The European Union (EU) aims at making railway a more attractive transportation method by improving its efficiency and reducing its costs. These achievements could be covered with the migration from ETCS level 2 to ETCS level 3. Many projects related to new positioning systems have been funded by The European Union. Most of these positioning systems are based on GNSS, due to the key role that GNSS will play in the migration to ETCS level 3.

One of the problems on using only GNSS systems is the lack of availability of them. During railway operation, there are areas with potential GNSS outages, such as urban canyons, woods or other possible signal blockers and disturbances. Moreover, it is a fact that GNSS signals are not reachable, nor reliable in tunnels or indoor environments. For GNSS to be able to have a key role in the next years in railway security, the afore mentioned lack of availability has to be solved.

To cope with this issue, a multi-sensor approach with software enhancements is proposed in this dissertation. The objective of this research work deals with fusing different sensors and creating new software strategies to achieve a higher availability with the best possible accuracy. The seamless position will benefit in all the operation modes, from the train station to a harsh environment for satellites, during the train operation.

The scope of the dissertation is to create a multi-sensor positioning system including GNSS, Inertial Measurement Unit (IMU), and Ultra Wide Band (UWB) with other software techniques to obtain a position estimation with a 100% availability for railway systems.

This work shows the different steps from the study of the state of the art, going through the implementation, and ending with the performance analysis of the algorithm developed. This research work has been conducted under different European projects such as ERSAT-EAV, FR8RAIL or X2Rail-2, in which CEIT has participated.

El sector aeroespacial se caracteriza por su aspecto innovador, el cual se da debido a la alta exigencia tecnológica inherente a este sector. Por ello, los procesos de fabricación, tecnologías y materiales más punteros surgen desde la investigación y desarrollo realizados en este sector. Parte del esfuerzo realizado en este sentido, ha sido mejorar la eficiencia y potencia específica de los motores de avión. Para ello, las condiciones de trabajo a las que se someten los componentes de estos sistemas de propulsión son cada vez más severas, como por ejemplo, temperaturas más altas, mayores gradientes de temperatura, ambientes corrosivos, fatiga termo-mecánica...

Por lo tanto, los avances en los materiales empleados en las turbinas de gas juegan un rol primordial. En el desarrollo de nuevos materiales, destacan las superaleaciones base Níquel empleadas en este sector. No obstante, los componentes fabricados con superaleaciones base níquel provienen de procesos convencionales de fundición, forjado y mecanizado. En este tipo de procesos el ratio buy-to-fly, el cual se define como el ratio entre la cantidad de materia prima y cantidad de materia en la pieza final, puede llegar a ser tan alta como 10:1. Con el objetivo de reducir los costes generados por el desperdicio de material prima, los procesos de forma neta (conocidos en inglés como Near Net Shape, o por sus siglas NNS) han suscitado el interés de la comunidad investigadora estas últimas décadas. Un ejemplo de este tipo de procesos es el Near Net Shape Hot Isostatic Pressing (NNS-HIP), mediante el cual se logra reducir el ratio buy-to-fly hasta 1.5:1.

En un proceso NS-HIP se introduce polvo en una cápsula con un diseño adecuado, se evacúa el aire de la cápsula y se sella herméticamente. A continuación, la cápsula se somete a un prensado isostático en caliente típicamente a 100-150 MPa de presión y elevada temperatura (0.8-0.9 Tm, donde Tm representa la temperatura de fusión del material) de tal manera que el polvo densifica por un proceso de sinterización en estado sólido. Durante el proceso de HIP la cápsula sufre una contracción importante que debe ser predicha de manera precisa si se desea finalizar con una forma cercana a la pieza final.

En la presente tesis se ha desarrollado una ley constitutiva para materiales con comportamiento elasto-viscoplástico poroso que permite predecir las formas finales de los componentes tras el proceso de compactación HIP. Para su calibración, se han caracterizado experimentalmente tanto la superaleación base níquel (tanto en su estado 100\% denso como en piezas parcialmente densas), como el acero empleado para las cápsulas.

Además, en paralelo y con el fin de entender y validar el comportamiento del material parcialmente denso, se ha elaborado un modelo mesoscópico en el que se analiza el comportamiento del polvo parcialmente densificado con diferentes formas y bajo distintas condiciones de carga.

Por último, se ha desarrollado una herramienta iterativa para el diseño óptimo de las cápsulas. De esta manera, se consiguen diseños de utillajes óptimos para lograr la geometría objetivo y conseguir así reducir los costes de producción al mínimo.

Los aceros inoxidables ferríticos ODS ofrecen excelentes propiedades para ser empleados en los futuros reactores de fusión nuclear, así como para revestimientos de tubos de reactores de IV generación de fisión nuclear. Estos materiales se caracterizan por ser muy estables a altas temperaturas, poseer buenas propiedades contra la corrosión, gran tolerancia a la irradiación por neutrones y, elevada resistencia al creep. Todo esto se debe a la gran densidad de pequeños nano-precipitados distribuidos por toda la matriz que actúan como barrera para el movimiento de dislocaciones y estabilizan la microestructura del material.

El trabajo que se presenta en esta tesis es la línea que continua la investigación basada en la ruta pulvimetalúrgica STARS de procesamiento de aceros ferríticos ODS. Esta tesis va a optimizar todos los procesos de la ruta mencionada, desde la atomización hasta los tratamientos termomecánicos; intentando escalar industrialmente todos los pasos. Para ello, en primer lugar, los procesos de atomización se han llevado a cabo en Ceit y en la empresa TLS – Technik Spezialpulver; empresa en la que se han llegado a obtener lotes de hasta 150 kg de polvo. Las atomizaciones se han caracterizado analizando la distribución de tamaños de partícula, su composición y su morfología mediante microscopía electrónica, así como sus propiedades físicas.

Se ha realizado un exhaustivo estudio sobre el comportamiento del polvo atomizado frente a los distintos tratamientos de oxidación. Se han estudiado sus cinéticas así como las tendencias que presenta el material frente dicho tratamiento. El estudio se ha completado mediante la técnica de XPS y XAS, el cual ha permitido conocer la composición química de los distintos óxidos formados en el material.

La consolidación del polvo se ha realizado mediante el proceso de HIP. El estudio de esta parte de la ruta de fabricación se ha dividido en dos vías: temperaturas altas y temperaturas bajas de consolidación. Los resultados se han analizado mediante SEM, EBSD, TEM (con la ayuda de

Ciemat y el departamento de física de la Universidad Carlos III) y XAS (con la ayuda del instituto de física del estado sólido de la Universidad de Latvia).

