Введение к работе
Актуальность темы.
Открытие высокотемпературной сверхпроводимости явилось, несомненно, выдающимся событием в современной физике и химии и породило надежду на революционный переворот в сильноточной электротехнике, микроэлектронике, информационно-вычислительной технике, технике физического эксперимента. Проблемы практического использования сверхпроводимости теперь стали гораздо ближе к разрешению. Среди всего разнообразия высокотемпературных сверхпроводников изучалась система Bi-Sr-Ca-Cu-O (BSCCO), так как она имеет ряд технологических преимуществ перед остальными: более низкая температура плавления и синтеза фаз, широкая область гомогенности, расплав легко переходит в метастабилыюе (аморфное) состояние, что расширяет возможности создания технических изделий.
Все это обуславливает успешное изготовление длинномерных сильноточных изделий именно на базе соединений системы BSCCO. Провода на основе фазы 2223 в псрзую очередь ориентированы для использования при азотных температурах, а в сильных внешних магнитных полях ( >20 Тл ) и температурах от 4 до 50 К токонесущим изделиям на основе соединения 2212 сегодня нет альтернативы.
Данная работа была посвящена формированию токонесущей структуры 2212 BSCCO в одно- и многожильных проводниках.
В настоящее время основная проблема состоит в разработке практически значимой технологии производства ВТСП изделий, которая позволила бы реализовать ігх потенциальные возможности. Пока, полученные экспериментально критические токи не достигают теоретически рассчитанного уровня и значительно снижаются при переходе от коротких (-0,03 м) к длинномерным ( >1 м) изделиям.
Вес электрофизические параметры ВТСП зависят от химического и фазового состава образца, а также от структурных характеристик (степени текстуры и размеров зерен, наличия примесных фаз, качества межзеренных границ, дефектов кристаллической решетки и т.д.). Сильно зависит от структуры материала и плотность критического тока. На значении jc отрицательно сказывается наличие т.н. слабых связей, характерных для высокоугловых ( >5 ) границ кристаллитов, отсутствие ориентированной структуры и центров пипнинга. Таким образом, чтобы получить ВТСП с высоким jc необходима разработка технологических приемов, улучшающих связь между зернами, создающих высокую степень текстуры и оптимальные центры пиннинга.
Наиболее известным и широко применяемым сегодня остается т.н. метод "порошок в трубе" - ОР1Т (oxide powder in tube), который обеспечивает получение высоких критических токов.
Однако, эта технология требует жесткого соблюдения температурно-временных характеристик на всех этапах многостадийной обработки, наличия этапа подплава с контролируемым количеством жидкофазной компоненты и с последующим прецизионным контролем скорости охлаждения для управления процессами фазообразования. Кроме этого, данному методу свойственны следующие недостатки:
высокие требования к качеству диспергации и гомогенности
исходной шихты;
сложность реализации высокой степени однородности ВТСП керна в серебряной оболочке;
трудоемкость, сложность и длительность процесса формирования высокой плотности порошкообразного ВТСП керна;
относительно низкое (20-25 %) итоговое соотношение объема ВТСП керна и серебряной оболочки;
проблема согласования механических характеристик оболочки и керна в процессе деформации, что вызывает трудно компенсируемый эффект "пережима" ВТСП жил в процессе изготовления многожильных изделий;
неизбежная концентрация примесей по границам кристаллитов в процессе твердофазного синтеза ВТСП изделий.
Указанные недостатки в большей мере отсутствуют в т.н. расплавных технологиях (Melt Cast Processing - МСР), в которых используется метастабильное состояние материала, полученное закалкой расплава. С помощью МСР можно формировать в серебряной оболочке гомогенный металлокерамический керн, представляющий собой изоморфный монолитный объем без каких-либо границ раздела и, следовательно, связанных с ними неоднородностей, а термодинамически активное состояние металлокерамики позволяет управлять структурой и фазовым составом материала, как в исходной заготовке, так и в процессе последующей термообработки.
Из таких заготовок, используя различные способы деформирования, в дальнейшем можно комплектовать "сборки" для получения многожильных токонесущих проводников или изготавливать одножильные провода и ленты; при этом однородность геометрических параметров весьма велика.
