Савчук Ярослав Михайлович. Закономірності синтезу та спікання надпровідних матеріалів на основі MgB2 під високим тиском

Короткий опис

Савчук Ярослав Михайлович. Закономірності синтезу та спікання надпровідних матеріалів на основі MgB2 під високим тиском: дис... канд. техн. наук: 05.02.01 / НАН України; Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля. - К., 2004

Савчук Я.М. Закономірності синтезу та спікання надпровідних матеріалів на основі MgB2під високим тиском. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 меріалознавство. Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, Київ, 2004.
Дисертацію присвячено вивчення закономірностей структуроутворення при синтезі і спіканні MgB2під високим тиском, тиском гарячого пресування та атмосферним тиском, дослідженню впливу легування добавками Та або Ті на фазовий склад, надпровідні та механічні властивості матеріалів на основі MgB2. Розроблено спосіб виготовлення високощільного (до 98 %) наноструктурного надпровідного матеріалу з найвищими, у порівнянні з літературними, значеннями густини критичного струму:jc100 кА/см2в полях до 3 Тл, таjc10 кА/см2в полях до 5 Тл.
Вперше встановлено позитивний вплив додавання Та або Ті на jcпри синтезі під високим тиском і показано, що збільшення jcвідбувається за рахунок зв’язування домішкового водню, з утворенням Ta2H, TaH чи TiH2. Показано, що присутність водню веде до погіршення надпровідних властивостей матеріалів на основі MgB2одержаних в умовах високих тисків. Дослідження механічних властивостей показало, що додавання Та веде до майже двократного збільшення тріщиностійкості зразків спечених в умовах високих тисків, при цьому їх твердість практично не змінювалась (при навантаженні 148,9 Н тріщиностійкість зразків до яких додавалось 10% Та досягала 7,6 МПам1/2, твердість 10 ГПа). На основі результатів наноіндентування (визначення нанотвердості та модуля Юнга включень Mg-B (MgB2)) показано, що MgB2можна віднести до класу надтвердих матеріалів. Одержаний в умовах високого тиску матеріал на основі MgB2перспективний для використання в надпровідних пристроях, що працюють на принципі левітації (електромоторах, генераторах, насосах для перекачування рідких газів, магнітних підшипниках, тощо.)

У роботі вирішена актуальна науково-технічна задача, яка полягає у встановлені закономірностей зміни надпровідних та механічних властивостей MgB2в залежності від структури матеріалу, технологічних параметрів синтезу і спікання.
В результаті проведеного комплексу досліджень із вивчення закономірностей структуроутворення у матеріалах на основі MgB2отримані наступні результати:

Розроблено спосіб виготовлення високощільного (до 98 %) наноструктурного надпровідного матеріалу, який передбачає синтез порошкоподібної суміші вихідних компонентів Mg, B та Ti при високих тисках 2 ГПа і температурах 800-900оС зjc100 кА/см2в полях до 3 Тл, таjc10 кА/см2в полях до 5 Тл.
Вперше показано, що зразки, синтезовані під високим тиском з елементів Mg та B або спечені з промислових порошків MgB2в умовах високих тисків, які за даними рентгенофазового аналізу є практично однофазними MgB2з незначною (5-7%) кількістю домішки MgO, виявились багатофазними наноструктурними матеріалами, структуру яких можна визначити, як надпровідну матрицю” Mg-B-O (у якій співвідношення між Mg та B істотно відрізняються від стехіометрії MgB2у бік переважної кількості Mg) з розміщеними в ній (матриці”) дрібнодисперсними надпровідними включеннями Mg-B, що складаються з Mg та B, співвідношення між якими близьке до стехіометрії MgB2. Це, пояснюється тим, що входження невеликої кількості кисню в структуру MgB2істотно не впливає на розміри елементарної комірки.
Встановлено, щоjcзразків на основі MgB2, особливо у магнітних полях, істотно залежить від кількості включень, що вміщують Mg та B (у співвідношенні близькому до MgB2) і, як правило, зростає із збільшенням кількості таких включень у матриці”.
Присутність водню (гідрогену) в процесі синтезу шкідливо впливає на надпровідні властивості дибориду магнію та матеріалів на його основі оскільки, сприяє формуванню шкідливої домішкової фази MgH2.
Додавання гідриду титану TiH2до суміші Mg та B під час синтезу під високим тиском у кількості 10 % спричиняє зменшення приблизно на два порядкиjcчерез те, що розкладаючись, гідрид титану вивільняє велику кількість водню, що перешкоджає формуванню щільної структури при температурах синтезу і призводить до утворення значних пор у матеріалі.
Вперше показано, що додавання чи присутність Ta при одержанні матеріалів на основі MgB2в умовах високих тисків приводить доjcта Hirr. У випадку синтезу під високим тиском додавання 2-10 % Ta до суміші Mg та B приводило до збільшенняjcсинтезованого матеріалу при температурі 20 К у 1,3-1,8 рази при збільшенні напруженості магнітного поля від 0 до 6 Тл, відповідно, та при температурі 10 К у 1,3-3,3 рази при збільшенні магнітного поля від 0 до 10 Тл, відповідно).
Додавання Ti у кількості 10% при синтезі з елементів під високим тиском приводило до збільшенняjcпри температурі 20 К у 1,5- 4,6 рази при збільшенні напруженості магнітного поля від 0 до 7 Тл, відповідно, та при температурі 10 К у 1,4-4 рази при збільшенні магнітного поля від 0 до 10 Тл, відповідно). При цьому поле необоротності зростало на 1-2 Тл.
Встановлено, що вплив добавок Ta або Ti наjcдосягається за рахунок хемосорбції цими елементами водню з формуванням Ta2H, TaH, TiH2та збільшення кількості включень Mg-B (MgB2) і, за рахунок того, що адсорбування водню перешкоджає входженню водню в структуру матеріалу. Більш виражений ефект Ti у порівняні з Ta пояснюється більшою адсорбційною активністю Ti по відношенню до водню.
При підвищенні температури синтезу від 800 до 950оС кількість MgH2в структурі зразків зменшується, але у цей же час зменшується і кількість включень Mg-B, що в цілому приводить до погіршення надпровідних властивостей (jc, Hirr). Для одержання матеріалів з високим рівнем надпровідних властивостей процес синтезу в умовах високих тисків краще проводити при температурах 800-900оС з додаванням добавок-адсорбентів водню Ta або Ti, причому вищаjcв полях до 2 Тл досягається при додаванні 2 % Ti або Ta і температурі синтезу 800 та 900оС, відповідно, а найвищій рівеньjcу полях вищих за 2 Тл при додаванні 10 % Ti або Ta і синтезу при температурі 800оС.
Приналежність включень Mg-B (MgB2), розташованих в матриці” Mg-B-O, до надтвердих матеріалів підтверджується тим, що їх нанотвердість дещо вища за наноотвердість сапфіру, а модулі Юнга є практично однаковими. Так при навантаженні 60 мН нанотвердість включень Mg-B (MgB2) становить 35,6±0,9 ГПа, а сапфіра 31,1±2,0 ГПа, модуль Юнга включень Mg-B (MgB2) становить 385±14 ГПа і сапфіру 416±22 ГПа. У той же час нанотвердісь матриці” Mg-B-O досягає лише 17,4±1,1 ГПа, а модуль Юнга 213±18 ГПа.
Нижчі значенняjcспечених зразків у порівняні зі зразками, синтезованими під високим тиском, обумовлені нерівномірністю розподілу включень Mg-B (MgB2), що наслідують” морфологію зерен вихідних порошків MgB2: більше скупчення включень спостерігається по їх границям. Так густина критичного струму при температурі 10 К виявилась вищою у 2,5 18 разів у полях від 0 до 8 Тл , відповідно, а при 20 К у 2,9 14 разів у полях від 0 до 5 Тл, відповідно, для зразків, синтезованих під високим тиском, у порівнянні зі спеченими.
Густина критичного струму зразків, синтезованих при атмосферному тиску та при тиску гарячого пресування поступаються на порядокjcзразків, синтезованих при високому тиску, що обумовлюється меншою щільністю матеріалу.

13. З метою вивчення ефективності застосування даного матеріалу у роторах надпровідних електромоторів за оптимальних умов шляхом синтезу з елементів (з Mg та B з додаванням 10 % Ті) виготовлено дослідну партію зразків (35 шт.) розміром 30 мм у діаметрі та висотою 10 мм.