El procesado termomecánico (laminación) se ha estudiado mediante ensayos de dilatometría y compresión plana para conocer los diferentes procesos de ablandamiento que pueden tener lugar y ver cuáles son las mejores condiciones para escalar el estudio a muestras laminadas en OCAS, centro adherido al grupo ArcelorMittal.

En la presente Tesis Doctoral, se ha estudiado en profundidad la estabilidad y retención de diferentes calidades de diamante comercial mezclados con un polvo base hierro atomizado con agua (HMix) y procesadas mediante diferentes técnicas de metalurgia de polvos. Los resultados obtenidos con HMix han sido comparados con un polvo comercial fino base hierro (Mx4885) consolidado mediante sinterización convencional (prensado + sinterización sin presión). También, se han diseñado y desarrollado recubrimientos multifuncionales que permitan el control de la retención de las partículas de diamante en la matriz metálica (HMix) empleando diferentes técnicas: encapsulación de diamantes con diversos polvos, recubrimientos multicapa creados mediante tecnología PVD y formación espontánea de recubrimientos multifuncionales añadiendo partículas de polvo submicrométricas. Para ello, se ha analizado en detalle la intercara diamante-recubrimiento-matriz y la retención y estabilidad de los diamantes.

En una actividad previa al estudio con diamantes, se ha trabajado solo con los polvos base hierro seleccionados, comenzando por la caracterización de los mismos.

La caracterización de todos los polvos ha comenzado con el análisis mediante microscopia electrónica de barrido (SEM) de su morfología, composición y distribución de elementos principales. Además, mediante cálculos termodinámicos y calorimetría diferencial de barrido (DSC) se han determinado las reacciones que ocurren durante el calentamiento de los polvos.

HMix y Mx4885 se han densificado mediante sinterización convencional y sólo HMix ha sido, además, sinterizado mediante prensado uniaxial en caliente con objeto de promover una mayor interacción entre el diamante y el ligante. Después se ha evaluado la sinterabilidad, microestructura y propiedades mecánicas de las piezas obtenidas. Se ha encontrado que no existe contracción y densificación en las probetas de HMix en sinterización convencional. HMix es en realidad una mezcla de polvos en la que el componente mayoritario es polvo grueso de base hierro. No obstante, en prensado uniaxial en caliente si se produce la densificación de HMix, ya que la sinterización está promovida además de por la temperatura, por la presión aplicada. Mx4885, también sufre una alta densificación y contracción al ser sometido a un ciclo térmico en sinterización convencional, generado por la presencia de partículas finas y Fe/P como aditivo.

Los diamantes utilizados son comerciales y han sido caracterizados en ausencia de la fase matriz para conocer el estado inicial de los cristales. Se ha estudiado la morfología, el tipo de recubrimiento, si lo tiene (espesor, composición (XRD) y adhesión al diamante), y la resistencia al impacto (ensayo de friabilidad), confirmando que se trabaja con diamantes de alta calidad.

Estos diamantes han sido mezclados con las matrices metálicas (HMix y Mx4885) y las diferentes mezclas han sido sinterizadas empleando las mismas condiciones utilizadas únicamente con las matrices metálicas. Las superficies de fractura e intercara matriz-recubrimiento-diamante de las piezas muestran comportamientos diferentes dependiendo del polvo y el método de procesamiento utilizado. En el caso de HMix en sinterización convencional la interacción matriz-recubrimiento-diamante es muy baja debido a la baja densificación del material que no promueve el contacto matriz-diamante. No obstante, al aumentar la densificación en prensado uniaxial en caliente o al utilizar Mx4885 la reactividad entre matriz-recubrimiento-diamante se ve favorecida.

Además, se ha evaluado la retención y estabilidad de los diamantes tras los ciclos térmicos. La retención se ha estudiado mediante ensayos de flexión en tres puntos (fuerza de retención HF) y el método de superficies especulares. Mientras que la estabilidad de los diamantes se ha analizado mediante ensayos de friabilidad tras disolver la matriz metálica que los rodea. Se ha visto que para las calidades comerciales de diamante estudiadas, al emplear la misma matriz metálica y proceso de sinterización la retención es muy parecida en todas ellas. Es decir, no se ha logrado controlar la retención mediante el uso de diamantes recubiertos comerciales en las condiciones de procesamiento empleadas.

En un intento por controlar la retención y estabilidad de los diamantes bajo el mismo proceso de sinterización (sinterización convencional) y matriz metálica (HMix) se han desarrollado recubrimientos multifuncionales que interaccionan tanto con la matriz metálica como con el propio diamante. Para ello se han empleado tres técnicas diferentes.

La primera es la encapsulación de diamantes mediante polvos metálicos. Para ello se ha desarrollado en Ceit una técnica de encapsulación donde las partículas de diamante sin recubrimiento han sido encapsuladas con cuatro polvos diferentes que, a priori, mostraban una buena interacción tanto con la matriz (HMix) como con el diamante (formadores de carburos). Las cápsulas han sido mezcladas con HMix y sinterizadas obteniéndose resultados prometedores al emplear polvos de base níquel. A su vez, se ha estudiado la posibilidad de industrializar el proceso de encapsulación en un lecho fluidizado.

La segunda técnica es el diseño y producción de recubrimientos multicapa mediante la técnica PVD. Se ha añadido una capa de wolframio a diamantes comerciales recubiertos de Cr y Si, inicialmente a escala de laboratorio en Ceit y, después, a escala industrial en la empresa Metalestalki S.L. Estos resultados han aumentado la retención en más de un 25 %. Se debe destacar que estos diamantes multicapa han sido trasladados a la producción industrial y van a ser testeados en pruebas de corte.

La última técnica se basa en la formación de recubrimientos durante el propio proceso de sinterización mediante la adición de partículas submicrométricas a la matriz metálica que reaccionen con el diamante generando carburos. Los resultados obtenidos son preliminares, pero muestran la posibilidad de abrir una nueva línea de trabajo donde se necesita trabajar con partículas más pequeñas.

Por último, hay que destacar que se han obtenido resultados de gran interés, tanto a nivel científico como industrial, que proporcionan innovación y diferenciación en el mercado de la herramienta diamantada y que posibilitan la opción de mejorar el rendimiento de las mismas jugando únicamente con los recubrimientos de los diamantes, sin tener que alterar la composición o el proceso de sinterización.

Nowadays, commercial cochlear electrodes consist in handcrafted rigid wires. However, new electrode designs are emerging focusing on depth of insertion, flexibility and size of the electrode to ensure reliable and full atraumatic insertions, a great challenge of each cochlear implantation. Flexibility can ensure structure preservation, preservation of low-frequency hearing and the inclusion of subjects with less severe auditory pathologies to use this very successful rehabilitation treatment. Flexible cochlear electrodes reduces the insertion forces preserving the cochlear structure to keep also future new therapies viable which can be especially important for implanted children.