При использовании МСР слабо изученной остается задача формирования токонесущей структуры в полученных изделиях. Для ее реализации необходим поиск соответствующих технологических приемов и методов, позволяющих достигать высокий уровень текстуры материала с устойчивыми межкристаллитными связями.
Таким образом, используя исходное метастабильное состояние ВТСП металлокерамики, существует возможность удовлетворить основные принципиальные требования для обеспечения высоких величин плотности транспортного тока в длинномерных изделиях.
Цель работы.
Разработка технологических методов создания токонесущих структур с высокой плотностью критического тока в объемных и длинномерных 2212 BSCCO многожильных изделиях из исходного метастабильного состояния ВТСП керамики.
Достижение указанной цели потребовало решение следующих задач:
Методами структурного и фазового анализа изучить процессы кристаллизации метастабильного материала и разработать способы управления структурой в процессе последующей кристаллизации.
Изучить влияние допирующих элементов на процессы кристаллизации фазы 2212 и ее транспортные свойства.
Разработать методы получения длинномерных одно- и многожильных ВТСП изделии.
Разработать способы формирования токонесущей структуры в длинномерных одно- и многожильных проводниках.
Исследовать электрофизические характеристики получаемых ВТСП изделий, установить взаимосвязи между основными структурными и сверхпроводящими параметрами и разработать методы их оптимизации.
Научная новизна работы.
Изучены процессы образования сверхпроводящих фаз из метастабильного материала состава Bi2Sr2CaCu2Ox, допированного К, РЬ и SrS04.
Для трех указанных типов лигатуры оптимизированы режимы синтеза соединения 2212 со значениями критической температуры сверхпроводящего перехода на уровне Тс ~90 К.
Методом инжекции расплава в серебряные контейнеры с последующей деформацией заготовок получены исходные длинномерные одно- и многожильные BSCCO/Ag композиты с метастабильным (аморфным) состоянием металлокерамического керна.
Установлены основные структурно-образующие этапы метода медленного охлаждения после частичного плавления. Оптимизированы температурно-временные режимы этапов нагрева, подплава и охлаждения при кристаллизации токонесущих структур в длинномерных 2212 BSCCO изделиях.
Впервые разработан метод изотермической кристаллизации применительно к длинномерным многожильным сверхпроводникам с метастабильным исходным состоянием BSCCO керна.
Практическая значимость работы.
Установлены и оптимизированы режимы изготовления
композиционных 2212 BSCCO/Ag заготовок с метастабильным (аморфным) состоянием металлокерамического керна. Разработаны основные технологические приемы и методы, позволяющие формировать из данных заготовок длинномерные провода и ленты с высокой степенью однородности геометрических параметров сверхплотного аморфного керна по всей длине проводника.
Установлены граничные условия для основных технологических этапов методов медленного охлаждения и изотермической кристаллизации при формировании токонесущих структур в одно- и многожильных 2212 BSCCO/Ag проводах и лентах.
Впервые показана возможность получения методом изотермической кристаллизации токонесущих многожильных 2212 BSCCO проводов и лент со значительным упрощением технологического цикла и снижением температурно-временных параметров. Достигнут уровень критических токов 1-2х105 А/см2 (4,2 К; 0 Тл), 4х103 А/см2 (77 К; 0 Тл).
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:
-
XI Trilateral German/Russian/Ukrainian Seminar on High-Temperature-Superconductivity, Gottingen, Germany, Sep.27-Oct.l, 1998.
-
International Conference on Physics and Chemistry of Molecular and Oxide Superconductors, Stockholm, Sweden, Jul.28-Aug.2,1999.
-
Школа по сверхпроводимости "Курчатовец"-2000, Протвино, Россия, 21-26 мая, 2000.
-
Junior Euromat 2000, Lausanne, Switzerland, Aug.28-Sep.l, 2000.
-
Applied Superconductivity Conference, Virginia Beach, USA, Sep.17-22, 2000.
Публикации.
Материал диссертации опубликован в 6 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 445страницах, включая 8. і таблиц, 39 рисунков и библиографию из 442 наименований.
