El término carga de espacio describe el estado eléctrico de un material, mal conductor, que mantiene una distribución de cargas eléctricas relativamente inmóviles. El estudio del efecto de la carga de espacio sobre las propiedades de los materiales aislantes está adquiriendo importancia creciente, dada su influencia en los procesos de envejecimiento y ruptura dieléctrica, los cuales suponen una limitación de las prestaciones de aquellos.Para el estudio de la carga de espacio hay que tener en cuenta dos aspectos complementarios. Por un lado, es necesario conocer la distribución espacial de la misma, pues ésta condiciona el valor del campo eléctrico en el interior del material. Por otra parte es necesario determinar los parámetros que rigen los procesos de atrapamiento, transporte y relajación de la carga. En la actualidad se disponen de diversas técnicas para llevar a cabo estos estudios, aunque en general presentan el problema de que, por una parte, requieren acondicionamientos diferentes de las muestras y, por otra, necesitan la disposición de electrodos especiales en algunos casos. Dada la sensibilidad de la carga de espacio a estos factores, resulta difícil correlacionar la información que proporcionan.En nuestro trabajo hemos utilizado tres técnicas que permiten evitar el problema que hemos puesto de manifiesto anteriormente, pues estas técnicas se pueden aplicar sobre muestras que han sido previamente acondicionadas de la misma manera. Estas técnicas son la de las corrientes de despolarización estimulada térmicamente (TSDC), el análisis eléctrico dinámico (DEA) y la técnica del escalón térmico. Las dos primeras son técnicas de espectroscopía dieléctrica mientras que la última permite obtener la distribución de la carga en el material. Los materiales empleados han sido el polimetacrilato de metilo (PMMA) y dos variedades comerciales de polieterimida (PEI) denominadas Ultem 1000 y Ultem 5000. En el análisis de los datos obtenidos mediante TSDC hemos utilizado el modelo de Bucci-Fieschi para las relajaciones de naturaleza dipolar, mientras que las de carga de espacio se han interpretado en base al modelo de cinética de orden general, siempre aplicados sobre muestras polarizadas mediante ventanas (WP). Los parámetros que hemos analizado para las relajaciones dipolares son los tiempos de relajación y energías de activación. En el caso de las relajaciones de carga de espacio hemos estudiado el tiempo de relajación, la energía de activación (que en este modelo corresponde a la profundidad de atrapamiento), la carga atrapada inicial y el orden cinético, parámetro que da información acerca del proceso microscópico más probable en la relajación de la carga de espacio. Los datos de DEA fueron interpretados mediante el modelo de Coelho, utilizando el formalismo del módulo eléctrico, obteniéndose información acerca del grado de bloqueo de los electrodos, la conductividad del material, la concentración de portadores y su movilidad.Entre los resultados obtenidos podemos resaltar que a temperaturas de polarización por encima de 80oC, superiores a la Tpo de la relajación ' del PMMA y a las que el pico  ya es activado, se ha observado un proceso de inyección anódica, que creemos acompañado de un incremento de la movilidad de los portadores positivos que permite explicar el incremento de la conductividad y la disminución de la rigidez dieléctrica observada por otros autores.Para la interpretación de los resultados obtenidos en el estudio mediante TSDC de la relajación de carga de espacio en el PMMA hemos desarrollado un procedimiento que permite extender el método del análisis del mapa de relajación (RMA), habitual en el estudio de las relajaciones dipolares, al caso de la carga de espacio. Según nuestra interpretación, la curva de descarga obtenida procede del proceso de relajación de carga atrapada en una franja de niveles de atrapamiento cuya anchura depende fundamentalmente de la anchura de la ventana de polarización, y cuya profundidad depende de las condiciones de polarización. En el caso de ventanas de polarización de anchura nula, la carga de espacio se halla en una franja estrecha de niveles de atrapamiento, de manera que se puede suponer que el proceso de relajación no es distribuido y aplicar, por lo tanto, un modelo de relajación simple para su estudio, siendo el de cinética de orden general muy conveniente.El procedimiento desarrollado permite explicar, al menos de una