-  критическая плотность тока (значение силы тока, при котором разрушается сверхпроводящее состояние) Jc =7∙106 А/см2;

Некоторые химические и физические свойства YBCO:

-  молярная масса m=666.19 г/моль;

-  плотность p=6.3 г/см3 ;

-  температура плавления Tпл > 1000оC.

Известно, что физические свойства данного ВТСП могут варьироваться, в зависимости от метода получения образца [4].

Известные образцы YBCO (в дальнейшем для краткости обозначенные как 1:2:3) существуют в пределах значений стехиометрического индекса Х у кислорода, равных 1 и 0. Первому соответствует тетрагональная (непроводящая) фаза, второму орторомбическая (сверхпроводящая) фаза. В обеих фазах атомы меди занимают две неэквивалентные кристаллографические позиции – Cu(1) и Cu(2). Для атомов кислорода насчитывается в сверхпроводящей фазе уже пять таких позиций. Атомы Cu(2), O(2) и O(3) образуют слои из сочлененных вершинами четырёхугольных пирамид с медью, лежащей практически в середине основания. Эти слои связаны между собой апексными атомами кислорода O(4), играющими чрезвычайно важную, если не определяющую роль в процессе ВТСП материалов типа 1:2:3. Из атомов 2O(1), O(4) и Cu(1) сконструированы, как считается обычно, ленты, из которых можно вычленить линейные цепочки. Этому вопросу мы в дальнейшем уделим специальное внимание. Кроме того, элементарная ячейка обеих фаз содержит три блока с атомами бария и иттрия в центре. Структуры обеих фаз показаны на рисунке 1 и 2. Там же обозначены направления осей [5].

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Рисунок 1 – Элементарная ячейка кристалла YBCO в диэлектрической фазе

Рисунок 2 – Элементарная ячейка кристалла YBCO в сверхпроводящей фазе

При охлаждении образцов YBCO состава YBa2Cu3O7-х (x<0.1) ниже температуры 90 К наблюдается резкое уменьшение магнитной восприимчивости и электрического сопротивления до малых величин (рисунок 3), что свидетельствует об их переходе в сверхпроводящее состояние. Изменение магнитной восприимчивости при охлаждении образцов YBa2Cu3O7-х в относительно небольшом магнитном поле свидетельствует о захвате линий магнитного потока (флюксонов), что характерно для сверхпроводника второго рода с пиннингом.

Рисунок 3 – Типичная кривая резкого уменьшения сопротивления для тонких пленок YBa2Cu3O7 [6]

Использование поверхностно-модифицированного YBCO позволяет получать материалы с улучшенными свойствами. Эти молекулярные слоистые материалы синтезируются с использованием циклической вольтамперометрии. До сих пор, слоистые YBCO с алкиламинами, ариламинами и тиолами были произведены с разной стабильности молекулярного слоя. Было предложено, что амины действуют как основания Льюиса и взаимодействуют с атомами Cu поверхностных участков в YBa2Cu3O7 с образованием стабильных координационных связей [7].

1.2 Свойства и структура Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x

Еще одним видом часто используемым ВТСП являются сложные оксиды висмут-стронций-кальций-меди, или сокращенно BSCCO, принадлежащие к семейству высокотемпературных сверхпроводников, имеющих обобщенную химическую формулу Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+x (чаще всего рассматриваются соединения с n=1, n=2 и n=3). ВТСП этих составов были обнаружены как общий класс в 1988 году и BSCCO был первый высокотемпературный сверхпроводник, который не содержит редкоземельных элементов.

Конкретные виды BSCCO обычно обозначаются с помощью последовательности чисел металлических ионов. Таким образом, Bi-2201– это n=1 соединение (Bi2Sr2CuO6+x), Bi-2212 – n=2 соединения (Bi2Sr2CaCu2O8+x) и Bi-2223 – n=3 соединения (Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x) [8].

Хотя BSCCO состава Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x превосходит по своим характеристикам YBCO, его использование менее предпочтительно из-за сложностей в производстве.

Кристаллографической ячейка Bi-2212 (Рисунок 4), состоящего из двух повторяющихся единиц компенсируется. Остальные члены BSCCO семьи имеют очень похожие структуры: 2201 имеет один меньше CuO2 в его верхней и нижней части и без слоя Ca, в то время как 2223 имеет дополнительный CuO2 и слой Ca в каждой половине.

Один из важных параметров, характеризующих сверхпроводник – величина критического тока Iс. Очень важное влияние оказывают на этот параметр микроструктура образца и сила пиннинга магнитных вихрей. Эффективными центрами пиннинга могут быть включения несверхпроводящих фаз в сверхпроводящую матрицу.

Для фазы Bi2Sr2Ca2Cu2O8+x (Bi-2212) отмечалось увеличение критического тока при добавлении окиси магния, сульфата стронция и цирконата стронция. Если в большинстве случаев возрастание Ic связывают с увеличением силы пиннинга, то при допировании сульфатом стронция наблюдаемые изменения связывают с улучшением микроструктуры образца [9].

