recubrimientos autolubricantes

no son caracterizados únicamente en términos de sus pro-piedades intrínsecas, sino que tienen una notable depen-dencia de las técnicas de deposición utilizadas. Por estemotivo se requiere el desarrollo de técnicas de deposiciónen vacío (técnicas físicas y químicas en fase vapor, PVD yCVD), que permitan la preparación de multicapas, deposi-tando diferentes compuestos en forma secuencial. Entre lastécnicas más frecuentes se encuentran la deposición porpulverización catódica y la deposición por CVD asistidamediante un plasma ECR.Un aspecto esencial en el desarrollo de las técnicas dedeposición es el estudio de las variables que determinan elproceso y su influencia sobre las propiedades del recubri-

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miento: naturaleza y presión de los gases reactivos duran-te la deposición (N2, CH3, etc.), energía de los iones, temperatura del substrato, potencia de la descarga de sputtering empleada durante la deposición, pulverizacióndel substrato, etc. El desarrollo de los procesos de deposi-ción incluye también la determinación del perfil óptimo dela composición de la capa depositada. Así, según sea la«función» que se deban desarrollar (aumento de la durezao disminución del rozamiento), se depositarán capas «amedida» con diferentes perfiles.Otro de los aspectos relevantes en la innovación de mate-riales para recubrimiento es la modelización de las superfi-cies de contacto, con fin de evaluar y/o definir los pará-metros de diseño e ingeniería de componentes relevantesen la viabilidad y mejora del comportamiento tribológicoque introduce un recubrimiento. Por último, el control finalde las características de las capas requiere la determina-ción de sus propiedades, no solo de tipo estructural (com-posición química, tipo de enlace, perfil de la capa, morfo-logía de la superficie, etc.), sino también de las de tipomecánico y tribológico (microdureza, coeficiente de roza-miento, pruebas de rayado para determinar la adherencia,etc). Así pues, como objetivo último se establece el uso detécnicas de caracterización, como la espectroscopiaAuger, de fotoelectrones (AES, XPS y XANES), la micros-copía electrónica de barrido (SEM), de túnel (STM) y fuer-za (AFM), entre otras, así como equipos para ensayo y des-gaste de fricción, etc., con el fin de determinar el compor-tamiento de las muestras una vez depositadas.

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ANEXO II

LA INVESTIGACIÓN EN MATERALES INNOVADORES

España ha dedicado una media aproximada anual de4.000 MPtas. durante los últimos años, teniendo en cuentatodos los fondos del Plan Nacional (concertado, cooperati-vo, Petri, etc.) y de la investigación privada aplicado a I+Den nuevos materiales. A ellos habría que añadir otros1.000 MPtas. de participación de las empresas y centrosespañoles en programas de tecnología industrial y materia-les del IV Programa Marco de la UE. Esta cifra se corres-ponde aproximadamente con un 3% de lo que ha venidogastando la UE en programas de materiales (Brite-Euramprincipalmente) y con un 2% del gasto norteamericano enel mismo periodo.El gasto español de I+D en esta área está principalmentededicado a materiales metálicos para aleaciones y recubri-mientos, a diferencia de lo que sucede en la UE y en EEUU,donde existe un mayor equilibrio entre la parte del gasto deI+D dedicada a materiales metálicos y la que se dedica amateriales cerámicos y vidrio, polímeros, superconductoresy materiales magnéticos.

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Los materiales superconductores

La I+D de materiales superconductores más inmediataindustrial y económicamente hablando es aquella aplicadaen la investigación de los materiales empleados en la pro-ducción de cables superconductores tipo HTS, ya que sehan tenido que superar y aún existen algunas dificultadesinherentes al proceso de utilizarlos en aplicaciones deenergía eléctrica. Esta situación es diferente a lo que suce-de con los típicos conductores metálicos de cobre. De todosmodos, los obstáculos existentes se están superandomediante la I+D, lográndose desarrollar dispositivos que sepueden aplicar a los sistemas de energía eléctrica conven-cionales en estos momentos.Los cables superconductores HTS utilizados en aplicacionesde energía eléctrica están normalmente fabricados por elmétodo de la pulvimetaluria en tubo. En este método, el«precursor» del material superconductor a alta temperaturaes cargado en un tubo de plata y sometido a una serie deprocesos metalúrgicos estándares, tales como estirar, enro-llar y aplicar tratamientos de calor, hasta alcanzar la formafinal del cable superconductor. Para lograr el estado dese-ado del superconductor debe ser tenida en cuenta una grancantidad de variables, de las que cabe destacar la tempe-ratura alcanzada durante el tratamiento de sinterizado, laduración de dicho tratamiento, el número de veces que uncable es enrollado y el posible tratamiento con calor, anteso después de ser enrollado en una bobina.Llegar a optimizar los anteriores parámetros es difícil y cos-toso. Por este motivo, una gran parte de los programas deI+D se han consagrado a fabricar cables superconductorescortos con una gran capacidad de conducción de corrien-te. En este sentido, y dado que las condiciones del procesode fabricación se han optimizado para cables de corta lon-gitud, la tecnología aprovecha el conocimiento obtenidocon los cables de corta longitud para aplicarlo a procesosindustriales en cables de longitud más larga.

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Los programas de I+D mejoran progresivamente el desa-rrollo de hilos y cables, evaluando las características de losfabricados para asegurarse que cada vez se cumplenmejor las condiciones necesarias de los superconductores.La densidad crítica de corriente (Jc), o corriente en seccióntransversal en el núcleo del superconductor, es el paráme-tro eléctrico que normalmente se usa para medir si el cablesuperconductor cumple las condiciones establecidas. Lamayor parte de las aplicaciones de energía eléctricarequieren en condiciones operativas una Jc entre 104 y 106

amperios por centímetro cuadrado (A/cm2). En este senti-do, el Bi-2223 comercial, fabricado con la tecnología indi-cada de pulvimetalurgia en tubo, permite alcanzar cablesde hasta 20 m que transportan corrientes de hasta 20.000A/cm2 a 77 K, en ausencia de campos magnéticos.En general, cuanto menor es el campo magnético en el queel cable superconductor a alta temperatura debe actuar,mayor será la corriente que pueda transmitir. De todas for-mas, la mayor parte de las aplicaciones de energía eléctri-ca requieren campos magnéticos de 2 a 5 Teslas (T) parafuncionar eficientemente. Así, con campos de 2 a 5 T, elBi-2223 fabricado por pulvimetalurgia en tubo debe serusado a temperaturas por debajo de 35 K, debido a laslimitaciones en las propiedades superconductoras del Bi-2223. Sin embargo, por debajo de 35 K y en camposmayores de 2 T, el Bi-2223 aludido tiene una Jc que puedeser utilizada en equipos de energía eléctrica, como moto-res, transformadores y generadores. De todas maneras,deben realizarse aún mejoras en el proceso productivopara que el Bi-2223, fabricado por pulvimetalurgia entubo, pueda ser industrializado e incluido en la producciónde equipos comerciales a gran escala, como puedan ser losmotores y transformadores.Otro componente, el Tl-1223 posee las características nece-sarias para ser incluido en cables usados en campos entre2 y 5 T y por encima de 35 K. El desarrollo de cables fabri-cados con Tl-1223 va, sin embargo, algunos años por