forma cualitativa, la función de distribución de niveles de atrapamiento. En el caso del PMMA, el número de trampas parece crecer suavemente hasta alcanzar un máximo a una profundidad de unos 2.35 eV, para, una vez superado éste, decrecer bruscamente a una profundidad de unos 2.5 eV. El orden cinético de la relajación es de 1.14 en el caso del PMMA1 y de 1.25 en el del PMMA2, indicando que, en estos materiales, el proceso de relajación más probable de la carga de espacio es el de la recombinación de portadores.Los valores encontrados para las energías de activación y los factores preexponenciales del tiempo de relajación siguen leyes de compensación. Hemos de resaltar que la existencia de leyes de compensación en el caso de aisladores se había encontrado en procesos de relajación dipolar analizados mediante modelos de cinética de primer orden, mientras que en nuestro caso se ha comprobado en un proceso de relajación de carga de espacio que obedece a una cinética que no es de primer orden.El grado de saturación alcanzado en la formación de la carga de espacio en las muestras de PMMA para un tiempo de polarización dado es tanto mayor cuanto mayores sean el campo aplicado y la temperatura de polarización, observándose que cuanto mayor es el nivel de saturación alcanzada en las polarizaciones, más definida es la temperatura de polarización óptima. La profundidad de atrapamiento de la carga crece con el tiempo de polarización, si bien la temperatura y el campo de polarización influyen en la profundidad de la carga atrapada. En el caso de campos bajos, la profundidad de atrapamiento crece con la temperatura e inicialmente con el campo aplicado. A partir de cierto valor del campo aplicado se observa una disminución de la profundidad de atrapamiento, posiblemente relacionada con un mecanismo de disminución de la barrera de potencial por efecto del campo residual en el material, que parece ser más eficaz en las trampas más profundas.Hemos estudiado la distribución de la carga de espacio en electretes de PMMA, polarizados mediante ventanas de anchura nula a la temperatura de polarización óptima. Los perfiles de distribución de la carga que se han obtenido son más complejos que los observados en relajaciones de naturaleza dipolar y que los obtenidos en electretes polarizados convencionalmente que se han descrito en la bibliografía, y en los que la carga de espacio se había aislado mediante la técnica limpieza de picos. Nuestros resultados indican que a tiempos de polarización cortos se forma fundamentalmente heterocarga y que al incrementarse los tiempos se forman distribuciones más complejas, en las que se observan dos macrodipolos orientados en la dirección del campo. Para campos de polarización altos, el campo residual es mucho mayor en la zona catódica, probablemente fruto de una mayor eficacia de la inyección en el ánodo, lo que produce una compensación de la heterocarga. En el caso de las medidas de DEA sobre PMMA, hemos observado un buen ajuste de los resultados experimentales al modelo de Coelho, lo que supone que a temperaturas por encima de la de transición vítrea los procesos de transporte de carga en este material son la difusión y la conducción óhmica. Los electrodos presentan un bloqueo parcial, observándose un ligero aumento del bloqueo de los mismos con la temperatura. Esta situación de bloqueo parcial puede explicar la existencia de fenómenos de inyección que, como la técnica del escalón térmico ha evidenciado, parecen ser más eficaces en el ánodo.La conductividad en el material a temperaturas por encima de la de transición vítrea es activada térmicamente. Su valor se incrementa en dos órdenes de magnitud en el intervalo de temperaturas estudiado. Este incremento de la conductividad no ha de ser atribuido a un incremento de la concentración de portadores, ya que ésta parece disminuir ligeramente, sino a un incremento de la movilidad de los mismos, que resulta ser activada térmicamente.Los resultados obtenidos en la caracterización mediante corrientes termoestimuladas de las relajaciones presentes en el Ultem 1000 son comparables a los que proporcionan las medidas de DEA. En el material se producen tres procesos de relajación de naturaleza dipolar y uno de carga de espacio. Este último proceso da lugar a un pico sólo en el caso de las corrientes termoestimuladas, debido a la baja frecuencia equivalente de éstas.El gran poder de resolución de la técnica TSDC ha permitido