The proposed new electrode design replaces the bundles of wires by a flexible thin film microelectrode array to minimise insertion damage. In addition, microsystem technology can be used for manufacturing which allow also automation of the manufacturing process, increased reproducibility and reduced fabrication costs.

Developed microstructuring and metallisation processes allow to manufacture flat, flexible and biocompatible microelectrode arrays according to the dimensional requirements of the human cochlea. Electrical and mechanical behaviour show feasibility and reliability of flexible thin film microelectrodes and further potential for a new generation of atraumatic cochlear electrodes. Furthermore, the technical realisation of the electrode design offers the possibility to easily and cheaply adapt the manufacturing process to the dimensional requirements of electrodes for other neural implants

Ionogels (IOs), ionic liquids (ILs) immobilized in a matrix, have received a growing interest during the last decades. ILs present interesting properties such as suitable conductivity, negligible volatility or non-flammability. Interestingly, IOs maintain these characteristics in a quasi-solid state enabling their use in sensors, batteries or electrochemical double layer capacitors. Special mention deserves IOs with a stimuli responsive matrix. Those materials respond to external stimuli changing their physical properties without the need of external power. Therefore, they have become intriguing materials for drug delivery systems, artificial muscles or micropumps in microfluidics. In the literature, the electrical and electrochemical properties of IOs are well characterized when used as sensitive layers for sensors and electrolytes. However, a gap in the electrochemical characterization of stimuli responsive IOs when used as actuators has been found.

Among electrode materials for electrical and electrochemical characterization, indium tin oxide (ITO) is a commonly used material for transparent conducting electrodes (TCEs). However, ITO presents several drawbacks, such as, toxicity, poor adhesion to polymeric materials or low availability. Aluminium doped zinc oxide (AZO) has emerge as a promising alternative for ITO. Moreover, AZO films present a resistivity and optical transmittance comparable to ITO. Atomic layer deposition is a suitable technique to fabricate AZO films with high precision in thickness. In the literature, several works about AZO film deposition and characterization can be found but none about its patterning and use as TCEs when deposited with atomic layer deposition (ALD).

For these reasons, the present work analyses the electrical and electrochemical properties of two thermo-responsive pNIPAAM based IOs encapsulating 1-ethyl-3-methylimidazolium ethyl sulfate (IO-1) or trihexyltetradecyl-phosphonium dicyanamide (IO-2) ILs with gold (Au) and AZO electrodes.

Firstly, the electrical characterization of the two IOs and the corresponding pure ILs was carried with Au-IDEs. The observed current induced rectification behaviour in the I-V curves widens the knowledge about IO and Au electrode interfaces. Their stability against oxidation and reduction processes and the effect of the absorbed atmospheric water was studied by cyclic voltammetry. Moreover, the actuation behaviour of the thermo-responsive IOs was investigated by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The nature of the IL and the microstructure of the polymer matrix was correlated with the fitting parameters from the EIS spectra providing a better understanding of the actuator behaviour of these materials.

Furthermore, a combination of ALD and photolithography was applied to fabricate interdigitated electrodes of AZO embedded in polymeric substrates. A methodology, which is a breakthrough toward ultimately thin devices fabrication. The fabricated AZO-IDEs were used to monitor conformational changes of IOs. The results showed the suitability of the use of the fabricated electrodes to monitor changes in ion motion and morphology of stimuli responsive materials.

Finally, for the seeking of new applications of IOs, their implementation as sensitive layers for gas detection was evaluated. Their response towards benzene and formaldehyde, two carcinogenic air pollutants, was successfully evaluated.

Nanostructured materials present different physical properties in comparison to their bulk counterparts and the integration of this type of materials in conventional devices, such as gas sensors, can improve some of their characteristics such as sensitivity, selectivity and response. These enhanced features are important for the development of reliable gas sensors. In particular, nanostructuration of semiconductor metal oxides has been widely researched to be applied in conductometric gas sensors.

The two major drawbacks of most nanostructuring techniques are the low velocity of the process, not scalable for mass production and the need to transfer the nanostructures to the sensing device (ex-situ approaches). Hence, the present work studies the gas sensing performance of semiconductors nanostructured by two top-down techniques that are fast, inexpensive, in-situ process and automatable: direct laser interference patterning (DLIP) and femtosecond laser subwavelength patterning.

The DLIP is a non-contact technique that uses the interference patterns generated by two or more coherent laser beams to directly structure materials. On the other hand, femtosecond laser subwavelength patterning generates laser-induced periodic structures (LIPSS) when linearly polarized radiation interacts with a solid.

This work focuses on the detection of NO2, since it is one of the most common pollutants, and needs to be detected in very low concentrations. In fact, the recommendation from the Scientific Committee on Occupational Exposure Limits for Nitrogen Dioxide of the European Commission establishes 0.5 ppm as the 8-hour TWA .

In particular, this thesis gathers the study of three different type of laser nanostru ctured semiconductor gas sensors for the detection of low concentration of NO2: ZnO based sensors processed by DLIP, ZnO based sensors nanostructured with LIPSS and WO3 based sensors processed by DLIP. In all the approaches, a response improvement has been obtained by the nanostructured sensors compared with classically annealed devices, pointing out the laser technologies potential.

Furthermore, the study of the operating conditions influence (flow and position of the sensor inside the chamber) on the sensors performance is investigated comparing experimental results with gas flow simulations. Finally, the integration of the fabricated sensors into a wireless platform is included in this dissertation.

Brettanomyces yeast is considered one of the most relevant spoilage yeasts in the production of alcoholic beverages, especially in wine and cider. During beverages fermentation and later storage, this yeast can produce volatile phenols that affect the organoleptic properties (aroma and taste) of the beverages. The appearance of Brettanomyces causes a decrease in the quality of the final products, and consequently, important economic losses for companies.

Nowadays, there are several direct and indirect detection methods for this spoilage yeast. Regarding direct methods, plating and molecular techniques are the most employed techniques in wineries and cider-houses. Also, indirect methods such as gas chromatography-mass spectrometry are also implemented in the industries. Despite being widely used, they are liable to frequent false positives caused by fungal contamination and long culture times causing a late detection. Therefore, the companies are interested on implementing new detection methods for obtaining an early detection of this spoilage yeast.

The current work presents a detection methodology based on impedance spectroscopy analysis using interdigitated microelectrode (IDE) based sensors for in situ spoilage yeasts detection, focusing on Brettanomyces bruxellensis. Spoilage yeasts are tested inside bioreactors to evaluate the growth and the sensitivity of the biosensors. In addition, microfluidic devices based on IDEs are also developed to provide an ex situ detection of Brettanomyces.