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detrás del desarrollo de cables construidos de Bi-2223. Losmayores logros alcanzados actualmente con el Tl-1223 tie-nen una Jc de 15.000 A/cm2 a 77 K y 0 T. Dado que elTl-1223 es más difícil de procesar con la pulvimetalurgia entubo que el Bi-2223, los programas de I+D están estudian-do alternativas a la producción de cables de Tl-1223.Algunos procesos industriales de bajo coste, como la elec-trodeposición o la coextrusión, muestran resultados prome-tedores, pero todavía necesitan un desarrollo importanteantes de poder ser aplicados de forma práctica en la pro-ducción de cables superconductores a alta temperatura.Para asegurar el avance en los cables superconductores aaltas temperaturas, los programas de I+D tienen un papelfundamental. La síntesis de materiales a partir de polvoshomogéneos, que generen cables con propiedades eléctri-cas y físicas óptimas, es fundamental. En este sentido, serequiere aumentar los conocimientos sobre la relación queexiste entre las propiedades del material en polvo antes deproducir el cable y las propiedades finales eléctricas y físi-cas del mismo, así como mejorar, desde el punto de vistade una industrialización rentable, el proceso productivo.Por otro lado, el conocimiento en esta área ha mejoradomucho en los últimos años, debido fundamentalmente a losnumerosos proyectos de I+D llevados a cabo en sinterizadoy pulvimetalurgia de materiales HTS. Así, por ejemplo, en1993 el Argonne National Laboratory, en Estados Unidos,desarrolló un nuevo proceso para alcanzar la síntesis delBi-2223, que permitía un control mas preciso del sinteriza-do con influencia directa sobre las propiedades de trans-misión de corriente del cable. Se midieron densidades críti-cas de corriente por encima de los 50.000 A/cm2 a 77 Ky 0 T, en cables cortos fabricados mediante ese proceso,que incorporaba así una nueva ruta de sinterizado. Dehecho, en proyectos futuros se prevee contar con esta téc-nica para el desarrollo de los procesos industriales decable, mejorando así las propiedades de los cables delarga longitud.

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El Oak Ridge National Laboratory, también en EstadosUnidos, está implicado igualmente en el progreso de lastecnologías de pulvimetalurgia para producir superconduc-tores HTS. Ha puesto a punto una técnica de deposiciónque permite controlar el crecimiento del grano con unamayor homogeneidad en la distribución de tamaños delmismo. Otros laboratorios y centros de desarrollo enEstados Unidos, como el de Los Álamos Sandia NationalLaboratory, y en Europa están trabajando en I+D sobre losprocesos de sinterizado, tanto para simplificarlos e indus-trializarlos como para hacerlos compatibles con la electro-deposición.

Microestructuras y corrientes críticas

Un factor crucial que limita las eventuales aplicaciones decables superconductores HTS está en la cantidad decorriente que el cable puede transmitir. Esta cantidad decorriente depende de diversos factores, principalmente dela temperatura a que se opera, del campo electromagnéti-co y de la microestructura del superconductor.La temperatura y el campo magnético en que se operason factores externos, pueden ser controlados indepen-dientemente del cable superconductor HTS y están direc -tamente relacionados con la cantidad de corriente queun cable determinado puede transmitir. En general,cuanto menor sea la temperatura a la que se opera,mayor cantidad de corriente podrá transmitir el cable.Con los campos en que se opera ocurre lo mismo; así,cuanto menor sea el campo, mayor corriente se transmi-tirá. Sin embargo, muchas aplicaciones de energía eléc-trica deben operar en campos grandes, por encima de 5T, lo que implica una menor efectividad a altas tempera -turas, pues se requiere más enfriamiento, mayor aisla -miento y mayores costes en la criogenia. Así, para quelas aplicaciones comerciales sean factibles desde el

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punto de vista de la rentabilidad, el cable diseñadodebe de poder operar en grandes campos a temperatu-ras que a veces son solamente de 20 K. Por otro lado, la microestructura del superconductor es unfactor interno y está profundamente condicionado por elmaterial usado para fabricar el cable, las técnicas de pro-ceso empleadas y la forma final del cable. La microes-tructura ofrece por tanto un gran potencial de investiga-ción para lograr mejoras. Las densidades críticas decorriente en cables e hilos son aún de 10 a 100 vecesmenores de las que se consiguen sobre películas finas dematerial HTS. Las películas finas se usan generalmentepara aplicaciones electrónicas y poseen las mejores pro-piedades que se conocen en superconductores a alta tem-peratura. De hecho, las propiedades de estas películasfinas constituyen actualmente uno de los principales obje-tivos de la investigación llevada a cabo en cables super-conductores HTS. El desafío para la I+D es comprender elmodo en que el flujo de corriente se transmite a través delos cables superconductores, así como maximizar lacorriente que se puede producir en un cable mediante unproceso dado. En este sentido, desde 1993 el laboratoriode General Electric ha logrado avances importantes en elconocimiento de la microestructura del Tl-1223, habiendoidentificado las causas microestructurales de la alta den-sidad crítica de corriente en su capa fina. Estas capasposeen la mejor capacidad conocida en materiales HTSpara transmitir densidades de corriente Jc por encima delos 325.000 A/cm2 a 77 K y 0 T. Esta investigación tieneuna gran importancia para el desarrollo de cables de Tl-1223 de larga longitud, ya que parece posible trasladarlos logros de esas capas finas hasta los cables de HTS. Dehecho, no se conocen otros métodos potenciales de pro-ducción más eficaces que generen esa corriente críticatan elevada, por lo que la investigación actual se orientahacia la industrialización de cables con buenas propie-dades físicas y en condiciones de mercado.

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Mejoras en el proceso de fabricación de pulvimetalurgia en tubo

Además del conocimiento de la microestructura del cablesuperconductor a alta temperatura, es necesario mejorarlos procesos de fabricación que dan lugar a la microes-tructura deseada. En este sentido, existen varias técnicas deproducción de cables siendo la pulvimetalurgia en tubo laque más frecuentemente se utiliza. Este proceso tiene suslimitaciones, por lo que al tiempo que se investiga paramejorarlo se estudian técnicas alternativas.En la práctica, todos los procesos para fabricar cablessuperconductores HTS usan la plata como material pararecubrir, ya que ésta es compatible con la estructura cerá-mica de los superconductores, es dúctil en gran medida,permeable al oxígeno y buena conductora de la electrici-dad. La plata puede incluso desempeñar la notable funciónde contribuir al alineamiento del Bi-2223 durante el proce-so de sinterizado. Desafortunadamente la plata es cara ymecánicamente débil, constituyendo su debilidad mecánicala razón principal para buscar otro material como recubri-dor en cables, ya que actualmente se tiene que utilizar unagran cantidad de plata para proteger el núcleo cerámico.De hecho, solo un 25% de los polvos utilizados en la pulvi-metalurgia en tubo son polvos HTS, mientras que el resto espolvo de plata. Esta gran cantidad de plata que hay queusar se puede convertir en un factor de coste demasiadoelevado a medida que aumente la producción industrial.Una técnica alternativa estudiada es el reforzamiento dis-perso de la cubierta de plata, que podría conducir a unmaterial recubridor más resistente con las mismas carac-terísticas que la plata pura. Aumentar la resistencia permi-tiría al proceso industrial hacer cables con recubrimientosmás finos, incrementando la densidad de corriente sin tenerque realizar mejoras en la microestructura del núcleo super-conductor. Además, conseguir recubrimientos más finospodría también implicar menores costes, al requerirse meno-