alcanzar el desdoblamiento del pico , que puede resolverse en un doble pico en medidas TSDC convencionales, mientras que, en las medidas de DEA, ambos picos aparecen confundidos en un pico muy ancho. El uso de la polarización por ventanas mejora el poder de resolución de la técnica TSDC, y en el caso de la relajación  se han detectado tres temperaturas de polarización óptima, que ponen de manifiesto la existencia de tres mecanismos de relajación a nivel microscópico.Se han determinado los parámetros que rigen las cinéticas de las diferentes relajaciones y se han comparado con los valores proporcionados por otras técnicas. Las energías de activación para la relajación  se corresponden bien con los valores obtenidos mediante otras técnicas, pero hay diferencias en la  y la . Las diferencias en el caso de la relajación  son atribuibles al hecho de que los tres mecanismos diferenciados que se observan mediante TSDC aparecen superpuestos en solo pico ancho en las medidas DEA y DMTA. Por este motivo, creemos que los valores obtenidos mediante corrientes termoestimuladas son más realistas. Creemos que las diferencias en las energías de activación de la relajación  están relacionadas con las diferencias en los procesos de cálculo.Las corrientes TSDC que resultan de la carga de espacio en este material obedecen a un proceso de relajación cuya cinética es próxima a la unidad, lo que evidencia que la recombinación es el mecanismo más probable durante la relajación. Como en el caso del PMMA, se ha observado una ley de compensación para la relajación de carga de espacio en este material. Hemos comparado los espectros TSDC del Ultem 1000 y el Ultem 5000 a temperaturas por encima de la ambiente. Ambas variedades tienen un espectro TSDC similar, si bien en el caso del Ultem 5000 los picos aparecen desplazados a temperaturas superiores. Las energías de activación de las relajaciones  y  de ambas variedades de polieterimida son comparables. Los órdenes cinéticos de la relajación de carga de espacio también son parecidos en ambos materiales. La principal diferencia entre ellos, es la mayor capacidad de atrapamiento del Ultem 1000, que creemos que puede ser la causa de su menor rigidez dieléctrica.El modelo de Coelho ha resultado satisfactorio para la interpretación del efecto de la relajación de la carga de espacio en las medidas dieléctricas convencionales en ambas variedades de polieterimida. En ambos casos se ha obtenido una conductividad activada térmicamente, siendo en el caso del Ultem 5000 unos dos órdenes de magnitud mayor en el intervalo de temperaturas estudiado. En ambos casos el incremento de la conductividad con la temperatura se ha de atribuir a la movilidad creciente de los portadores, ya que se ha determinado que la concentración de portadores varía poco en dicho intervalo térmico.Por otro lado se han observado diferencias en el comportamiento de los electrodos. En el Ultem 5000 los electrodos se hallan completamente bloqueados, mientras que en el Ultem 1000 el bloqueo en los mismos es parcial. En ambos casos, el valor del factor de transparencia de los electrodos no parece depender de la temperatura, por lo que creemos que en el comportamiento de la unión metal-aislante es más determinante la naturaleza de los materiales que la temperatura.

This doctoral thesis studies the physical properties of polymeric composite materials, with the addition of ground tire rubber particles (GTR) and the use of any of these compounds for the electrical industry, either as a semiconductor, roofing, piping, insulation and stuffed in the world of electric cables or electric industry in general to provide an outlet for reusable materials from tires and give a new application is interesting for industry and also provide a solution to the serious problem of recycling such waste are as difficult to reuse the tires out of use. The difficulty to eliminate stocks of abandoned tires or store is a serious environmental problem. At present, various methods for recycling used tires, such as mechanical grinding, which separates the vulcanized rubber and steel fibers, using the rubber in many applications such as flooring, insulation, shoes, etc.. The carbon black is an important component in the tires with rates up to 30%, which is used to improve the behavior of these abrasive. This thesis investigates the electrical behavior (conductivity, permittivity, electric module, ...) of different composite