To improve the specificity of the measurements, biofunctionalization processes are carried out onto the gold surface of the biosensors and the microfluidic devices. Results confirmed the good performance, improving the sensitivity and specificity for spoilage yeasts samples.

These biodevices could be a promising method for monitoring the spoilage yeasts growth and biofilm formation, offering an efficient alternative to the laborious and expensive traditional methods.

Debido a la creciente exigencia de la industria automovilística por aligerar el peso del vehículo e incrementar la seguridad, han surgido nuevos grados de acero de alta resistencia. Los aceros bainíticos libres de carburos, por sus buenas propiedades mecánicas, son candidatos a formar parte de la tercera generación de aceros avanzados de alta resistencia. Este tipo de acero se produce principalmente en forma de chapa en líneas de recocido continuo o galvanizado, por lo que las diferentes variables del proceso influyen de manera notable, tanto sobre su microestructura final como en las propiedades mecánicas.

Esta tesis se ha centrado en el estudio de dos aceros bajo carbono con matriz bainitica aleados respectivamente con silicio y cromo. En primer lugar, se han analizado las cinéticas de transformación de ambos aceros durante su permanencia en la región bainítica y se ha estudiado en detalle la evolución microestructural de ambos con las variables del ciclo térmico. Para llevar a cabo este estudio, se han realizado ensayos de dilatometría donde se ha variado la temperatura de austenización, la velocidad de enfriamiento y la temperatura y tiempo de mantenimiento en la región bainitica. Además, ha sido necesario desarrollar una metodología para la preparación metalográfica de las muestras y la cuantificación de las fases que componen la microestructura a través de diferentes técnicas (óptico, FEG-SEM, EBSD y rayos X).

En segundo lugar, se han estudiado las propiedades mecánicas de estos aceros atendiendo a tres puntos. En el primero, se ha tenido en cuenta el comportamiento mecánico de cada uno de los microconstituyentes: bainita, martensita de bajo carbono, martensita de alto carbono y austenita retenida. En concreto, se ha medido la dureza a través del empleo de la técnica de nanoindentación y se ha relacionado esta propiedad con las variables del proceso.

Con el objeto de profundizar en las relaciones microestructura-proceso-propiedades mecánicas, se han realizado una serie de ensayos de tracción sobre las muestras extraídas de chapas recocidas en el simulador de recocido vertical que posee el CEIT. Estos ensayos, junto a otros ensayos incluidos dentro del proyecto Baseform, proyecto en el que se enmarca esta tesis, han dado lugar a una gran variabilidad de limite elástico, resistencia a la tracción y elongaciones. Esto ha permitido realizar un análisis exhaustivo de las relaciones entre propiedades mecánicas, microestructura y procesamiento.

Además de las propiedades a tracción, como tercer punto, se ha estudiado la conformabilidad. La baja conformabilidad en frio y los problemas de agrietamiento de borde de los aceros multifásicos son las principales desventajas que presentan los aceros multifásicos. Por ello, se busca de manera incesante el modo de evitar estos problemas e incrementar la conformabilidad. En este trabajo se han empleado los resultados de los ensayos de expansión de orificio (HET), obtenidos dentro del proyecto Baseform, con ellos se mide de forma indirecta la conformabilidad, con el objeto de relacionar esta propiedad con la microestructura y así mejorarla a través de la optimización de la microestructura.

Por último, se han realizado ensayos de tracción sobre diferentes geometrías de probeta para estudiar cómo evoluciona la microestructura con la deformación y cómo y dónde se produce el daño en el acero con alto contenido en Si. Se ha analizado la evolución de la austenita retenida, afectada por el efecto TRIP (transformation induced plasticity) y de la matriz bainítica, tanto en la región de deformación uniforme como dentro de la zona de estricción. Además, se ha evaluado los lugares donde se originan las cavidades y como tiene lugar la fractura.

The development of the breeding blanket is one of the crucial aspects to overcome in the framework of the EU fusion program towards DEMO. In the nuclear fusion power plants of the future, the blanket will be responsible of providing the necessary thermal energy to produce electricity in an efficient way, together with assuring the tritium self-sufficiency of the reactor. To these effects, one of the most promising blanket concepts is the so-called Dual-Coolant Lead-Lithium. In the DCLL, liquid PbLi acts at the same time as the main coolant and as breeder, allowing to achieve high efficiencies due to the high temperature reached by the liquid metal. Nevertheless, a high level of R&D is required to successfully overcome its design.

Among the technological challenges that must be addressed in the development of a high temperature DCLL, the design of the so-called Flow Channel Inserts (FCIs) deserves special attention. FCIs are hollow channels containing the hot flowing PbLi during blanket operation. They provide thermal insulation to protect the blanket steel structure from the high temperatures of the liquid metal, and at the same time, they provide electrical insulation, since the motion of the electrically conducting PbLi in presence of the toroidal magnetic field confining the fusion plasma results in Lorentz forces which may disturb the flow. The FCIs must also offer effective protection against PbLi corrosion and infiltration during the whole blanket operation time. Due to its excellent properties in terms of thermal and chemical stability at high temperatures, the main candidates for high-temperature FCIs are materials based on silicon carbide (SiC), being one of the possible approaches to develop a dense-porous SiC sandwich consisting of a porous SiC core, which provides the insulation properties, and a dense SiC coating, protecting the porous core against PbLi corrosion and infiltration. In the present work, the design of such a SiC-based material for FCIs is addressed.

On the one hand, the design is approached from a theoretical point of view. In this analysis, the origin and value of the thermally-derived stresses associated to the high thermal gradient across the FCIs is addressed. As a second part of the theoretical study, the possible MHD effects are analyzed, discussing its relationship with FCIs’ properties like the electrical conductivity or the configuration of the SiC-based sandwich. The study is carried out under relevant conditions for the DCLL, including two values for the toroidal magnetic field, 4 and 10 T. Besides, the heat transfer problem in the blanket is studied, analyzing the dependency of the resulting temperature field on the FCIs’ configuration. A guideline for the material’s production is extracted from these studies, suggesting the use of a dense coating of 200 μm and a porous core of porosities near 40%. A mitigation of the MHD effects is predicted if materials with an electrical conductivity <1 S/m are used in the porous core.

