ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Практикум включает работы по синтезу ВТСП материалов, получению тонких и толстых пленок, объемных колец-фрагментов магнитного экрана. Таким образом осуществляется практическое знакомство с основными ВТСП технологиями. В работе используются перспективные методы: золь-гель метод синтеза, расплавный м-MTG-метод получения объемных образцов, магнетронный метод получения тонких пленок.

Предложены работы по исследованию свойств ВТСП материалов и изделий: определение содержания сверхпроводящей фазы в порошке, дисперсности состава порошка, определение с помощью разных методов критического тока в сверхпроводниковых элементах, исследование экранирующих свойств различных ВТСП экранов. В работах используются основные ВТСП материалы Y-123 и Bi-2212. Как уже отмечалось выше, качество и критические параметры ВТСП материалов и изделий в основном определяются технологией их получения. Это обстоятельство определило то внимание, которое уделяется практическим работам по получению ВТСП материалов и изделий.

Синтез ВТСП материалов

Целью работы является изучение методов синтеза ВТСП материалов, получение ВТСП с помощью керамического и золь-гель метода, исследование свойств полученных материалов.

Общие сведения

Для получения высокотемпературных сверхпроводников используют различные методы синтеза. До сих пор чаще всего применяется керамическая технология, включающая смешение исходных порошков (оксидов и карбидов всех металлических компонентов; реже их пероксидов, гидроксидов, нитратов и т.д.), их термическую обработку, помол, формование и спекание. Последние три стадии могут повторяться для повышения параметров ВТСП. Содержание компонентов в смеси определяется стехиометрическими коэффициентами ВТСП материала, числом ионов металла в молекулах исходных компонентов и их молярной массой. Наиболее ответственной операцией, с точки зрения однородного распределения фаз по объему материала, используют мокрый помол с применением воды, изопропилового или метилового спирта. Это позволяет увеличить подвижность частиц друг относительно друга и уменьшить прочность контактов между ними.

Основным этапом синтеза является обжиг исходных реагентов в соответствующих условиях, при которых происходит реакция образования фаз типа:

xMe1+yMe20_е+…+zMe30_n→Me1_xMe2_y… Me30_m, (4.1)

где Me1, Me2, Me3 – К, Ba, Ln, Y, Bi, Sr и другие керамикообразующие катионы;

x,y,z – стехиометрические коэффициенты.

Температура обжига выбирается согласно правилу Таммана – более 2/3 Т_пл одного из компонентов (обычно самого легкоплавкого). Керамический метод прост, технологичен и практически не имеет ограничений. Однако методу присущи недостатки термодинамического и кинетического характера, являющиеся причинами низкой воспроизводимости эксплуатационных свойств ВТСП материалов.

Первые связаны со значительными различиями термодинамических свойств индивидуальных окислов и солей, вторые – с неизбежностью промежуточных фаз, сегрегацией компонентов, наличием реакционной поверхности раздела.

Более перспективными являются химические методы гомогенизации, в которых исходные солевые компоненты растворяют в воде или другом подходящем растворителе, а затем продукт выделяют из раствора тем или иным способом. Это позволяет избежать некоторых недостатков, присущих керамической технологии, например, устраняет необходимость использования перемешивающих или мелющих устройств.

К таким методам относятся золь-гель методы. Сущность их заключается в том, что первоначально приготовленные истинные растворы керамикообразующих катионов переводят в золи или гели, удаляют растворитель и подвергают сухую массу термообработке. В качестве исходных веществ используют нитраты, ацетаты, алкоксиды, цитраты и т.д. Основным недостатком этих методов является применение углеродосодержащего сырья и малых концентраций исходных растворов, что снижает производительность процесса и создает проблемы, связанные с образованием термостабильных карбонатов щелочно-земельных элементов.

Одними из основных характеристик синтезированных ВТСП порошков являются: гранулометрический состав и содержание сверхпроводящей фазы.

Для определения размеров зерен существует много способов, в том числе метод ситового анализа (при размерах зерен больше 40 мкм), оптическая микроскопия (0,5-500 мкм), электронная микроскопия (0,001-10 мкм), осаждение (0,5-500 мкм).

Методы синтеза ВТСП порошков позволяют получить частицы со средним размером 0,5-10 мкм. Исходя из этих значении можно выбрать метод определения размеров зерен; это метод оптической микроскопии. Используя микроскоп и окулярный микрометр можно оценить гранулометрический состав порошка. Упрощенный метод оценки содержания сверхпроводящей фазы ВТСП заключается в использовании эффекта Мейсснера. В криостат под поверхностью жидкого азота помещается образец ВТСП (порошок или прессовка). Образец подвешен к динамометру или коромыслу весов, которые показывают вес образца. После фиксации веса включают магнитное поле и вес образца уменьшается вследствие выталкивания сверхпроводящей фазы из магнитного поля. Весы предварительно градуируют с помощью эталонных образцов с известным содержанием сверхпроводящей фазы.

Задания

1).Синтезируйте 2 грамма ВТСП соединения YBa₂Cu₃O₇ керамическим методом.

1.1. Рассчитайте, взвесьте и смешайте шихту для синтеза (Y₂O₃, BaO₂, CuO).

1.2. Гомогенизируйте шихту в агатовой ступке, спрессуйте с помощью гидравлического пресса (Р=3 ГПа).

1.3. Обожгите прессовку в электропечи (850°С – 24 ч , 950°C – 2 ч).

1.4. Измельчите и перетрите образец в ступке.

1.5. Оцените гранулометрический состав порошка ВТСП с помощью метода оптической микроскопии.

1.6. Оцените содержание сверхпроводящей фазы.

2). Синтезируйте 2 грамма ВТСП соединения YBa₂Cu₃O₇ методом золь-гель.

2.1. Рассчитайте, взвесьте и растворите в дистиллированной воде исходные компоненты: Y(No₃)₃, Cu(CH₃Co₃)₂, Ba(OH)₂.

2.2. Слейте вместе первые два раствора и медленно прилейте смесь к третьему раствору.

2.3. Осажденный гель подвергните сублимационной сушке.