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res cantidades de plata. Otro campo en el que existen pro-yectos de investigación es el desarrollo de nuevas aleacio-nes de plata super resistentes y de menor coste, compatiblescon los núcleos superconductores. Estas aleaciones dismi-nuirían directamente el coste en materiales, ya que aunquese siguiera utilizando plata, las aleaciones de la mismapodrían conseguir una mayor eficiencia en la fabricaciónde cables. La investigación ha sido también capaz de pro-ducir por electrodeposición películas gruesas de Tl-1223sobre láminas de plata, que alcanzan densidades críticasde corriente de 32.000 A/cm2 a 77 K y 0 T. Estos desa-rrollos tienen gran importancia, ya que el proceso de elec-trodeposición es una alternativa industrial viable al procesode metalurgia en tubos. Existen también otros proyectos deinvestigación, como el de Los Álamos National Laboratoriesen colaboración con el Nuclear Metals Corporation y AT&T,en relación a un método de fabricación de cables median-te coextrusión hidrostática. Esta técnica se podría aplicar ala fabricación industrial reduciendo apreciablemente la can-tidad de plata utilizada en el recubrimiento del cable encomparación con la pulvimetalurgia. Además de las diver-sas técnicas que giran alrededor de la pulvimetalurgia conplata, recientemente se han puesto a punto las del itrio o deconductores con recubrimiento.Como consecuecia, en este momento nos encontramos enlo que se ha venido en denominar conductores de segundageneración, para distinguirlos de la metodología previa-mente desarrollada para el Bi-2223 y el Tl 1223.Actualmente existen dos metodologías básicas de fabrica-ción de los «conductores con recubrimientos» que tienencomo objetivo último conseguir un recubrimiento de la fasesuperconductora YBa2Cu3O7 (YBCO) con textura biaxial,es decir, una orientación de los granos parecida a la de unmonocristal, encima de un substrato metálico flexible queya no es de plata.Una primera aproximación consiste en utilizar la técnicadenominada IBAD (Ion Beam Assisted Deposition) para

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depositar una lámina oxídica tampón encima de un subs-trato de Niquel por ejemplo. El uso de la técnica IBAD paradepositar por ejemplo YSZ (zirconia estabilizada con itrio,material de recubrimiento que protege químicamente alsubstrato) permite que la lámina tampón adopte una orien-tación monocristalina. Posteriormente se deposita la fasesuperconductora YBCO encima y ésta mantiene la texturacristalográfica adquirida por la capa tampón. La calidadde la cinta dependerá del grado de orientación del recu-brimiento superconductor. Típicamente el depósito de lafase YBCO puede llevarse a cabo mediante técnicas devacío (sputtering, ablación láser, evaporación) hasta gro-sores de 1-2 µm, aunque otras alternativas de más bajocoste como el sol-gel también se están explorando intensa-mente.La segunda metodología de fabricación se denominaRABiTS (Rolling Assisted Biaxial Texturing), fue desarrolladainicialmente por el Oak Ridge National Laboratory enEEUU. En este caso la textura biaxial se genera ya inicial-mente en el substrato metálico mediante técnicas conven-cionales de laminado y recristalización con tratamientos tér-micos posteriores. A continuación se depositan las láminastampón y superconductora consecutivamente mediantealguna de la técnicas de deposición conocidas y dichasláminas conservan la textura del substrato metálico. Estatécnica tiene un gran atractivo industrial pues su costepuede ser mucho menor y la fabricación en continuo pare-ce más viable.El punto clave en ambas metodologías de recubrimiento esdeterminar una combinación adecuada de la arquitecturasubstrato-lámina y tampón-lámina superconductora, de talmanera que la microestructura sea lo más perfecta posibley el grosor del recubrimiento superconductor sea lo mayorposible, ya que el parámetro realmente relevante es la den-sidad de corriente eléctrica, en la cual se contabiliza la sec-ción total de la cinta y no sólo la del recubrimiento super-conductor.

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Estudios realizados mediante microscopía electrónica de latopología de las fronteras de grano existentes en las cintas,han demostrado que la desorientación entre los granossuperconductores debe ser inferior a los 40, si quieren con-servarse densidades de corriente críticas superiores almillón de amperios por cm2. Actualmente dichas prestacio-nes se han conseguido ya por varios grupos en EEUU yEuropa utilizando substratos de Ni (EEUU y Europa). Si seutilizan substratos de acero inoxidable, las prestaciones sonligeramente menores (500.000 A/cm2 en la Universidadde Göttingen, Alemania). Las longitudes máximas obteni-das hasta la fecha son de un metro y además se ha demos-trado que la técnica IBAD puede utilizarse en substratos cur-vos tales como tubos huecos (Göttingen, Alemania).Finalmente, debe señalarse que la técnica IBAD es asimis-mo válida para depósitos sobre substratos cerámicos poli-cristalinos. Por ejemplo, grupos de Alemania conjuntamen-te con la empresa Siemens han desarrollado obleas cerá-micas de YBCO con textura biaxial y grandes dimensiones(20 x 20 cm2). Con estas obleas se litografían meandrosque constituyen los elementos activos de un limitador decorriente de 1 MVA.La estrategia seguida actualmente en el desarrollo de cintasde segunda generación combina por un lado la mejora delas prestaciones utilizando láminas tampón con un mejoracorde de la epitaxia, evitando así la formación de grietasy desorientaciones intergranulares excesivas. Por ejemplo,recientemente se ha demostrado que pueden utilizarse lámi-nas de Re2O3 (el renio es otra tierra rara como el itrio),encima de Ni o aleaciones Ni-V y Ni-Cr con textura cúbica(planos [100]).La reducción de costes en la elaboración de los conducto-

res con recubrimiento probablemente conducirá a potenciarlas técnicas tipo sol-gel para sustituir, aunque sea parcial-mente, las etapas de deposición en vacío. Por otro lado, lacomposición de los substratos debe modificarse ligeramen-te, ya que el Ni es ferromagnético y ello introduciría exce-

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sivas pérdidas en el régimen de funcionamiento ac. Paraello se han desarrollado ya substratos RABiT con aleacionesNi-Cr o Ni-V que presentan una buena textura y no sonferromagnéticos, todo lo cual requiere un notable esfuerzoantes de poder ser implementada en la industria.