As a second part of the results presented in this dissertation, the experimental production of a SiC-based sandwich material with the required properties for FCIs is carried out. A route to fabricate porous SiC with tailored porosity is developed using powder metallurgy techniques (uniaxial pressing and liquid phase sintering). A controlled amount of porosity is introduced by removing a carbonaceous sacrificial phase previously added to the initial powders; by this route, high-quality SiC materials with porosities in the range 35-50% are successfully fabricated. The processes governing the sintering are analyzed, and the resulting porous SiC materials are characterized in terms of thermal and electrical conductivities, mechanical strength and elastic properties, achieving promising values for FCIs. To produce and study a SiC-based sandwich material, a dense CVD-SiC coating was deposited on the fabricated porous SiC, being the resulting samples tested against PbLi in corrosion experiments. By last, the adaptation of the fabrication method for porous SiC to the gel-casting route is explored, which corresponds to an industrially-scalable technique that offers possibilities for the future fabrication of large pieces with complex geometries. The first lab-size SiC-based FCI prototypes were fabricated by the gelcasting route.

Femtosecond laser based material processing is a cutting edge technology, which has emerged as a very useful and innovative tool in order to generate new surface advanced properties on a large list of materials. A good understanding of this technology allows the fabrication of surface structures ranging from a few hundreds of nanometers up to hundreds of microns, which are generated by carefully tuning the laser parameters and taking advantage of different phenomena related with laser-material interaction. Indeed, the generation of these type of structures together with the main advantages related to ultrashort pulse laser material processes (minimum material heating or structural changes, processing in open atmosphere, avoiding of coatings or chemical treatments, harmlessness for mechanical properties, etc) has been proved to be extremely useful in applications for many different industry and research fields such as biomedicine, photonics, tooling industry, energy generation or aerospace engineering.

In this framework, this thesis presents a multidisciplinary approach for the development of a high control of femtosecond laser technology and its use for the generation of new and improved material surface properties on high added-value products. Specifically, three different applications have been studied with a high degree of success:

1. The first application consisted in the fabrication of surfaces with improved wettability properties. We were able to fabricate metallic surfaces with superhydrophobic properties by only modifying the surface (on the micro and nanoscales) with femtosecond laser material processing. Superhydrophobic metallic surfaces are extremely interesting for applications such as heat exchange, corrosion resistance or drag reduction among many others, giving this result a high value and potential.
2. For the second application we exploited the capability of surface micro/nano structuring to modify metallic biomaterials integration. In this regard, with the fabrication of micro/nano patterns we were able to control the cell migration and adhesion, resulting in a technique that could serve as an effective way of improving biomaterial compatibility.
3. The third application was focused on the nanostructuring of artificial diamond surfaces in order to take advantage of its incomparable material properties together with the added value that suppose having the capability of precisely nanostructure the surface.

El principal atractivo de los aceros PM dirigidos al sector de la automoción es la fabricación de piezas de geometría compleja de forma casi final con tolerancias dimensionales acotadas, evitando operaciones secundarias que encarezcan el proceso y aprovechando la mayor parte de la materia prima. La fabricación de piezas por esta tecnología requiere, por lo tanto, conocer las causas que producen los cambios dimensionales durante la sinterización, así como el desarrollo microestructural que finalmente confiere al material sinterizado las propiedades necesarias para su fabricación. Dentro de este marco, los utillajes tienen un papel muy importante a la hora de su diseño para la obtención de piezas compactadas en una sola operación de prensado, ya que pudiendo constar de múltiples elementos, son susceptibles de dañarse en funcionamiento. Con objeto de minimizar daños y evitar fracturas, generalmente se utilizan a bajas presiones, produciendo consecuentemente compactos en verde, que para el caso de elementos de amortiguador tienen densidades entre 6.1 y 6.8 g/cm3.

Este trabajo recoge un estudio detallado del comportamiento de aceros pulvimetalúrgicos dentro del sistema de aleación Fe-Cu-C elaborados a partir de mezclas elementales. Para ello y debido a que típicamente los aceros PM, particularmente aquellos elaborados a partir de mezclas de polvos elementales, desarrollan su microestructura, y por consecuencia sus propiedades, durante la sinterización, el estudio considera no sólo la influencia de la composición química de la mezcla (concentraciones de Cu y C) sino también diferentes grados de grafito (natural y sintético) cuya temperatura de disolución en el Fe es diferente y dos tipos de Fe base (esponja y atomizado) que también influirán en el desarrollo microestructural.

Adicionalmente, una vez comprendidos los mecanismos y el papel que desempeñan tanto el Cu como el C en el desarrollo de la microsestructura, se amplía el sistema de aleación al Fe-Cu-Ni-C con la intención de estudiar el papel del Ni dentro del sistema. Para ello, se obtienen resultados sobre la influencia del Ni tanto en el hinchamiento causado por el Cu como en la redistribución del Cu y C. Se analizan también los fenómenos que ocurren durante la interacción entre el Ni, Cu y C.

El objetivo de esta tesis es contribuir al estudio de los micromecanismos involucrados en el desarrollo microestructural de los aceros dentro del sistema Fe-Cu-C. Se persigue determinar la influencia que ejercen tanto las variables del ciclo de sinterización (temperatura y tiempo) como aquellas relativas a la elaboración de los compactos (densidad, gradiente de densidad en verde, tamaño de partícula, concentración de Cu, tipo y cantidad de C y tipo de Fe base) sobre el control dimensional de estos.

Los resultados se organizan recogiendo en primer lugar ciclos de dilatometría para diferentes combinaciones Fe-Cu-Ni-C con contenidos de Cu/C/Ni comprendidos en los rangos 0.5-3.5%Cu, 0.3-0.9%C y 0,1,4,10 y 28%Ni, no con el fin de cuantificar la variación dimensional exacta sino para identificar los principales cambios que se dan en el sistema de aleación y relacionarlos con los micromecanismos que los producen. Además, las trazas de dilatometría sirven de gran ayuda para seleccionar las temperaturas clave donde se producen los micromecanismos más relevantes y, en segundo lugar, realizar ciclos de sinterización interrumpidos a esas temperaturas para observar su desarrollo microestructural. Se complementa el trabajo con ensayos de tracción y mediciones de dureza de todas las composiciones con el fin de determinar las propiedades mecánicas del material, así como los cambios dimensionales que se cuantifican utilizando un equipo de metrología tridimensional.

Paralelamente, se realizó otro estudio en colaboración con la empresa PMG Polmetasa, cuya actividad se centra en la fabricación de componentes sinterizados para los amortiguadores de automóvil. En esta línea, el trabajo considera datos obtenidos de piezas fabricadas en las instalaciones industriales. Desde este punto de vista, en una primera etapa, se realizó un estudio comparativo entre sinterización en condiciones de laboratorio (condiciones más controladas al trabajar con un número reducido de probetas, hornos muy estables y atmósferas controladas) e industriales (elevada productividad, cambios de masa térmica en los hornos constantemente...etc.). A partir de aquí, se pasa a una segunda etapa con los conceptos obtenidos en el laboratorio para implementarlos el proceso industrial. Para ello, se seleccionó el pistón como componente representativo, que a modo de prototipo se empleó para verificar la aplicabilidad de los resultados en la práctica industrial.

