Optimisation of graphite-matrix composites for collimators in the lhc upgrade

Esta tesis doctoral se ha realizado en la Organizacion Europea para la Investigacion Nuclear (CERN), ubicada en Ginebra (Suiza). En el CERN se estudia la estructura y la fisica de la materia, con ayuda de haces de particulas de alta energia. El acelerador “Gran Colisionador de Hadrones” (LHC) produce el haz de particulas con la mayor energia del mundo. La energia total contenida en el haz equivale a la energia de un avion Airbus A320 lleno (66 t) viajando a 380 km/h, pero concentrada en el diametro de la mina de un lapiz. Para trabajar con esos haces de alta energia son necesarios equipos de proteccion e interceptacion del haz, particularmente los colimadores. Los materiales absorbentes de los colimadores tienen que resistir a uno de los entornos mas duros creados por el hombre. Ademas de eso, no pueden alterar el funcionamiento normal del acelerador, lo que introduce requisitos adicionales como alta conductividad electrica o compatibilidad con ultra alto vacio. Finalmente, tiene que ser posible producir estos materiales industrialmente, por lo que se necesitan procesos fiables y economicamente viables. En los proximos anos, esta prevista una importante serie de mejoras llamada “LHC de alta luminosidad” (HL-LHC upgrade), que requiere colimadores con materiales absorbentes de mejores prestaciones. Esto plantea el desarrollo de nuevos materiales. Los materiales compuestos de matriz grafitica, en concreto los que incluyen las ventajas del sinterizado en fase liquida, pueden cumplir con la inusual combinacion de propiedades. Aparte de alta densificacion por infiltracion de poros, una fase liquida adecuada induce grafitizacion catalizada por medio de la disolucion de atomos individuales de carbono y precipitacion de grafito “fresco”. Esta tesis busca ampliar significativamente el conocimiento de los mecanismos fisicos — como la grafitizacion catalizada — que controlan el comportamiento de estos materiales. Uno de los objetivos principales de esta investigacion es encontrar nuevas rutas de produccion que reduzcan el coste y faciliten el control del sinterizado, por lo tanto, que consigan aumentar su aplicacion y uso en el mercado. Un gran abanico de elementos ha sido explorado, de los cuales el cromo fue seleccionado. Cuatro grados de material carburo de cromo - grafito (CrGr) fueron producidos y caracterizados en profundidad. Se han presentado resultados de la caracterizacion termofisica de todos los grados desarrollados. Los ensayos incluyen caracterizacion de la microestructura e identificacion de las fases cristalinas. Los coeficientes de expansion termica y la estabilidad de las fases se han caracterizado con difraccion de rayos X in-situ hasta 600°C. Los resultados se han comparado con dos grados comerciales de grafito tambien caracterizados: grafito pirolitico y grafito isotropico de grano fino (grado nuclear). Los composites de carburo-grafito investigados estan mayoritariamente compuestos de grafito orientado, por lo que muestran un comportamiento transversalmente isotropo con propiedades en la direccion de los planos basales comparables a las de grafitos orientados puros. Sin embargo, a diferencia de estos ultimos, que son extremadamente anisotropicos, los composites mantienen propiedades termofisicas y mecanicas razonables en la direccion perpendicular a los planos basales. Ademas de ser aplicable en fisica de altas energias, la combinacion de propiedades de estos composites es atractiva para un amplio catalogo de aplicaciones de transferencia de calor, particularmente aeroespaciales y electronicas, donde se necesitan bajos coeficientes de expansion, bajas densidades y altas conductividades termicas.