C:\Users\Vlad\Desktop\Bi2212_Unit_Cell.png

Рисунок 4 –­­ ­ Структура кристаллографической ячейки BSCCO-2212 [8]

Сверхпроводники соединения в системе Bi-(Pb)-Sr-Ca-Cu-O – Bi2Sr2CaCu2O8+5 и Bi(Pb)2Sr2Ca2Cu3O10+5 , далее также обозначаемые как Bi-2212 и Bi-2223 соответственно, являются особенно перспективными для создания длинномерных сверхпроводниковых изделий – лент, проводов, стержней. Это связано с образованием ими сильно анизотропных пластинчатых кристаллитов, что обуславливает легкость текстурирования керамики и снижает ее хрупкость. Вместе с тем, анизотропия кристаллической решетки приводит к сильной электромагнитной анизотропии, что в практическом плане выражается в низкой энергии пиннинга магнитных вихрей и, соответственно, в резком падении плотности критического тока при повышении температуры и магнитного поля. Поэтому увеличение эффективности пиннинга в подобных материалах путем введения инородных включений в матрицу сверхпроводника представляется весьма актуальным [10].

На основе BSCCO изготавливают проводящие плёнки, ленты и, непосредственно, керамические сверхпроводники. Для изготовления толстых пленок Bi-2212 на подложках из MgO и Ag используются:

-  технологии получения из расплава (melt-processing);

-  электрофоретическое осаждение;

-  контроль толщины пленки с помощью лезвия (doctor-blade process);

-  пропускание серебряной фольги через смесь порошков, которая прилипает к фольге (dip-coated films);

-  осаждение раствора металлоорганических соединений Bi, Sr, Ca и Cu на серебряную фольгу (organic precursor films) с последующим пиролизом.

Наконец создаются новые композитные ленты и провода, использующие оптимальную геометрию и расположение компонент или преимущества сверхпроводящих и керамических материалов [11]:

-  технология получения лент с помощью прямоугольной трубки (Tape-In-Rectangular-Tube - TIRT) для получения сверхпроводящих волокон с осями с, ориентированными в направлении, отличном от перпендикулярного к лицевой поверхности ленты;

-  получение круглых проводов Bi-2212/Ag методом скручивания и формирования (Stranded-And-Formed-Method - SAFM), состоящем в первоначальном образовании сегментов, включающих пучки жил, с последующим скручиванием, волочением и формированием конечной проволоки с круглым сечением, что позволяет увеличить сопротивление изгибу и получить более высокие значения критической плотности тока Jc;

-  метод обертывания (wrapping method) лент BSCCO/Ag вокруг сердечника для понижения потерь транспортного тока;

-  получение проводов Bi-2212/Ag с помощью лент, расположенных в общей трубке в соответствии с симметрией вращения (ROtation-Symmetric Arranged Tape-in-tube wire - ROSATwire), что позволяет использовать только волочение или экструзию без прокатки, в силу полной симметрии распределения волокон ленточной формы;

-  изготовление одно - и многожильных композитных лент Bi-2223/Ag с оксидными барьерными слоями между волокнами для уменьшения электромагнитных потерь;

-  разработка многожильных лент с центральной частью, содержащей волокна Bi-2223, которые обеспечивают проведение транспортных токов, и окруженной барьерным керамическим слоем и тонкой пленкой YBCO для экранирования внешнего магнитного поля, а также защиты волокон Bi-2223.

BSCCO провода, как правило, выполнены в виде лент. Лишь недавно их стали выполнять в виде проводов с круглым поперечным сечением. Ленты анизотропны и имеют высокие значения критического тока, когда магнитное поле прикладывается параллельно к ленте и низкие, когда поле перпендикулярно.[ HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTORS FOR HIGH FIELD SUPERCONDUCTING MAGNETS / E. Barzi1, L. Del Frate1, D. Turrioni1, R. Johnson2, and M. Kuchnir2 ; 1Fermi National Accelerator Laboratory; Batavia, Illinois, 60510, USA 2Muons, Inc. Batavia, Illinois, 60510, USA ]

Поперечное сечение ленты BSCCO-2223, содержащей 55 нитей BSCCO-2223, встроеных в металлической матрице сплава серебра и полос из нержавеющей стали (37 мкм) сверху и снизу ленты[ HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTORS FOR HIGH FIELD SUPERCONDUCTING MAGNETS / E. Barzi1, L. Del Frate1, D. Turrioni1, R. Johnson2, and M. Kuchnir2 ; 1Fermi National Accelerator Laboratory; Batavia, Illinois, 60510, USA 2Muons, Inc. Batavia, Illinois, 60510, USA ].

Сегодня ВТСП провода 1-го поколения представлены, в основном, плоскими лентами на основе фазы Bi-2223 (в первую очередь, ленты производства фирмы «Sumitomo Electric Industries» под названием DI-BSCCO) и круглыми проводами на основе Bi-2212 фирмы «Oxford Superconducting Technology».

О уровне развития технологии фирмы «Sumitomo Electric Industries» можно судить по опубликованному недавно в обзору в журнале Japan Journal of Applied Physics [12]. Из данных приведенных на рисунке 5 видно, что качество ВТСП провода японского производства постоянно улучшается, и ток достигает в наилучших образцах уже величин более 240 А (77 К в собственном поле). При типичном сечении провода 4.3x0.22 мм2 инженерная плотность тока составляет около 25 кА/см2. Если учесть, что ВТСП жилы занимают в проводе первого поколения не более трети сечения, значение критической плотности тока в таком сверхпроводнике приближается к 100 кА/см2. Это очень хороший результат, но в «Sumitomo Electric Industries» считают, что улучшение равномерности свойств провода при существующем уровне разориентации зерен и примесных фаз может повысить критический ток до 300 А, а уменьшение средней разориентации кристаллитов в перспективе приведет даже к достижению уровня 1 кА на сечение провода.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4