Tendente a la optimización del proceso, se hizo un análisis detallado de la sinterización en condiciones industriales manteniendo un adecuado desarrollo microestructural, un buen control sobre los cambios dimensionales y apropiadas propiedades mecánicas en el material. Los ciclos se realizaron a temperaturas entre 1100 °C y 1120 °C con incrementos de 5 °C y tiempos entre 0 y 15 minutos en intervalos menores a 5 minutos.

Hoy en día se exigen numerosos requerimientos a los aceros para diversas aplicaciones. En general, la principal demanda es conseguir aceros que presenten una combinación de alta resistencia y buena tenacidad a baja temperatura. Como consecuencia, en los últimos años se han ido desarrollando diferentes estrategias de laminación en caliente con el fin de obtener microestructuras lo más finas posibles, ya que de esta manera se mejora tanto la resistencia como la tenacidad. Otra de las opciones disponibles para hacer frente a los requisitos actuales es aumentar los contenidos de microaleación. Esto, además de afectar a la evolución microestructural de la fase austenítica, puede llevar a un aumento del endurecimiento por precipitación y mayor densidad de dislocaciones. Sin embargo, también resulta en interacciones más complejas entre los mecanismos de endurecimiento, haciendo difícil la optimización de los parámetros de proceso.

Con el fin de estudiar esto, en la primera parte de esta tesis se han llevado a cabo ensayos de compresión plana para producir diferentes microestructuras austeníticas con dos aceros de bajo contenido en carbono microaleados con niveles de Nb distintos (0.04 y 0.11%), seguido de una etapa de simulación del bobinado a temperaturas entre 500 y 700ºC. Las microestructuras obtenidas se han caracterizado mediante microscopía óptica, EBSD y TEM. Para ambos aceros se han obtenido tamaños de grano de austenita y niveles de deformación acumulada similares. Como consecuencia, se ha observado que en estas condiciones aumentar el contenido de Nb no tiene apenas efecto en el tamaño de grano de las microestructuras transformadas. Por otro lado, se ha caracterizado la resistencia de las microestructuras transformadas por medio de ensayos de tracción. Los valores de resistencia más bajos se han obtenido para la temperatura de bobinado a 700ºC. El valor de resistencia aumenta significativamente a 600ºC (≅90 y 140 MPa en el límite elástico (LE) para el acero de bajo y alto Nb, respectivamente) y a 500ºC disminuye ligeramente. Para las condiciones investigadas, se han determinado densidades de dislocaciones similares para ambos aceros, lo que indica que el incremento observado en el LE para el acero de alto Nb es debido principalmente al efecto de los precipitados formados durante o tras la transformación de fase. También se ha estudiado el efecto de la textura en la tenacidad y la anisotropía en el acero de bajo Nb para dos de las condiciones investigadas (microestructura austenítica recristalizada y microestructura austenítica deformada). Para ello, se han realizado ensayos Charpy sobre muestras mecanizadas a diferentes direcciones respecto de la dirección de laminación (a 0º y a 45º). Se ha determinado una capacidad de absorción de energía de impacto mayor en las muestras transformadas a partir de austenita recristalizada debido a un mayor nivel de homogeneidad microestructural. Además, se ha observado que, en las dos condiciones estudiadas, la tenacidad empeora para las muestras mecanizadas a 45º. Para las muestras transformadas a partir de austenita deformada, el nivel de heterogeneidad y el alargamiento de la microestructura puede contribuir a este efecto, mientras que para las muestras transformadas a partir de austenita recristalizada esto sólo puede atribuirse a la mayor densidad de planos {001} paralelos a la superficie de fractura. Se ha realizado un análisis fractográfico y se ha visto que la fractura de las muestras mecanizadas a 0º se inicia debido a la presencia de partículas de M/A, mientras que para las muestras mecanizadas a 45º la orientación de la faceta de inicio de la fractura corresponde con la componente cubo rotado. Por lo tanto, se confirma la contribución de la cristalografía a la fractura frágil en estas condiciones. Por otro lado, se ha tratado de relacionar las propiedades mecánicas con las características de las microestructuras finales obtenidas. En cuanto a la resistencia, se han estudiado las contribuciones de cada uno de los mecanismos de endurecimiento al límite elástico. Respecto a las propiedades de tenacidad, se han analizado las contribuciones de los parámetros microestructurales a la temperatura de transición FATT.

La segunda parte de esta tesis trata sobre el desarrollo y validación de una herramienta para la reconstrucción cristalográfica de la austenita a partir los datos de orientaciones obtenidos mediante EBSD de una microestructura martensítica templada. Primeramente, se ha utilizado una aleación modelo Fe-30Ni para la validación del método de reconstrucción y optimización de los parámetros implicados en el mismo. Para ello, se han llevado a cabo ensayos de torsión con el fin de producir distintas microestructuras austeníticas (recristalizada, deformada y parcialmente recristalizada) sobre las que se han realizado barridos de EBSD. Tras aplicar un temple sub-cero, se produce la transformación de fase austenitamartensita, por lo que es posible caracterizar las mismas zonas mediante EBSD, aplicar el método de reconstrucción y validar los resultados mediante la comparación con los barridos llevados a cabo sobre la austenita. Se ha visto que una vez seleccionada una relación de orientación adecuada, el método es robusto a la variación del resto de parámetros. Asimismo, se han obtenido buenos resultados de reconstrucción para todas las microestructuras estudiadas, incluyendo la capacidad de reconstruir maclas. Además, se han comparado los resultados del método descrito en esta tesis con los determinados mediante otros métodos de reconstrucción disponibles, siendo los resultados comparables y mostrando buena resolución angular en comparación con los otros métodos. Por otro lado, también se han comparado los resultados de la reconstrucción con los obtenidos mediante técnicas metalográficas convencionales. Para ello, se han analizado muestras correspondientes a aceros bajo-medio carbono martensíticos que presentan una gran facilidad para el revelado de las juntas mediante el ataque Bechet-Beaujard. El procedimiento de reconstrucción se ha aplicado a los datos obtenidos mediante EBSD y se han caracterizado las mismas áreas de análisis utilizando técnicas metalográficas convencionales. Se han comparado los tamaños de grano y las morfologías microestructurales determinadas mediante ambas técnicas en función del procesamiento de datos. Se ha visto que el análisis de la coherencia de las maclas presentes en la microestructura es crítico a la hora de obtener resultados comparables entre las dos técnicas.

Actualmente son especialmente relevantes las aplicaciones que requieren una conversión DC/AC: alimentación de máquinas eléctricas a partir de almacenadores de energía (en vehículos eléctricos), envío a la red de la energía previamente almacenada, etc.