Resumiendo, diríamos que los esfuerzos se orienta hacia eldesarrollo de metodologías de fabricación cuyo coste seaatractivo para la industria. En concreto, el DOE en EEUU haestimado que el coste de los hilos superconductores deberíaacercarse a 10 $/kA-m. Dichas unidades normalizadas acorriente y longitud significan que puede reducirse el costefinal mediante el aumento de prestaciones (mayor densidadde corriente) o a través de la reducción del precio de fabri-cación aunque las prestaciones sean menores.

Aplicaciones eléctricas de materiales superconductores

Los limitadores de corriente constituyen el sistema conmejores perspectivas de pronta aplicación, ya que noexisten alternativas convencionales que puedan solucio-nar un problema real de las redes de distribución depotencia. Precisamente por dicha potencialidad existe unproyecto de limitadores sumamente caracterizado dentrodel ya mencionado programa europeo de superconducto-res SCENET. Nuestro país está bien representado en esta actividad, yaque como continuación de un proyecto que se desarrollócon Red Eléctrica de España, se promovió un proyectoeuropeo (BYFAULT) en el que participaron la empresafrancesa Schneider, el Icmab-CSIC, el CIEMAT y otrascuatro empresas españolas: Red Eléctrica de España,Iberdrola, Antec y Diopma. El objetivo final era tener unprototipo de 17 MVA actuando como coordinador delproyecto Schneider.

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Figura 9-a

Figura 9-b

El proyecto norteamericano de cable superconductor másimportante de los últimos años, en cuanto a recursos asig-nados, ha sido el de cable HTS de Pirelli (véase fig. 9-b),que utiliza un diseño dieléctrico a temperatura ambiente enel que todo el aislamiento eléctrico está ubicado exterior-mente al aislamiento térmico y, por ello, no está expuesto alas temperaturas del nitrógeno líquido. De este modo, eldiseño queda notablemente simplificado y pueden utilizar-se dieléctricos convencionales.El conjunto completo, tal como muestra la figura, consisteen un núcleo flexible y hueco, envuelto o recubierto de

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numerosos conductores de material HTS en varias capas decintas, seguidas del aislamiento térmico y eléctrico. El nitró-geno líquido presurizado fluye a través del núcleo huecoenfriando las cintas conductoras de HTS. Posteriormente, elconjunto del cable se instala de modo convencional.Existen otras líneas de investigación en conducción depotencia eléctrica, como la desarrollada por el Consorciodel Southwire en colaboración con el Oak NationalLaboratory. Southwire está intentando diseñar un cablecriogénico dieléctrico, que aunque expone el aislamientoeléctrico del cable a bajas temperaturas, ofrece el beneficioañadido de una capa protectora de cable HTS con meno-res pérdidas, eliminando al mismo tiempo los campos elec-tromagnéticos generados por el cable. En este diseño unsoporte central es envuelto con cinta HTS, luego aisladoeléctricamente y después envuelto en otra capa de cintaHTS. El montaje entero es aislado y cubierto para prote-gerlo de posibles daños térmicos o físicos. El cable se enfríaal hacer pasar nitrógeno líquido a través del hueco centraldel soporte y a lo largo de todo el cable, que luego vuelvepor un hueco en la capa exterior del cable montado.Además de los cables de potencia existen proyectos de rea-lización de limitadores de corriente de hasta 2.000 ampe-rios rms, que pueden soportar hasta 9.000 amperios rms.También existen a nivel de prototipos transformadores HTS,que en general son más eficientes, pequeños, silenciosos yligeros. Se utilizarán principalmente en subestaciones den-tro de las redes de transporte y distribución. Muestran unagran compatibilidad medioambiental y no desprenden resi-duos aceitosos, lo que será tremendamente útil en aquelloslugares donde anteriormente no podían ser colocados,como en áreas urbanas de gran densidad o en el interiorde edificios. De hecho, no necesitan aceites refrigerantescomo los transformadores convencionales, lo que elimina elriesgo de incendios y los riesgos medioambientales. Poresta razón los transformadores HTS pueden ser colocadosde forma segura casi en cualquier sitio. Además pueden

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proporcionar mayor cantidad de energía por unidad devolumen en las subestaciones ya existentes.Por lo que se refiere al ámbito de los motores, se ha elegi-do para los primeros prototipos entre los de media poten-cia de tipo síncrono. El campo de espiras HTS suele operaren un rango de entre 25 y 40 K, en campos magnéticos DCsuperiores a 4 T. El campo de las bobinas suele estar enfria-do mediante enfriadores criogénicos disponibles comercial-mente, que alimentan al estator de gas helado y lo recibendel rotor caliente. Los componentes del motor HTS se mues-tran esquemáticamente en la figura siguiente inferior (figu-ra 10). Las espiras HTS, al girar, crean un campo magnéti-co en el armazón de cobre de las mismas. En los motoresque se comercializarán en los próximos años la magnitudde este campo será aproximadamente el doble que la queexiste en los motores convencionales, con la mitad detamaño. La figura 10 muestra una sección transversal delmismo, en la que se puede apreciar la armadura, los arro-llamientos del estator, el rotor y el circuito criogénico.

Figura 10

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Armadura y disipadorCaja motor

Blindaje de flujo

Devanado estático

Juntas de vacío

Eje del motor

Rodamientos

Extención del par

InversorCaja de conexiónEntrehierro

Excitación

Estructura de soporte de las bobinas

Soporte de devanados

Blindaje de flujo AC frío

Bobinas superconductoras

Sistema de refrigeracióncriogénica

Acoplamiento criogénico de transferencia

Espacio vacío

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Finalmente, conviene indicar que se están completando pro-yectos de desarrollo de generadores eléctricos construidoscon materiales superconductores HTS. El desarrollo de pro-yectos de este tipo requiere la preparación de un prototipopreliminar, con prediseño y ajuste de especificaciones dealgunos elementos vitales del proyecto, tales como el diseñode la armadura, la concepción en régimen transitorio y per-manente, pérdidas del equipo, desarrollo de la bobinasuperconductora y del sistema criogénico de enfriamiento.Las medidas sobre prototipos preliminares han permitidocalcular y modelizar con efectividad el sistema de estabili-dad del prototipo definitivo. Las bobinas HTS fueron cons-truidas con hilos multifilamento de Bi-2223, de longitudespróximas a 300 m, que resultaron mecánicamente débiles.Para versiones definitivas del prototipo las bobinas se rea-lizaron con cintas HTS de una longitud de 2.000 m, equi-valentes a devanados de 1.100 espiras. El sistema criogé-nico empleado colocó al generador entre 16 y 25 K conplena estabilidad y en condiciones de carga, suministrán-dose en régimen permanente los 100 MVA con algo menosde la mitad de tamaño que un generador convencionalequivalente, al tiempo que mostraba un excelente compor-tamiento en las pruebas de fallos por fase y cortocircuito.