materials obtained by mixing different polymers with different percentages of GTR (up to 70%) see their response depending on the amount of GTR, also depending on the frequency and temperature and see the potential feasibility for use in specific applications in the electric field. For this thesis are done different mixtures of materials (polymer insulators) with GTR to study the microstructural properties, thermal, mechanical and dielectric, by performing several tests: test DEA (impedance), test Drive Strain, Young's modulus, elongation at break, tensile strength, hardness, microstructure analysis by electron microscopy and thermal analysis by DSC testing of all compounds that have been made and conclusions drawn as to affect the incorporation tire dust in different proportions of GTR(0-5-10-20-40-50 and 70% ) and with different particle sizes (<200 µm, 200-500 µm,>500 µm). From then analyzes the information obtained from all the research done to extract conclusions, then analyzes the current regulations and how they might use some of the compounds analyzed by the electrical industry, and thus recovered difficult to recycle waste while helping to lower production costs by adding powder tires. In addition, this can mean that quantifies savings in the global market and the Spanish market while environmental factors are weighted, such as the CO2 emissions and the storage of this waste. / A la present Tesi doctoral s'aborda l'estudi de propietats físiques de materials polimèrics compostos, amb l’addició de partícules neumàtic fora d’ús (NFU o GTR –en anglès-) triturat i l'aprofitament d'algun d'aquests compostos per a la indústria elèctrica, ja sigui com a semiconductor, cobertes, canalitzacions, aïllament i farcits, en el món dels cables elèctrics o la indústria elèctrica en general per donar sortida a materials reutilitzables provinents de pneumàtics fora d'ús i donar una nova aplicació que sigui interessant per a la indústria i alhora donar una solució al greu problema del reciclatge d'aquest tipus de residus de difícil reutilització com son els neumàtics fora d’ús. La dificultat per eliminar els estocs de pneumàtics abandonats o emmagatzemar constitueix un greu problema mediambiental. En l'actualitat, s'utilitzen diversos mètodes per al reciclatge de pneumàtics, com la trituració mecànica, en la qual se separa el cautxú vulcanitzat de l'acer i les fibres, utilitzant aquest cautxú en nombroses aplicacions com paviments, aïllants, calçat, etc. El negre de fum és un component important en els pneumàtics amb percentatges de fins al 30%, que s'utilitza per millorar el comportament abrasiu d'aquests. En aquesta tesi doctoral s'investiga el comportament elèctric (conductivitat, permitivitat, mòdul elèctric, ...) de diferents materials compostos obtinguts mitjançant la barreja de diferents polímers amb diferents percentatges de NFU (fins a un 70%), veure la seva resposta en funció de la quantitat de NFU, en funció també de la freqüència i de la temperatura i veure la possible viabilitat per a ser utilitzats en aplicacions concretes en l'àmbit elèctric. Per a la present tesi doctoral es realitzen diferents mescles de materials (polímers aïllants), amb NFU per estudiar les propietats microestructurals, tèrmiques, mecàniques i dielèctriques, mitjançant la realització de diversos assaigs: assaig DEA (espectroscòpia d'impedàncies), assaig Tracció-Deformació , Mòdul de Young, Allargament a la ruptura, Resistència a la Ruptura, Duresa, Anàlisi de Microestructura mitjançant Microscòpia Electrònica i anàlisi tèrmica mitjançant assaig DSC de tots els compostos que s'han realitzat, i s'extreuen conclusions de com afecta la incorporació de pols de pneumàtic en diferents proporcions (0-5- 10-20-40-50 i 70% de NFU) i amb mides de partícula diferents (<200 μm, 200-500 μm, >500 μm). A partir d'aquí s'analitza la informació obtinguda de tota la investigació realitzada per extreure conclusions, tot seguit s'analitza la normativa vigent actual i de quina manera es podria utilitzar algun dels compostos analitzats per a la indústria elèctrica, i així es valoritza un residu de difícil reciclatge al mateix temps que es contribueix a baixar costos de producció per addició de pols de Pneumàtic Fora d'Ús. A més es quantifica en que pot suposar aquest estalvi a nivell mundial i espanyol a la vegada que es ponderen factors mediambientals, com pot ser l'emissió de CO2 i l'emmagatzematge d'aquest residu.