A día de hoy, el convertidor DC/AC más empleado en la industria es el compuesto por dos etapas: un elevador o reductor DC/DC que regule el nivel variable de tensión de entrada a la etapa inversora DC/AC, conectada a continuación a través de un enlace de continua formado por voluminosos componentes reactivos almacenadores de energía. Las actuales tendencias y requerimientos deseables en los convertidores DC/AC demandados por la industria han provocado la aparición de nuevas topologías que tratan de competir con las dominantes topologías. Una de estas nuevas topologías es el inversor de fuente en impedancia Z, (Z-Source Inverter, ZSI).

El ZSI implementa una conversión directa DC/AC con niveles de tensión y corriente de entrada y salida variables, por lo que resulta en una topología compacta. Con sólo implementar un interruptor controlado más, se le añade la función bidireccional, una característica muy importante a la hora de trabajar con almacenadores de energía. Sin embargo, todavía presenta ciertas limitaciones, como sus especiales demandas en la conmutación que ponen en riesgo la vida de los semiconductores, su alta dependencia entre la ganancia obtenible y el THD introducido en la onda de salida, que hacen de la topología una opción todavía poco madura para la industria.

No obstante, las potenciales ventajas de la topología le confieren gran interés científico y tecnológico de cara a futuro.

El objetivo principal del presente trabajo de investigación ha consistido en profundizar en el conocimiento de los ZSI, en concreto, de la topología desarrollada a partir de la misma, el Trans-qZSI, como alternativa a las topologías tradicionales, a través de un estudio metodológico del mismo que desemboque en la implementación de un prototipo que sirva de banco de pruebas para el análisis y optimización de su modo de operación y conducción.

Desde la primera vez que se dio a conocer el concepto del inversor ZSI, muchas topologías variantes han sido desarrolladas, y se observa que el interés científico se va dirigiendo en dos frentes, en la topología tradicional ZSI, y en los ZSI de inductores magnéticamente acoplados, que es desde donde se ha enfocado el presente trabajo.

Dentro de los ZSI de inductores magnéticamente acoplados, se observa que la información se presenta excesivamente particularizada al análisis del circuito en cada caso, pero no entra a profundidad en sus modos de conducción ni en su análisis de estabilidad. Tampoco se han encontrado apenas referencias sobre las pautas a seguir o condiciones a tener en cuenta en cuanto al dimensionamiento del convertidor, ni en cuanto a la bidireccionalidad y los retos que presenta el desarrollo del convertidor en este sentido.

Por ello, se ha seguido una metodología de estudio compuesta por las siguientes etapas: estudio del funcionamiento básico, estado actual y carencias de la topología Z de inductores magnéticamente acoplados: Desarrollo teórico, modelización y simulación del convertidor en sus distintos modos de conducción, así como en su función bidireccional. Diseño, construcción y validación de un prototipo de 2.5kW.

The quality assurance of manufactured components is becoming increasingly important, especially on those components where their catastrophic failure can lead to human casualties or loss of great amount of money. Traditionally, the quality controls have been done by destructive characterization of a set of components from each batch, which leads to uncertainty on the rest of the batch. In the last few decades, the quality assurance of the whole production by nondestructive evaluation is becoming more common. However, nowadays many properties still cannot be characterized by conventional nondestructive techniques.

The main objective of the present thesis work is the study and development of nondestructive methodologies to characterize three properties of components that are important in their fatigue life for whom nowadays conventional nondestructive techniques do not exist: residual stress depth-profile, induction-hardened layer (depth and surface hardness of the layer) and the defects that can occur during grinding process (grinding burns). The inspection of these properties in 100% of the components could be important for manufacturers (security coefficients could be reduced) and for customers (the maintenance could be enhanced due to a better knowledge of the fatigue life of the components).

In the present PhD dissertation, the magnetic Barkhausen noise (MBN) nondestructive technique is used due to its sensitivity to residual stresses and mechanichal hardness of the components. The MBN is an electromagnetic signal produced due to magnetic domain wall movement during magnetization processes of ferromagnetic materials.
Microstructure of components, residual stresses and other properties of the material affect the properties of this.

The residual stress profile has been studied analyzing the MBN in the time and frequency domains. New methodologies have been developed with the MBN in the time domain, in order to estimate the average residual stress depth-profile (average residual stress from surface to each depth) up to 130 µm depth with an estimation error smaller than 100 MPa. Moreover, with a novel methodology developed in the present study based on the MBN in the frequency domain, the residual stress depth-profile (residual stress at each depth, not the average) has been estimated up to 130 µm with an estimation error smaller than 70 MPa.

The induction hardened layer and the defects that can occur during its grinding (grinding burns) have been studied analyzing the MBN and the magnetization signals. A new methodology has been developed in order to characterize the depth of the hardened layer (case depth) and the surface hardness of this layer and to detect the grinding burns independently of the case depth, with a unique measurement.
This methodology has been implemented in an aeronautic ball screw shaft production line. The case depth has been estimated with an error smaller than 200 µm; and thresholds have been selected to detect ball screw shafts with surface hardness softer than 56 HRC and with grinding burns, independently of the case depth of the ball screw shaft.

En la presente tesis doctoral se han desarrollado dos nuevos materiales cerámicos de elevada porosidad (>85 % en volumen) para su aplicación en calderas de combustión.

En primer lugar se han desarrollado materiales para su uso como quemadores de gas basados en fibras de sílice de alta pureza (>95 % en peso de sílice, denominadas “High Silica” HS) unidas entre sí mediante un recubrimiento de carburo de silicio realizado mediante depósito químico en fase vapor (CVD) partiendo de metiltriclorosilano (MTS) como precursor. Estos materiales se proponen como una alternativa para sustituir a los que se comercializan en la actualidad, fabricados con la misma tecnología, pero basados en fibras tipo Tyranno® mucho más costosas.

El otro tipo de materiales investigado se basa en sílice pirogénica a la que también se ha añadido una pequeña proporción de las fibras citadas para evitar la formación de grietas durante la compactación. En estos materiales, que se utilizan para la fabricación de aislantes térmicos, es importante conseguir valores de dureza que permitan su posterior manipulación sin alterar sustancialmente su estructura de poros, clave para mantener sus buenas propiedades de aislamiento térmico. En este sentido, se ha investigado el efecto que tienen diversas adiciones de boruros sobre la cinética de densificación y la dureza de los materiales sinterizados.