Figura 11

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Materiales de recubrimientos duros y autolubricantes

Se podría resumir en tres grandes líneas la investigación lle-vada a cabo en este campo, convergentes por otro lado ennumerosos proyectos: • Línea de I+D relativa a la identificación de aleaciones y

compuestos que presentan simultáneamente una grandureza y resistencia al desgaste, junto a un bajo o muybajo coeficiente de rozamiento, para modificar con elloslas superficies móviles en contacto.

• Materiales autolubricantes de estado sólido.• Lubricación en fase gaseosa.En todas las líneas de I+D seguidas se utilizan de forma cre-ciente procesos de CVD asistidos por plasma iónico o mag-netrón sputtering, complementando a otros más comunes enla industria, tales como la deposición física y química enfases de vapor. La instrumentación avanzada, sobre todoespectroscopia electrónica y microespectroscopia Raman, yen menor medida interferometría y colorimetría, son otrostantos ámbitos de investigación instrumental colateral.La modificación de las superficies de los materiales cubre unamplio número de procesos, dirigidos a la creación de super-ficies hechas a la medida de los materiales en contacto. Enesta área, la investigación de hace 12 ó 15 años se centra-ba fundamentalmente en la optimización de los procedi-mientos de deposición de capas de carbono policristalino,tipo diamante, en los que las propiedades de baja fricción oautolubricación eran escasas. En este sentido, en numerosasempresas y centros de investigación españoles se ha desa-rrollado el crecimiento del diamante en capas finas por con-densación de vapor a baja presión, lo que se puede llevar acabo mediante una gran variedad de técnicas de deposi-ción, que se pueden clasificar dentro de los dos grandes gru-pos de deposición física o química ya indicados.Hasta fechas recientes la técnica de CVD es la que ha pro-ducido las capas de mejor calidad sobre substratos de dis-

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tintos materiales, y en ella la síntesis del diamante surge delas reacciones químicas de los gases precursores que severifican en la intercara gas-sólido del sistema. Pero, a dife-rencia de otros procesos también de CVD (por ejemplo, enla deposición de recubrimientos duros de materiales refrac-tarios), los de síntesis del diamante precisan de alguna téc-nica de activación de aplicación o previa a la fase gaseo-sa, ya que de lo contrario se forman generalmente sólocapas de grafito como resultado de la pirólisis ordinaria. En suma, lo que diferencia entre sí a los procedimientosprincipales de síntesis y deposición por CVD es el métodode activación empleado. La activación puede realizarsepor calentamiento a temperatura superior a 2.000 0C de unfilamento o superficie plana próxima al substrato (CVD defilamento caliente), por una descarga sostenida de corrien-te continua, de rediofrecuencia (RF) o de microndas (CVDdentro de un plasma), sin o con activación magnética adi-cional (ECR), o mediante combustión de una mezcla gase-osa de acetileno y oxígeno (CVD por combustión de unallama).De manera general, los procesos de CVD que sintetizan eldiamante, partiendo de un gas de hidrocarburo diluido enhidrógeno, se pueden representar por la reacción química

CxHy (gas) + H2 (gas) Activación ➔ C (sólido) + nH2 (gas)

en la que el grafito sería la forma más estable del carbono,pero debido a las condiciones cinéticas y termodinámicasfuera de equilibrio en que se verifica la reacción, el com-ponente sólido depositado es el diamante policristalinometaestable.La investigación actual, tanto en los países de mayor desa-rrollo como en España, se centra principalmente en el desa-rrollo de capas lubricantes sólidas extraduras de nuevageneración, como en CNx, así como su evaluación para suaplicación en diversos campos y sectores industriales. Porotra parte, uno de los proyectos recientes más interesantesen cuanto a la identificación de materiales que compatibili-

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zan la resistencia al desgaste con bajos coeficientes derozamiento es el proyecto DEBOWA, terminado en 1996con fondos Brite. El principal objetivo del proyecto fue opti-mizar los recubrimientos mediante capas amorfas del siste-ma B-N-C (boro, nitrógeno, carbono), que caracterizaríanlas propiedades estructurales y mecánicas del contactosuperficial, utilizando técnicas de deposición a baja tem-peratura tales como plasma y deposición guiada por radio-frecuencia o por haz de electrones. Con este tipo de capasse ha podido obtener una combinación de gran dureza,con un coeficiente bajo de fricción y una mejora de la esta-bilidad térmica. Esto las hace muy útiles en aplicaciones tri-bológicas, en las que la resistencia al rozamiento relativode sus componentes ha de ser muy baja. La mejora en elrozamiento debida a la deposición de estas capas es bienconocida. Además, las capas ultrarresistentes con bajo coe-ficiente de fricción pueden ser una parte importante de lasolución a los problemas de rozamiento en los componen-tes móviles (por ejemplo en motores de combustión interna).Por otro lado, la necesidad de utilizar técnicas de deposi-ción que requieran temperaturas bajas, compatibles con lascaracterísticas del substrato, y que permitan altas velocida-des de deposición, requerimiento esencial en aplicacionesde tipo mecánico, en las que el espesor de las capas depo-sitadas suele alcanzar varias micras, ha hecho necesario eldesarrollo de determinadas técnicas de deposición. Los pro-yectos de desarrollo actuales se refieren en esta área muyfrecuentemente a recubrimientos multicapas usando mag-netrón sputtering o deposición química, generalmente enfase de vapor asistida por un plasma de resonanciaciclotrónico de electrones.La evolución de la técnica de magnetrón sputtering ha per-mitido producir capas con propiedades en muchos casosmejores que las obtenidas con otras técnicas de PVD.Desde los primeros desarrollos teóricos, en los que se pro-puso incrementar la densidad de un plasma mediante suconfinación en un campo magnético, hasta la invención del

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primer magnetron plano con trayectoria electrónica cerra-da (patentado por J. S. Chapin en 1974) transcurrieroncerca de cuarenta años. Posteriores desarrollos, a princi-pios de la década de los ochenta, se centraron en la opti-mización de la forma de los campos magnéticos variandola disposición de los imanes, tratando con ello de aumen-tar la densidad iónica del plasma y mejorando así su esta-bilidad. En estos años la técnica de magnetrón sputteringno era apenas utilizada para el recubrimiento de herra-mientas y componentes industriales, debido a que no con-seguía el grado de bombardeo iónico necesario en laregión del sustrato y no aseguraba, por tanto, una buenacalidad del recubrimiento. Sin embargo, el primero de losdesarrollos posteriores que ha conducido a la situación tec-nológica actual fue la introducción en 1986 de los magne-trones no balanceados, que mejoraban considerablementeel grado de ionización de los anteriores magnetrones, con-siguiéndose dirigir el plasma hacia los substratos para asíconseguir capas con mejores propiedades de dureza yadherencia. Posteriormente, los trabajos con equipos convarios magnetrones y los diseños en los que se confina elcampo magnético alrededor de las muestras, mediante ladisposición espacial de estos magnetrones en el reactor enun sistema de campo cerrado, junto a los desarrollos denuevos magnetrones con un grado de ionización mayor,han permitido a esta técnica competir y superar al resto detécnicas de PVD.La principal ventaja de la técnica de magnetrón sputteringsobre el resto de técnicas de producción de capas finas esasí su versatilidad y simplicidad. Simplemente cambiandoel material del cátodo o blanco es posible depositar mate-riales de muy diferente naturaleza. La adición de un gasreactivo en el reactor (por ejemplo, N2 o O2) permite pro-ducir capas del compuesto diferentes y con estequiometríasmuy variadas. Los parámetros principales del proceso(potencia del magnetrón, presión en el reactor o flujo degases, polarización del substrato, etc.) pueden ser variados