Los medios fracturados de baja permeabilidad (MFBP) pueden definirse como una matriz impermeable atravesada por una cantidad mayor o menor de fracturas conductivas. La experiencia indica que la mayor parte del flujo circula solo por unas pocas de estas fracturas, característica que marca el comportamiento del medio. Por esto, es necesario caracterizar estas fracturas para comprender el sistema.Desgraciadamente, no existe una metodología ampliamente aceptada para ello, en este contexto el objetivo de esta tesis es triple:1. Definir una metodología para modelar este tipo de medios 2. Explicar cómo la modelación explícita de las principales fracturas ayuda a explicar el efecto escala.3. Aplicar esta metodología a dos casos reales: FEBEX en Grimsel y Mina Ratones en Cáceres.La tesis está formada por tres artículos independientes pero complementarios, que se describen a continuación.En el primero se presenta la metodología para identificar las fracturas hidráulicamente más importantes. El método se basa en la interpretación de los ensayos de interferencia, y se apoya en los datos de geología, geofísica y ensayos hidráulicos. La metodología se ha aplicado en la caracterización hidrogeológica del bloque granítico que rodea al experimento FEBEX, en Suiza. La caracterización de este medio comienza por la identificación geométrica de las fracturas, basada en datos geológicos y geofísicos. Los ensayos hidráulicos de sondeo único ayudan a descartar aquellas fracturas no transmisivas, pero las conectividades entre puntos y la extensión de las fracturas se realiza mediante ensayos de interferencia. La geometría resultante se reproduce con un modelo 3D, donde los planos de fractura se representan con elementos 2D incluidos en la matriz 3D (matriz más fracturación menor). Los parámetros hidráulicos se obtienen de la interpretación conjunta de todos los ensayos de interferencia con modelos numéricos 3D, utilizando técnicas de calibración y ajustando todas las medidas simultáneamente. Siguiendo la misma metodología se ha podido reproducir los niveles en estacionario e incluso cuantificar el flujo de agua hacia la zona experimental de la galería FEBEX.Una característica de los MFBP es que al aumentar el volumen de roca ensayado, la conductividad hidráulica equivalente obtenida aumenta. En el entorno de la galería FEBEX se han llevado a cabo diferentes tipos de ensayos hidráulicos (pulsos, recuperación, interferencia, etc.). Estos ensayos se han interpretado utilizando métodos convencionales, en los que se asume que el medio es homogéneo, y las conductividades hidráulicas obtenidas como resultado muestran un efecto de escala (aumentan en órdenes de magnitud con el volumen de roca ensayado). El objetivo de este trabajo es mostrar que este efecto de escala refleja las limitaciones de la conductividad hidráulica equivalente derivada de la interpretación de los ensayos con modelos homogéneos. Para alcanzar este objetivo se ha utilizado la metodología descrita en el artículo anterior. En resumen, el modelo final es coherente con todas las medidas tomadas a diferentes escalas. La mayor parte de los ensayos a pequeña escala se han realizado en intervalos situados en matriz, esto hace que la conductividad hidráulica equivalente promedio sea pequeña. Al aumentar la escala el ensayo afecta a más fracturas, con lo que aumenta la conectividad del sistema haciendo que la conductividad hidráulica equivalente aumente. Finalmente, la metodología propuesta se aplica a la caracterización hidráulica de la mina de uranio "Los Ratones". Para verificar que la caracterización hidráulica ha sido satisfactoria, se ha realizado la predicción a ciegas de un bombeo a gran escala desde la mina. Los resultados obtenidos con esta simulación muestran unos buenos ajustes de los puntos de observación al bombeo desde la mina. Esto confirma la robustez y fiabilidad del modelo, y por lo tanto de la metodología utilizada. / Low permeability fractured media (LFFM) can be viewed as consisting of a virtually impervious matrix transversed by more or less conductive fractures. Experience dictates that a few of these concentrate most of the flow, this controlling the overall behaviour of the medium. Therefore, they need to be characterized for proper understanding of the system. Unfortunately, no widely accepted methodology is available to this end. In this context the objective of this thesis is three fold: 1. Define a methodology to model this type of media. 2. Explain how the explicit modeling of hydraulically dominant fracture helps in explaining scale effects.3. Apply the methodology to two real case studies: the FEBEX at Grimsel and the Ratones mine.The thesis consists of three independent but complementary papers. They are described below.First, I present a methodology to identify the most significant water conductive fractures. The method is based on the interpretation of cross-hole tests, and is supported by geology, geophysics and hydraulic data. This methodology has been applied to the hydrogeological characterization of a granitic block within FEBEX experiment, Switzerland. Characterising this medium starts by achieving a geometrical identification of the fractures, which demands mainly geological and geophysical data. Single borehole