En el caso de los quemadores de gas, se ha comprobado que las fibras de sílice de alta pureza (HS) comienzan a cristalizar en forma de cristobalita a temperaturas muy superiores a las que se dan en las calderas de condensación. De este modo, se evita el daño producido por las transformaciones de fase que se dan en dicha fase en ciclos alternos de calentamiento y enfriamiento.
Uno de los parámetros más importantes para la fabricación de quemadores es la permeabilidad de las estructuras porosas al paso del gas, clave para regular la potencia de combustión y las emisiones de CO y NOx. Se ha comprobado que esta propiedad depende principalmente de la longitud y diámetro de las fibras. En el caso de las fibras de sílice HS los diámetros son inferiores a los de la fibra Tyranno® lo que hace que la permeabilidad disminuya al aumentar en número de contactos entre las fibras y disminuir la distancia entre ellas.

Otra de las alternativas estudiadas para abaratar la fabricación de quemadores basados en fibras Tyranno® unidas mediante CVD-SiC, es sustituir esta técnica de unión por otras menos complejas y costosas como son las rutas sol-gel y los procesos de inmersión en sílice coloidal. Se ha demostrado que ambos métodos generan fuertes uniones entre las fibras mediante generación de depósitos de sílice, no sólo como recubrimientos sino formando películas entre las fibras. El método de inmersión en sílice coloidal deja gran cantidad de estos residuos lo que deteriora notablemente las propiedades de permeabilidad. El proceso sol-gel permite obtener valores más cercanos a la aplicación. Sin embargo, la combinación de rigidez y permeabilidad es aún superior en el caso de las fibras unidas mediante CVD-SiC.

Los materiales basados en sílice pirogénica reforzados con fibras se han obtenido siguiendo la ruta convencional de procesamiento pulvimetalúrgico consistente en mezclado, compactación y sinterización. Se ha investigado el efecto de diversos parámetros sobre la densificación y la dureza de estos materiales incluyendo la superficie específica de la sílice pirogénica, la densidad en verde, la cantidad de fibras de refuerzo (tipo HS) y su estado de hidroxilación y las adiciones de diversos boruros: diboruro de titanio (TiB2) y carburo de boro (B4C).

Los resultados de los ensayos dilatométricos coinciden con las predicciones del modelo de sinterización por flujo viscoso propuesto por Frenkel. A partir de los 450 - 500 ºC, los boruros se oxidan generando fenómenos de fusión localizados que aceleran la contracción, tanto más cuanto mayor es la adición de boro en el sistema. Las energías de activación estimadas a partir de las curvas dilatométricas para temperaturas por debajo de 1000 ºC coinciden para todos los materiales investigados con las reportadas para geles de sílice, independientemente del contenido de boro. A temperaturas superiores a 1000 ºC, las energías de activación de los materiales con adiciones de boro aumentan significativamente mientras que las de los materiales sin adiciones de boruros no se modifican.

Finalmente, se ha confirmado que, aunque añadidos en pequeñas cantidades, los boruros provocan cambios de dureza notables sin que la densidad se modifique de forma sustancial. Este es un resultado importante, ya que se puede aumentar la consistencia del material sin alterar significativamente su estructura de poros.

La electrónica de potencia juega un papel fundamental en la generación, almacenamiento y distribución de la energía eléctrica. Esto es debido a que la mayor parte de la energía eléctrica generada es consumida después de sufrir varias transformaciones, la mayoría llevadas a cabo por convertidores de potencia. El núcleo de los convertidores son los dispositivos semiconductores, y por lo tanto donde se consumen la mayor parte de las pérdidas del sistema.

Como consecuencia de ello, existe una presión cada vez mayor, por parte del mercado, para aumentar la eficiencia y la fiabilidad. Además, muchos de los nuevos estándares de energía demandan una alta eficiencia del producto. A las exigencias por aumentar la eficiencia y la fiabilidad, se le suma la necesidad de incrementar la densidad de potencia de los equipos, como consecuencia de la irrupción del vehículo eléctrico.

Actualmente, los convertidores de potencia están basados en dispositivos de Silicio (Si), la cual es una tecnología madura y bien definida. Sin embargo, el Si presenta algunas limitaciones importantes en cuanto a su capacidad de bloqueo, temperatura de operación y frecuencia de conmutación. Por tanto, se requiere de una nueva generación de dispositivos de potencia para aplicaciones en las cuales los sistemas electrónicos basados en los dispositivos tradicionales de Si no pueden operar o lo hacen de manera menos eficiente.

Para hacer frente a estas necesidades, la industria está desarrollando nuevos dispositivos de conmutación apoyándose en los materiales semiconductores de Banda Prohibida Ancha, en ingles Wide-BandGap (WBG), tales como el Carburo de Silicio (SiC) y el Nitruro de Galio (GaN). Las características de estos materiales permiten aumentar la velocidad de conmutación de los mismos exhibiendo unas pérdidas por conmutación y conducción bajas. Además poseen la capacidad de operar a temperaturas elevadas.

Dada la juventud de las tecnologías de SiC y GaN, estas se encuentran en constante evolución, por lo que la información se encuentra ciertamente dispersa o excesivamente particularizada y no se han encontrado referencias que abarquen una comparativa de las tres tecnologías sobre un mismo dispositivo.

Como se ha comentado en el párrafo anterior, comprobada la falta de bibliografía comparativa rigurosa de las tecnologías actuales más prometedoras, el objetivo principal del presente trabajo de investigación ha consistido en analizar las bondades de los dispositivos de conmutación de WBG, como son los dispositivos de SiC y GaN, en relación con los dispositivos de Si tradicionales. Para ello, se ha realizado un estudio comparativo del comportamiento de conmutación de cada una de las tres tecnologías. Además, se han estudiado las pérdidas por conducción y la influencia de las impedancias parásitas en la etapa de potencia.

Para llevar a cabo el estudio, se ha diseñado un circuito capaz de reproducir las condiciones de conmutación a las cuales estaría sometido un transistor en un convertidor real con el objetivo de simplificar la plataforma de ensayos. Además, este circuito permite llevar a cabo el análisis para las diferentes tecnologías en las mismas condiciones de ensayo.

El análisis comparativo de las diferentes tecnologías llevado a cabo durante el presente trabajo de investigación incluye, en primer lugar, un estudio teórico de su comportamiento basado en modelos de simulación. Durante esta etapa y de cara a la obtención de análisis cualitativos representativos de la realidad, resulta determinante la elaboración de modelos lo más precisos posibles, teniendo en cuenta incluso los efectos parásitos de los componentes que integran el circuito. Una vez analizado el comportamiento de los dispositivos de potencia en el circuito de ensayos, representativo de una etapa de potencia en un convertidor, el siguiente paso consiste en validar dicho modelo experimentalmente, para lo cual se ha diseñado e implementado una plataforma de ensayos común a las tres tecnologías a ensayar.