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fácilmente durante el proceso para conseguir así capas conestructura diferente. Ello supone una gran ventaja desde elpunto de vista de la investigación y el desarrollo de nuevosmateriales, ya que permite la deposición de diferentesmateriales en condiciones muy variadas y controlables, quepuede ser empleada en campos muy diferentes de la acti-vidad industrial.La otra técnica que ocupa notable I+D, para su incorpora-ción en numerosos proyectos actuales de recubrimiento conmulticapas duras y autolubricantes, es la CVD asistida porplasma de resonancia ciclotrónica. Es bien conocido que,mediante la aplicación de un campo eléctrico de intensi-dad suficientemente elevada en el interior de un recintoconteniendo un gas a presión, se produce un elevadonúmero de iones positivos y electrones que se mueven endirecciones opuestas. Los electrones adquieren en su movi-miento velocidades mucho más elevadas que las de losiones, originando, mediante colisión de los átomos neutros,nuevas especies atómicas en estados excitados. El conjun-to de partículas positivas y negativas en movimiento dentrodel conjunto de átomos o moléculas neutras es lo que sedenomina plasma. El plasma contiene, además, una granvariedad de átomos y moléculas en estado excitado, asícomo radicales libres, presentando todos ellos una reacti-vidad mucho mas elevada que los átomos o moléculas delgas en estado normal. En la técnica de CVD asistida porplasma («plasma-enhanced CVD» o PECVD) una de lasvariables mas importantes es la densidad de potencia dela descarga, ya que los tiempos de vida media de lasespecies del plasma son muy cortos y se hace preciso sumi-nistrar constantemente la energía necesaria para regenerary mantener la concentración adecuada de especies acti-vas. Debido a la gran variedad de especies excitadas enel plasma, uno de los mayores inconvenientes de esta téc-nica es la presencia en el material depositado de impure-zas, provenientes de los productos de deposición de losgases reactivos.

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Recientemente, y para evitar estos problemas, se ha exten-dido el uso de las técnicas de PECVD a frecuencias demicroondas («micro-wave CVD» o MWCVD), ya que enellas se puede conseguir un grado de ionización muy ele-vado y además no requiere la presencia de electrodos enel reactor. En este caso la descarga se produce medianteuna onda electromagnética excitada en el interior del reac-tor a una frecuencia de 2.45 GHz. La onda electro-magné-tica es producida mediante un generador de microondas yguiada hacia el reactor mediante una guía de ondas.Una de las técnicas que está ganando mayor aceptación esaquella en la que los electrones de la descarga oscilan alre-dedor de un campo magnético aplicado con una frecuen-cia igual a la del plasma, normalmente en la región demicroondas (resonancia ciclotrónica o ECR). Para las fre-cuencias típicas de las descargas por microondas (2,45GHz) el campo magnético requerido para conseguir laresonancia ciclotrónica es de 875 Gauss. En estas condi-ciones de resonancia, se produce un máximo de absorciónde energía del campo eléctrico de la descarga (en torno al80%), por lo que el grado de excitación de las especiespresentes en el plasma es muy alto. De hecho, la densidadde electrones del plasma en las descargas de ECR esmucho mayor que en las técnicas convencionales dePECVD y, por tanto, el grado de ionización del plasma estambién elevado, alrededor del 10%. Interesa además quelos procesos de ECR operen a baja presión, en el rango de10–2-10–3 mTorr, donde la absorción de energía es más efi-caz. Así, esta técnica, denominada CVD-ECR, tiene indu-dables ventajas, ya que permite obtener depósitos decapas a temperaturas bajas, próximas a la ambiente, yademás permite un control independiente de los parámetrosde la descarga.Por otro lado, existen otros campos de I+D en el ámbito delos recubrimientos, a base de agregar materiales duros yautolubricantes. En este sentido, existen numerosos proyec-tos de I+D en marcha, que coexisten con algunos produc-

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tos de características sobresalientes que están siendo pues-tos en el mercado progresivamente, fruto de proyectos ante-riores en este área de investigación. En todos ellos se mane-jan las técnicas de deposición descritas, que permiten inter-calar partículas de elementos orgánicos e inorgánicos conpropiedades autolubricantes junto con capas o matrices demateriales duros. Tal es el caso, por ejemplo, de partículasde CaF2 en una matriz de Cr2O3 y de partículas de BNhexagonales en una matriz de Ni con un 5% de cromo.Por lo que respecta a los recubrimientos autolubricantes deCaF2 en matriz de Cr2O3, este método de producción demateriales autolubricantes se lleva a cabo mediante dosetapas diferenciadas:1. Preparación de un aglomerado o mezcla de polvo que

contenga la matriz y el componente lubricante en la pro-porción deseada.

2. Deposición mediante plasma de dicho aglomerado.Los objetivos se alcanzan utilizando un proceso iterativo encuatro etapas, iniciado con la proyección térmica:• Optimización del aglomerado respecto a las propieda-

des estructurales de la capa (porosidad, homogeneidadde la dispersión del lubricante, etc.).

• Testado de la estabilidad de la capa (adhesión y cohe-sión).

• Medida de la fricción y de las propiedades de desgaste.• Ajuste de la distribución del lubricante sólido.La preparación de la mezcla o aglomerado de polvos resul-ta muy importante para los resultados obtenidos posterior-mente en la capa de recubrimiento. En este sentido, el CaF2actúa como agente controlador del proceso (PCA), mejo-rando la eficiencia del aglomerado al aumentar la concen-tración dentro de ciertos límites. El comportamiento delaglomerado depende en gran medida del tamaño de la dis-tribución de las partículas en polvo. Una distribución departícula pequeñas de Cr2O3 presenta ventajas para mejo-rar la eficiencia del aglomerado y obtener una distribuciónhomogénea de los componentes, tanto para uno como para

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varios aglomerados. Posteriormente se sinteriza y se muele.La sinterización se lleva a cabo para inducir una reacciónen la superficie entre los dos componentes. Esta reacciónrefuerza la adhesión entre las partículas de CaF2 y las deCr2O3, resultando el aglomerado homogéneo después dehaber molido la mezcla sinterizada. La figura 12 muestrala apariencia de la mezcla una vez sinterizada y posterior-mente molida, con las partículas de Cr2O3 en gris y las deCaF2 en blanco.