hydraulic tests help in neglecting those transmissive fractures, but the only means to assess the connectivity between points and the fractures extent consists of conducting cross-hole tests. The resulting geometry is later implemented into a 3D finite element mesh, where the fractures are simulated as 2D elements that are embedded into a 3D porous media that includes the effect of minor fractures. Hydraulic parameters have been obtained from the joint interpretation of cross-hole tests with 3D numerical models, using automatic calibration techniques and adjusting all the measurements simultaneously. This methodology has proved capable of reproducing steady state heads, and also of quantifying groundwater flow to the experimental area of the FEBEX tunnel.Different types of hydraulic tests (pulse, recovery, cross-hole and tunnel inflow measurements) have been performed in low permeability fractured granite around the FEBEX tunnel in Grimsel (Switzerland). We have interpreted the tests using conventional methods that treat the medium as a homogeneous one. Results display scale effects. Hydraulic conductivities increase, by orders of magnitude, with the volume of rock tested (from pulse to cross-hole tests). The objective of our work is to show that this scale effect is apparent. It reflects the limitations of the equivalent hydraulic conductivity derived from the homogeneous model interpretation of the tests.For this purpose, we have used the methodology described in the first paper. In summary, the final model is consistent with all the relevant measurements, taken at different support scales. This provides some insight into the issue of scale effects, which has been a topic of debate in the literature. In essence, the majority of small scale tests are performed in matrix intervals. Thus, any averaging of these values would suggest relatively small effective permeability. Yet large scale permeability of the rock is controlled by a few fractures, which provide high connectivity to the system, but are intersected by few testing intervals. As a result, large scale permeability is qualitatively different and quantitatively larger than small scale permeability.Finally, the proposed methodology is applied to the hydraulic characterization of the "Los Ratones" uranium mine. To verify that the site characterization is satisfactory, a blind-prediction has been carried out with the data recorded during a large-scale pumping test from the mine. The results obtained with this simulation show a good response to the mine pumping, so that both the robustness and reliability of the model are confirmed.

D’ençà que el polietilè reticulat (XLPE) es va començar a utilitzar com aïllament elèctric per cables de subministrament elèctric, s’han destinat molts esforços a l’estudi de les propietats dielèctriques del polietilè i l’efecte que la càrrega d’espai té sobre el seu comportament. En aquest sentit, les corrents de despolarització estimulades tèrmicament (TSDC) s’han utilitzat extensament per estudiar les relaxacions de càrrega d’espai. Aquesta tècnica ha demostrat tenir prou resolució per distingir diferències en aïllaments de XLPE amb composicions o processos de fabricació diferents. En aquesta tesi, els mecanismes de conducció dels aïllaments XLPE de cables de mitjana tensió (MV) han estat estudiats per TSDC i diverses tècniques complementàries, com l’anàlisi dinàmica elèctrica (DEA), les corrents d’absorció/resorció (ARC), el pols electroacústic (PEA) i les corrents de despolarització isotèrmiques (IDC). Altres tècniques, com l’espectroscòpia d’infrarojos (FTIR) o la difracció de raigs X, han estat també utilitzades per caracteritzar el material. S’han obtingut espectres TSDC per diferents mostres de cable, les quals en condicions de servei treballen en un rang de tensió AC de 12 a 20kV i a temperatures al voltant dels 90ºC. D’altra banda, s’han realitzat mesures de la conductivitat per ARC i DEA en mostres de cable, en cilindres de XLPE i en films. Les mesures s’han dut a terme a temperatures pertanyents al rang de fusió del XLPE (50–110ºC), en mostres sotmeses a aquestes temperatures durant diferents períodes de temps. Els resultats mostren diferències importants entre el comportament de les propietats conductives de les mostres de cable amb pantalles semiconductores (SC) i sense (cilindres de XLPE). El comportament observat ha estat explicat mitjançant la coexistència de dos mecanismes de conducció. La difusió d’impureses des de les pantalles SC determina el comportament d’una d’aquestes contribucions a mig i llarg termini. Els resultats obtinguts per FTIR són consistents amb aquest model. Respecte la microestructura, tant les mesures DSC com la difracció per raigs X mostren que existeixen processos de recristal•lització quan les mostres són sotmeses a temperatures ubicades dins del rang de fusió. Els electrets formats mitjançant el mètode de la polarització per finestres (WP) mostren una descàrrega TSDC amb un ample pic heteropolar en el rang de fusió, amb el màxim al voltant dels 105ºC. En treballs previs, aquest pic es va associar a la fusió de la fracció cristal•lina. Tanmateix, en lloc de decréixer quan la temperatura de polarització augmenta, el pic presenta una temperatura de polarització