Superconducting joining of melt textured YBCO bulks

La obtenció de ceràmiques superconductores de YBa2Cu3O7 porta implícita una limitació en les dimensions i forma de les peces. Per tal de superar aquesta limitació, s’ha proposat un mètode de soldadura basat en l’ús d’una làmina de plata com a decapant. Aquest treball de Tesi està enfocat en: • El perfeccionament de la tècnica de soldadura de YBCO per tal de resoldre una sèrie de problemàtiques presents en el moment de començar aquest treball. • Caracterització de la microestructura de les mostres soldades. • El desenvolupament d’eines d’anàlisi quantitatiu per avaluar la qualitat de la soldadura des del punt de vista de les propietats magnètiques i elèctriques. • La expansió del mètode de soldadura per incloure soldadures on existeix una desorientació cristal·logràfica entre les dues peces unides i estudi de la influència d’aquesta desorientació en les propietats magnètiques i elèctriques. El primer pas seguit fou la construcció d’un forn equipat amb un sistema d’observació òptica in-situ. Aquest sistema va permetre obtenir gravacions de l’evolució de la mostra durant el tractament tèrmic. Aquests vídeos van permetre detectar la presència de dos tipus de líquids que eren arrossegats fora de la zona de soldadura. L’estudi de la microestructura de la soldadura van indicar que aquesta pèrdua de líquid afavoria l’aparició de defectes microestructurals. Una modificació del porta-mostres emprat solucionà el problema. Es van realitzar estudis de la microestructura més detallats per tal de poder entendre millor els mecanismes que en fan possible la seva formació amb la idea de postular-ne un possible model. Un estudi adequat de les propietats magnètiques també fou necessari, ja que l’objectiu final del mètode de soldadura és el d’unir diverses peces de YBCO, tot mantenint les propietats superconductores a la zona soldada. Per aquest motiu, es van realitzar mesures d’imatge magnètica, basades en una Sonda d’Efecte Hall. A partir dels mapes de magnetització local de les mostres, es va obtenir la distribució de densitats de corrent crítica, emprant un programari especialitzat. Per tal d’entendre millor aquests mapes de densitat de corrent i, també, per extreure’n informació útil, es va desenvolupar un programari de simulació i els coneixements adquirits, es van poder obtenir les densitats de corrent intergranular i intragranular (JcGB i JcG). Es va estudiar la dependència del quocient entre JcGB i JcG amb l’angle de desorientació cristal·lina. En principi s’esperava una dependència semblant a la que es troba en el cas de les cintes superconductores. No obstant, la dependència que es va trobar era més fluixa que la del cas model considerat. Aquesta dependència es va comprar, llavors, amb la d’altres estudis similars, fets amb fronteres de gra artificials en mostres superconductores volumètriques, revelant un comportament semblant entre elles, indicant que el valor del quocient JcGB/JcG era potencialment intrínsec al grau de desorientació. Aquesta hipòtesi es va confirmar quan es van comparar mostres de YBCO amb qualitats diferents, però amb el mateix angle de desorientació. Es van realitzar mesures dels mapes de magnetització en funció del camp magnètic per tal de determinar els règims d’ancoratge de vòrtexs presents en les mostres i es van comparar amb el cas de les cintes superconductores. Tot i que els règims d’ancoratge en la zona de soldadura són similars als de les fronteres de gra per una cinta superconductora, els règims en zones fora de la soldadura difereixen entre els dos casos. Finalment, es van realitzar mesures de nanoindentació per tal de correlacionar les propietats mecàniques amb les elèctriques. Concretament, es va avaluar la duresa del material en la zona de soldadura i fora d’aquesta zona. El quocient entre les dues dureses mostraven una gran correlació amb el valor del quocient JcGB/JcG.The obtention of bulk YBa2Cu3O7 tiles by the Top Seeded Melt Growth method carries and implicit limitation on the shape and size of the pieces. In order to overcome this limitation a joining method based on the use of an Ag foil as a welding agent has been proposed. This thesis work was focused in the following aspects: • The refinement of the welding methodology for YBCO pellets in order to solve the issues present. • Characterization of the microstructure of welded pellets. • The development of suitable quantitative analysis tool for evaluating the weld quality in terms of its superconducting behavior. • The expansion of the methodology to include welds with crystallographic misorientation and study the influence of such a crystallographic misorientation on the electric and magnetic properties The first step was to develop a furnace bundled with an in-situ observation video setup that allowed visually record the evolution of the sample during the thermal process. Those videos revealed the existence of two types of liquids that were dragged out from the weld position. The microstructural study carried out on the welded samples indicated that this loss of liquid was the source of microstructural malformations at the weld position. A modification on the sample holder was required and solved the issue. All the studied samples were analyzed under the scope of their micro-structural characteristics and their magnetic properties. For the case of the micro-structural characterization, a basic study was carried out in order to determine the successfulness of the weld formation and it was used as a feedback parameter for fine-tuning the thermal process. The weld microstructure was further investigated in order to obtain more information about its characteristics and in order to obtain a better understanding about the mechanisms that make the weld formation possible. A proper study of the magnetic and electric properties was also required, since the final objective of the superconducting welding technology is to join several YBCO tiles while maintaining the superconducting properties at the weld position. For that purpose, magnetic imaging Hall Effect based measurements were performed on the specimens under study. From the local magnetization maps, current density distribution maps were obtained by using specialized software. In order to understand and obtain useful information from those current density maps, a simulation software piece was developed and the knowledge acquired from those simulations allowed obtaining the inter- and intra-granular critical current density values (JcGB and JcG) from each sample. The ratio between JcGB and JcG was studied as a function of the misorientation angle. In principle, a behavior similar to coated conductors was expected. However, the dependence found was weaker than the considered model case. That determined dependence was compared with similar studies on grain boundaries in bulk YBCO, revealing a similar behavior and indicating that the JcGB/JcG ratio value was potentially intrinsic to the misorientation angle. This hypothesis was confirmed when several samples with different YBCO grain characteristics but with the sample misorientation were compared. Field dependence measurements of the magnetization maps were also performed in order to determine the vortex pinning regimes present at the samples and to compare them with the thin film case. Despite the weld pinning regimes were similar, the behavior at the grain was slightly different. Finally, the superconducting properties were correlated with the mechanical properties. The hardness of the material was evaluated by using nano-indentation techniques at different positions. The ratio between the hardness at the weld and away from the weld exhibited a high correlation with the JcGB/JcG ratio