Figura 12

Con esta mezcla, una vez bien homogeneizados sus com-ponentes, se realiza la deposición mediante plasma. Unode los procedimientos más frecuentes es la deposición cató-dica a baja temperatura para arco de plasma. Las medidasincluidas en el proceso iterativo muestran que la investiga-ción realizada en esta dirección es prometedora, y que losresultados obtenidos son muy dependientes de la comple-mentariedad definida entre la matriz y las partículas delmaterial autolubricante. En este sentido, la figura 13 mues-tra la apariencia, sobre una escala de 50 µm, de la super-ficie una vez realizada la deposición mediante plasma (elCr2O3 en blanco y el CaF2 en gris oscuro-negro).

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Figura 13

En cuanto a los recubrimientos autolubricantes de BN hexa-gonal en matriz Ni20Cr (aleación entre ambos metales sincombinación química), el BN actúa como agente controla-dor del proceso o PCA, disminuyendo el tamaño del aglo-merado, cuando la concentración de BN aumenta, mientrasque el tiempo de sinterizado se mantiene constante. Debidoa su estructura hexagonal las partículas de BN se deformandurante la preparación de la mezcla, resultando práctica-mente indetectables las regiones donde está el lubricantesólido en el aglomerado. Las posibles ventajas de la defor-mación del BN para la fricción y las propiedades de des-gaste son todavía motivo de investigación. También se estárealizando una importante I+D, sobre todo en EstadosUnidos, sobre la agregación de moléculas de polímeros enmatrices de níquel o cromo, depositadas conjuntamente poralguno de los múltiples procedimientos de deposición físi-ca. Entre los polímeros más frecuentes, de los que ya exis-ten algunos productos en el mercado, se utilizan polietile-nos de muy alto peso molecular. En esta área desarrolla suinvestigación Thomson Industries, en Nueva York, quecomercializa sistemas de guías de alta precisión para apli-caciones médicas entre otras (véase figura 14).

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Figura 14

La figura muestra un sistema de guías de alta precisión conautolubricación, utilizadas para fijar las coordenadas deposicionamiento del cabezal móvil en los equipos de reso-nancia magnética. De este modo, según el fabricante, se haahorrado un 30% en el coste de las guías. Las nuevas estánconstruidas con una mezcla de cromo y un polímero satu-rado utilizando la tecnología descrita.En lo que se refiere a la lubricación en fase gaseosa, es unatecnología que está emergiendo como posible candidatapara aplicaciones a altas temperaturas que requieren unalubricación continua en períodos de operación prolonga-dos. La lubricación en fase gaseosa utiliza reacciones quí-micas entre los materiales de las superficies en contacto,para constituir películas finas lubricantes, incluso si la pelí-cula existente se está debilitando. Cuando está reacciónquímica se activa mediante el gas del entorno decimos quees un proceso de lubricación en fase gaseosa.Los requerimientos térmicos de muchas aplicaciones futurasde alta temperatura exigirán la utilización de un lubricanteque pueda resistir una alta velocidad de rozamiento, unagran presión de contacto y operar a temperaturas extremas(a menudo temperaturas por encima de los 800 0C). Existen

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lubricantes sólidos capaces de resistir estas temperaturas,presiones y velocidades. Sin embargo, el desgaste (arran-que de material) de estos lubricantes sólidos limita la vidade estas películas. La lubricación en fase gaseosa es un pro-ceso que puede incrementar la vida útil de las películaslubricantes reponiendo el lubricante en la superficie. Lospolímeros que contienen óxido bórico han demostradotener excelentes propiedades de resistencia al desgaste ybajos coeficientes de fricción, como resultado de la reac-ción entre la superficie con el aire húmedo. Este procesopresenta una limitación en temperaturas de 185 0C (a estatemperatura el ácido bórico se transforma en óxido bórico). El gas SH2 (anhídrido sulfuroso) es capaz de convertirsuperficies que contienen molibdeno o tungsteno en bisulfu-ro de molibdeno y bisulfuro de tungsteno respectivamente.Ambos son excelentes lubricantes sólidos y es común quepresenten coeficientes de fricción por debajo de 0,1.Las películas sólidas también pueden formarse a través deprocesos de reacción que tengan lugar en la superficie enlugar de con la superficie. Este sería el caso por ejemplo deun gas que se descompone y deposita una película lubri-cante en la superficie. Este proceso ocurre con el esquemade lubricación de compuestos orgánicos en fase gaseosa.Los gases orgánicos como el acetileno, el etileno, y eletano, se descomponen y forman carbón grafítico sólido,que se adhiere a la superficie. Este proceso de descompo-sición, así como la velocidad a la que el carbón grafíticose deposita, están fuertemente ligados a la temperatura delentorno. En general, cuanto mayor sea la temperaturaambiente mayor es el proceso de descomposición que sellevará a cabo y más rápidamente se formará la películagrafítica. Este proceso puede proporcionar tanto un bajocoeficiente de fricción (µ<0,1) como una buena protecciónde la superficie. La tribo-polimerización es también un proceso de lubrica-ción en fase gaseosa, en el que varios monómeros sonvaporizados y puestos en contacto con un gas inerte como

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el nitrógeno. Una vez se realiza el contacto, los monóme-ros se polimerizan. Esta polimerización crea una complejamezcla de partículas de desgaste y polímeros en la superfi-cie de contacto. Esta mezcla de polímeros con partículas dela superficie es la que produce una reducción en el coefi-ciente de fricción y en el desgaste.

Instrumentación para análisis de materiales

La instrumentación y los procedimientos subsiguientes parala realización de pruebas analíticas y topográficas, tantoen la identificación de la microestructura de materiales yaleaciones como en las medidas de rozamiento y propie-dades del desgaste, son fundamentales. De hecho, y unavez que se conoce que las medidas experimentales sonindispensables para ajustar los recubrimientos y las pro-porciones que menor desgaste y más bajo rozamiento pre-sentan en las superficies en deslizamiento, algunas inge-nierías y centros tecnológicos están ofreciendo toda lagama de medidas espectroscópicas, junto al asesoramien-to en la mezcla de materiales autolubricantes que resultamás conveniente utilizar en una aplicación determinada.La espectroscopia en el análisis superficial se utiliza en

todas sus variantes, dependiendo de las resoluciones yotros parámetros de precisión que quieran alcanzarse. Elcuadro siguiente resume una comparación de las diferentestecnologías de instrumentación utilizadas, en sus variantesanalíticas y topográficas:

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Tabla 6-A. Pruebas análiticas

Tabla 6-B. Pruebas topográficas

Desarrollaremos en los próximos párrafos una breve carac-terización de cada una de ellas.• XPS/ESCA es una espectroscopia de rayos X fotoe-

lectrónica. Las muestras irradiadas con rayos X emitenfotoelectrones, con energía de enlace características delos elementos que se encuentran en la muestra y de losenlaces químicos de tales elementos. La profundidad deanálisis es normalmente de 3 nm a 10 nm, con una reso-lución lateral de 150 µm de diámetro hasta 2 - 5 mm. Lasensibilidad química y la no destructividad de la muestrahacen que el procedimiento XPS sea adecuado paraanálisis superficiales de polímeros.

