РОЗДІЛ 2 ОСНОВНІ МЕТОДИ ОДЕРЖАННЯ ВИХІДНИХ МАТЕРІАЛІВ ТА ФОРМУВАННЯ НАДПРОВІДНИХ З'ЄДНАНЬ, ДОСЛІДЖЕННЯ СТРУКТУРНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТА СПОСОБИ ОЦІНКИ МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК
2.1 Виготовлення блоків ПТ-YBCO
Вихідні блоки ПТ-YBCO вирощувались методом плавленого текстурування з попередньо скомпактованого при кімнатній температурі порошку складу Y1,5Ba2Cu3Ox з використанням монокристалу MgО або SmBa2Cu3O7-( (Sm123), що служив затравкою. Максимальна температура до якої нагрівався блок в процесі текстуровання становила 1045 оС. Cлід відмітити, що інконгруентне плавлення ПТ-YBCO відбувається в діапазоні температур 1016-1026 оС (рис. 2.1). Але в процесі плавленого текстурування режими нагріву та охолодження підбираються таким чином, що блок, практично, не змінює вихідної форми. Це є так званий модифікований метод вирощування з текстурованням при плавленні - MTG (Melt-Textured Growth). Плавлене текстурування проводиться в камерній печі з можливістю шестистороннього незалежного нагріву, що дозволяє створювати певний невеликий температурний градієнт. Важливими етапами в процесі вирощування є витримка при температурі порядку 950 оС (в процесі якої відбувається спікання структури Y123), потім швидкий підйом температури трохи вище температури плавлення Y123, приблизно до 1045 оС, півгодинна витримка при цій температурі, швидке охолодження до температури 990 оС і потім дуже повільне охолодження зі швидкістю 0,2-1 К/год (так названа ступінь "текстурування при плавленні") в інтервалі температур 990 - 945 оС.
Рис. 2.1. Результати диференційного термічного аналізу (DTA) та термогравіметрії (TG) механічно подрібненого ПТ-YBCO.
Подальше охолодження до кімнатної температури проводиться з швидкістю 50 К/год. Вирощені ПТ-YBCO блоки, в окремому процесі, насичуються киснем протягом приблизно 10 діб, для придання їм надпровідних властивостей (для перетворення тетрагональної структури Y123 у орторомбічну). Як вже відмічалось, структура ПТ-YBCO високої якості складається з одного практично монокристалічного, надпровідного домену YBa2Cu3O7-? (Y123). Надпровідний домен містить крім фази Y123, що є матричною, дрібнодисперсні включення ненадпровідної фази Y2BaCuО5 (Y211) (до 30 мас %) (рис. 2.2). Присутність ненадпровідних включень Y211 сприяє істотному збільшенню густини критичного струму в матеріалі, тому що навколо таких включень формується підвищена кількість дефектів (дислокацій і дефектів пакування), розміри яких сумірні з довжиною когерентності і є центрами пинінгу (центрами закріплення) ліній (або вихрів) магнітного потоку в матеріалі.
Отримані блоки ПТ-YBCO кераміки мають високі надпровідні властивості: рівень захопленої магнітної енергії (магнітної індукції, В) у блоках діаметром 35 мм та висотою 18 мм при температурі 77 К становив приблизно 880 мТл; густина критичного струму у матеріалі в нульовому магнітному полі оцінена за допомогою вібраційного магнітометру мала значення 1- 5?104 А/см2, а в полі 2 Тл більш ніж 104 А/см2.
Рис. 2.2. Структура плавленої текстурованої кераміки на основі YBa2Cu3O7-? (ПТ-YBCO).
Вихідні зразки ПТ-YBCO мали наступні механічними властивості: мікротвердість за Віккерсом становила близько 4,89?1,81 ГПа, при навантаженні на індентор 1,96 Н; міцність на згин 20-30 МПа.
Одна партія складалась з 30 блоків ПТ-YBCO (рис. 2.3) циліндричної (діаметром 35 мм та висотою 18 мм) або квадратної форми (40?40?20 мм).
Блоки ПТ-YBCO кераміки розрізалися вздовж осі с Y123 на частини різних розмірів. Товщина розрізу була приблизно 0,5 мм.
Рис. 2.3. Партія блоків ПТ-YBCO кераміки (діаметром 36 мм та висотою 15 мм).
2.2 Підготовка вихідних зразків до процесу пайки, методи виготовлення та нанесення припою, печі та спеціальні пристрої для виготовлення надпровідних з'єднань.
В якості припою використовувався порошкоподібний TmBa2Cu3O7-?, який готували шляхом твердофазного синтезу з оксидів та карбонатів.
На з'єднувані поверхні блоків ПТ-YBCO наносився припій (порошкоподібний TmBa2Cu3O7-? (Tm123), що має температуру інконгруентного плавлення 984 - 986 oC (рис. 2.4)) методом просіювання або осадженням із суспензії в ацетоні. Товщина шару припою становила приблизно 0,5 мм. Тонкий шар, яким наносять матеріал припою робить можливим обережно повертати поверхні, що з'єднуються, під будь-яким кутом в просторі без струшування матеріалу припою, (найбільш ймовірно, що порошкоподібний припій утримується на поверхні ПТ-YBCO завдяки електростатичній взаємодії).
Рис. 2.4. Результати диференційного термічного аналізу (DTA) та термогравіметрії (TG) порошкоподібного Tm123.
Блоки, з нанесеним на з'єднувані поверхні припоєм, ставили один на другий (рис. 2.5) та розміщували в печі для виготовлення з'єднання.
Рис. 2.5. а) Схема порізки блоків ПТ-YBCO; б) схема, що ілюструє підготовку блоків ПТ-YBCO для формування надпровідного з'єднання.
Для одержання надпровідних з'єднань під тиском було розроблено спеціальні пристрої, які дозволяли фіксувати з'єднувані блоки (рис. 2.7- 2.9). Після фіксації зразків пристрій і закріплений у ньому матеріал розміщували у камерній печі. У пристрої показаному на рис. 2.6, у якості матеріалу, що контактував із з'єднуваним зразком, було випробувано спечений AlN, Al2O3, монокристалічний MgO та нержавіючу сталь 08Х13. Найбільш придатним матеріалом виявилась нержавіюча сталь, оскільки вона практично не взаємодіяла з ПТ-YBCO і матеріалом припою при
Рис. 2.6. Пристрій для утримування блоків ПТ-YBCO під час формування з'єднання.
нагріві до температур 1050 оС в атмосфері кисню. Але конструкція пристрою виготовленого з вогнетривкої цегли (рис 2.6) не дозволяла створити належний тиск на з'єднувані частини зразка під час нагріву. У зв'язку з цим було розроблено пристрої показані на рис. 2.7б та 2.8 для фіксації зразків невеликих та великих розмірів, відповідно. Дані пристрої дозволяють створювати належний тиск на з'єднуваний зразок.
Рис. 2.7. Схема, що показує