òptima al voltant de 90-95ºC. Aquest comportament ha estat explicat tenint en compte els processos de recristal•lització que es produeixen quan el material es polaritza isotèrmicament. Durant la recristal•lització, una nova fracció cristal•lina creix en un estat polaritzat degut el camp aplicat, i origina una corrent de despolarització quan es fon durant la mesura TSDC. Amb l’objectiu de determinar l’origen d’altres pics que apareixen en l’espectre TSDC del XLPE, s’han emprat les IDC com a tècnica complementària. Les corrents IDC obtingudes de mostres no tractades es poden representar com la combinació de dues contribucions diferenciades: un terme que és una funció potencial del temps i un d’exponencial. La segona relaxació es correspon amb un pic TSDC que apareix a 95ºC. D’aquesta manera s’ha pogut determinar l’origen dipolar del pic. Finalment, mitjançant la tècnica PEA s’ha obtingut la distribució de la càrrega d’espai en mostres polaritzades que havien estat sotmeses a diferents tractaments tèrmics. S’ha observat un comportament transitori tant per PEA com per TSDC. Tanmateix no s’ha pogut establir cap relació directa entre les descàrregues TSDC i mesures PEA. En conseqüència, s’ha proposat una explicació per les corbes TSDC que considera mecanismes que no són detectables en els perfils de càrrega obtinguts per PEA / Since cross-linked polyethylene (XLPE) started to be used as electrical insulation for power cables, much research has been focused on polyethylene dielectric properties and the effect of the space charge on its behavior. In this sense, thermally stimulated depolarization currents (TSDC) have been widely used to study space charge relaxation. This technique has proved to have enough resolution to determine differences in charge trapping properties among XLPE insulations with different composition and manufacturing processes. In this thesis work, the conduction mechanisms of medium voltage (MV) cable XLPE insulation have been studied by TSDC and several complementary techniques, such as dynamic electrical analysis (DEA), absorption/resorption currents (ARC), pulsed electroacoustic (PEA) and isothermal depolarization currents (IDC). Other techniques, like Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy or X-ray diffractometry, have been used to characterize the material. TSDC spectra have been obtained for different cable samples, which in service conditions work under AC voltages ranging from 12 to 20kV and at temperatures around 90ºC. On the other hand, conductivity measurements by ARC and DEA have been performed in cable samples and in XLPE cylinders, as well as XLPE films. Measurements have been carried out at temperatures within the melting temperature range of XLPE (50–110ºC) on samples annealed at such temperatures during several annealing times. Results show significant differences in the behavior of the conductive properties of XLPE cable samples with semiconducting (SC) screens and without them (XLPE cylinders). The observed behavior has been explained by the coexistence of two conduction mechanisms. Diffusion of impurities from SC screens determines the medium and long-term behavior of one of these contributions and, hence, of cable conductivity. FTIR results are consistent with this model. With respect to microstructure, DSC and X-ray diffractometry results show that recrystallization processes exist when samples are annealed in the melting range of temperatures. Electrets formed by means of the windowing polarization method (WP) showed a TSDC discharge with a wide heteropolar peak in the melting temperature range, and with the maximum at about 105ºC. This peak was associated with the melting of the crystalline fraction in previous works. However, in spite of decreasing with the temperature of polarization, an optimal polarization temperature around 90–95ºC is found. This behavior has been explained by taking into account recrystallization processes when the insulation is isothermally polarized. During recrystallization, the new crystalline fraction grows in a polarized state due to the applied electric field, and it causes the depolarization current when it melts during the TSDC measurement. Results obtained from different experiments are consistent with this assumption. With the aim to find out the origin of other TSDC peaks present in the spectrum of XLPE cable samples, IDC has been used as complementary technique. IDC currents obtained from as-received cable samples at temperatures close to service conditions can be considered as the combination of two different contributions: a power law current and a stretched exponential contribution. The last relaxation process has been successfully associated with with a TSDC peak found at 95ºC. By this way the dipolar origin of the peak has been determined. Finally, PEA measurements have provided the space charge distribution profiles of polarized samples with different annealings. A transient behavior has been observed in both PEA and TSDC measurements. However, no straightforward relation between TSDC discharges and space charge detected by PEA can be established. Therefore, an explanation for TSDC curves has been proposed, which considers mechanisms that are not noticeable in charge profiles obtained by PEA.

