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_x Me2_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.

2.4. Обожгите полученный порошок (850ºС – 24 ч; 950ºС – 2 ч).

3). Составьте отчет, содержащий расчеты составов шихты, оценку гранулометрических составов, оценку содержания сверхпроводящей фазы.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте свойства основных материалов ВТСП.

2. Охарактеризуйте разные методы синтеза ВТСП.

3. Объясните понятие золь, гель.

4. Как определить содержание сверхпроводящей фазы ВТСП?

5. Каковы методы определения гранулометрических составов порошков?

6. Опишите химические реакции синтеза Y-123.

7. Опишите химические реакции синтеза Bi-2212.

8. Охарактеризовать инконгруэнтное плавление ВТСП.

9. Назовите и охарактеризуйте технологические факторы в процессе керамического синтеза ВТСП.

Литература

1. Химия

2. Поляков А.А. Технология керамических радиоэлектронных материалов.- М.: Радио и связь, 1989-2000 г.г.