• AES/SAM es una espectroscopia electrónica deAuger o escaneo de las micromedidas de Auger. En

Lateral Vertical ConsideracionesTécnia

Resolución Rango Resolución RangoNotas

de la muestra

Reflexión Alto vacíoSEM 3 nm dispersa Imágenes e-beam

Aire o líquidoAFM/STM < 0,1 µm 100 µm < 0,1 µm 7 µm < 2,5 x 1 cm

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Profundidad Profundidad Resolución Imágenes Precisión Límites ConsideracionesTécnica de resolución del perfil lateral y mapas cuantitativa de dirección del muestreo

Ataque iónicoXPS/ESCA 5 a 30 nm Resolución >250 µm … 5% 0,1 monocapa Ultra alto vacío

angular

Ataque iónico Elementos Ultra alto vacíoAES/SAM 2 a 30 nm Resolución >30 µm y formulación 5% 0,1 monocapa Destructividad

angular química de la muestra

10 µmFTIR/Raman … No1 µm

… 5% 1 monocapa Ninguna

Elementos Ultra alto vacíoEDS ~1 µm No –1 µm línea de 5%

100 ppmDestructividad

rastreoZ > 5

de la muestra

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AES, la composición y la química de las superficies serevela en el espectro secundario de los electrones. Sepueden detectar y cuantificar todos los elementos,excepto el hidrógeno y el helio, con una resoluciónespacial de 30 nm. La alta resolución que ofrece elSAM permite localizar zonas de interés. El campofuente de la emisión de los electrones tiene una exce-lente resolución espacial, con baja energía de loselectrones, lo que permite el análisis de materiales ais -lantes. Debido a la escasa profundidad de escape delos electrones Auger, la profundidad de análisis essólo de unas pocas capas atómicas. Las líneas deescaneo muestran la composición de las capasexpuestas o interfaces. Análisis sucesivos y ataquemediante haz electrónico producen profundos perfilespara el análisis de películas finas e interfaces enterra -dos. Una fase de fractura permite el estudio de super-ficies internas, como las fronteras de granos o el inter-face fibras/matriz en composites.

• FTIR/Raman constituye un tipo de espectroscopiabasada en la transformada de Fourier en infrarrojos omicroespectroscopia Raman. De la absorción deradiaciones visibles e infrarrojas las espectroscopiasFTIR y Raman proporcionan una identificación de lasespecies moleculares a través de sus vibraciones. Daninformación acerca de la conexión química y de laorientación molecular, sin destruir nada, simplementecon una pequeña preparación de la muestra. La incor-poración de un microscopio óptico permite seleccio -nar el área de análisis, que puede llegar a ser tanpequeña como 10 µm en el FTIR y 1 µm en Raman.Además, la sensibilidad monocapa se alcanza concondiciones ambiente.

• EDS/SEM es una espectroscopia de dispersión energé-tica con microscopia de escaneo electrónico. Cuandouna muestra en vacío es escaneada mediante un hazelectrónico, se produce una variedad de señales cau-

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sadas por el choque de los electrones en la superficie.Secundariamente, y con la reflexión de electrones dis-persos, se consigue formar imágenes SEM en las quelos contrastes representan números topográficos y/oatómicos. Los rayos X producen un espectro EDS que esutilizado para identificar los elementos en el árearepresentada.

• AFM es una microscopia de fuerzas atómicas. Su modode trabajo se asimila al de un bisturí miniatura que tra-bajase a escala subnanométrica la topografía de lasmuestras AFM. El sistema utiliza la punta de un haz através de un soporte micromecanizado que testea lasirregularidades en altura de la superficie de la muestraen función de la posición, creando un mapa tridimensio-nal de la superficie. Sobre la punta del haz se detectauna modulación de fuerzas de interacción molecular enel rango de los micro o nanonewtons.

Por último, podemos decir que los métodos de predicciónbasados en la teoría elastohidrodinámica, para la distri -bución de espesores de las capas lubricantes, ofrecen engeneral una buena precisión. Algunas limitaciones delprocedimiento interferométrico, sobre todo cuando setrata de establecer el mapa de espesores bajo condicio -nes de superficies cargadas y en deslizamientos, estánsiendo superadas gracias al complemento de la colori -metría diferencial por ordenador. En esencia consiste enremplazar la capacidad de resolución del ojo humanoen el análisis de interferogramas por un análisis cromá-tico de tales interferogramas, mediante un hardware-soft-ware específico. De este modo se pueden alcanzar pre -cisiones mejores que 5 nm con resolución en el espesorde la película de lubricante de 1 nm dentro de una reso-lución espacial de 900 nm.Para concluir este apartado dedicado a instrumentación, ytal como se deduce del breve resumen de tecnologíasespectroscópicas aportado y de la dependencia que lavida útil de un dispositivo puede tener con respecto al ade-

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cuado recubrimiento superficial, se observa que están sur-giendo centros de tribología y departamentos universitariosespecializados en la realización de medidas y asesora-miento correspondiente. Es un ámbito de la ingeniería enclara expansión y con importante valor añadido, siempredentro del marco de las altas inversiones en instrumentacióny de la necesidad de personal capacitado.

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• High critical Temperature Superconducting switches for power ElectronicsApplications.L. García Tabares, I. Iglesias, A. Ramos, J. M. Asanza, J. Calero, P. Abramian,L. A. Angurel, C. Díez, X. Obradors, X. Granados.

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• H.Erhardt: New developments in the field of superd coating (1995).

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BIBLIOGRAFÍA

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DOCUMENTOS COTEC sobre OPORTUNIDADES TECNOLÓGICAS

Documentos editados

Nº 1: Sensores.Nº 2: Servicios de información técnica.Nº 3: Simulación.Nº 4: Propiedad industrial.Nº 5: Soluciones microelectrónicas (ASICs) para todos los sec-

tores industriales.Nº 6: Tuberías de polietileno para conducción de agua potable.Nº 7: Actividades turísticas.Nº 8: Las PYMES y las telecomunicaciones.Nº 9: Química verde.Nº 10: Biotecnología.Nº 11: Informática en la Pequeña y Mediana Empresa.Nº 12: La telemática en el sector de transporte.Nº 13: Redes neuronales.Nº 14: Vigilancia tecnológica.Nº 15: Materiales innovadores. Superconductores y materiales

de recubrimiento.

DOCUMENTOS COTEC sobre NECESIDADES TECNOLÓGICAS

Documentos editados:

Nº 1: Sector lácteo.Nº 2: Rocas ornamentales.Nº 3: Materiales de automoción.Nº 4: Subsector agroindustrial de origen vegetal.Nº 5: Industria frigorífica y medio ambiente.Nº 6: Nuevos productos cárnicos con bajo contenido en grasa.Nº 7: Productos pesqueros reestructurados.Nº 8: Sector de la construcción.Nº 9: Sector de la rehabilitación.Nº 10: Aguas residuales.Nº 11: Acuicultura.Nº 12: Reducción de emisiones atmosféricas industriales.

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