The work presented in this thesis consists of two distinct parts. The first years of my work focused on the development and improvement of a new equipment built to study magnetic and electrical properties, particularly applying microwaves in reflection and transmission conditions. The sample space in conventional cryostats with superconducting magnets is usually smaller than 10-mm-diameter. Our equipment consists of a hollow cylindrical cryostat having a 33-mm-diameter hole all along its vertical axis. These characteristics enable the measurement of large samples and the use of big resonant cavities to get to a wider microwave (MW) range, particularly in transmission measurements. The cryostat has a superconducting magnet made of a solenoid that applies a magnetic field from -5 T to 5 T, and a temperature controller that works in the range 1.8 - 300 K. The system is cooled down with nitrogen and helium and the temperature can be controlled with the precision required by each experiment using a heater and a needle valve. Different probes for a wide range of experiments in our cryostat have been developed in order to be as versatile as possible. Following this idea each one has been divided in two halves that can be combined as it is preferred in each experiment. Each probe is made of a 8-to-10-mm-diameter stainless steel tube that is used to protect and give some stiffness to the measuring device. A coaxial cable and different waveguides are added to these stainless steel jackets, so we end up having nine halves, four upper parts that can be combined with five lower parts. There are three waveguides working in the frequency ranges 33-50 GHz (WR22), 50-75 GHz (WR15) and 75-110 GHz (WR10), and a coaxial cable that maintains the fundamental mode at a frequency of 60 GHz. In the extra lower part a 16-pin Fischer connector is added at the bottom in order to be able to perform more resistance experiments. Once the probes have been built, they have been tested to make sure the system is able to reach high vacuum and to be cooled down. Problems found along the way have been solved and at the end all the probes work properly. Different sample holders have been designed and built according to the needs in each experiment. The system has been tested by reproducing experimental results with Mn12-acetate, as quantum tunneling and magnetic avalanches, and by obtaining new results on microwave transmission in thin TiN films. The second part of the thesis focuses on the measurements of thin TiN films in a dilution refrigerator working with a mixture of 3He and 4He that enables experiments at a few tens of millikelvins. The cryostat also contains a superconductor magnet which can apply a magnetic field up to 5 T. Low-temperature transport properties of nanoperforated superconducting TiN films have been experimentally studied. Resistance measurements have been performed in the critical region of the superconductor-insulator transition (SIT), applying the magnetic field perpendicular to the plane of the structure or the dc current through the sample. SIT is a transition from a superconductor to an insulator state by localizing the Cooper pairs. The evolution of the SIT with temperature, magnetic field and dc current has been investigated in detail. Characteristic parameters have been determined for as-cast thin films using the theory of quantum corrections to conductivity. Disorder-driven and field-induced SITs have been measured. Commensurability effects have been observed down to the lowest experimental temperature, and are emphasized in the more disordered samples. The SIT has been observed for a dc current applied across the sample as changes in the curvature at zero bias current. Experiments prove that electronic transport in the nanoperforated samples is mediated by Andreev conversion. Finally, the existence of the superinsulator state has been experimentally proved. / El treball que es presenta en aquesta tesi consta de dues parts ben diferenciades. La primera pretén el desenvolupament d’un equip experimental concebut per a l’estudi de propietats magnètiques i elèctriques en materials diversos i, en especial, el treball amb radiació de microones en condicions de reflexió i transmissió. La segona s’ha centrat en les mesures de transport d’una capa fina superconductora de nitrur de titani (TiN) de 5 nm de gruix en un criòstat de dilució.