сверхпроводящий композиционный материал на основе втсп соединений и способ его получения

Формула изобретения

1. Сверхпроводящий композиционный материал на основе висмутовых ВТСП соединений, содержащий порошок синтезированных висмутовых ВТСП соединений (со структурой 2212, 2223), отличающийся тем, что дополнительно содержит равномерно распределенные в объеме композиционного материала наноразмерные (от 20 до 100 нм) частицы нитрида бора в количестве 0,05-0,5 мас.%.

2. Способ получения сверхпроводящего композиционного материала на основе ВТСП соединений, включающий синтез порошка исходного соединения и наночастиц нитрида бора, отличающийся тем, что равномерное распределение частиц нитрида бора в композите достигается путем ультразвукового перемешивания исходных порошков в замкнутом объеме легкоиспаряющейся безводной жидкости (спирты) при температурах (310-313 K) в течение 10-15 мин и последующей сушки при температурах 363-373 K.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к разработке металлургических способов изготовления объемных ВТСП изделий разнообразной геометрической конфигурации, стержней, пластин, труб и др., а также проводов и лент, содержащих ВТСП, для использования в электротехнических устройствах.

Высокотемпературные сверхпроводящие соединения (ВТСП) обладают относительно высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние (Т_с>100-130 K), заметно превышающей температуру кипения жидкого азота (77 К). Их применение при азотных температурах предполагает существенную выгоду по сравнению с низкотемпературными сверхпроводниками. Однако применение ВТСП задерживается из-за низкого уровня токонесущей способности особенно при повышении внешнего магнитного поля. Связано это с малым количеством в указанных материалах эффективных центров, закрепляющих вихри магнитного потока (центров пиннинга) с размерами порядка длины когерентности (т.е. порядка нескольких десятков нанометров).

Аналогами данного изобретения являются результаты, опубликованные в патенте № 20297551 C1 на способ получения однофазной Bi-ВТСП керамики с высокой плотностью структуры и со значениями критического тока в интервале 0,8-0,15×10³ А/см в нулевом магнитном поле при 77 К. При этом изделия подвергают горячему прессованию при 1203-1253 К в течение длительного времени (1-5 часов) под давлением 0,1-0,5 ГПа, что весьма усложняет технологический процесс и самое главное критическая плотность тока указанных композитов из-за отсутствия эффективных центров пиннинга резко понижается при повышении внешнего магнитного поля выше 50-100 эрстед.

Известны многочисленные попытки создания искусственных центров пиннинга в ВТСП соединениях за счет введения разнообразных по химической природе тугоплавких соединений (оксидов, карбидов, нитридов, силицидов и других более сложных соединений (Wey W., Swartz J., Goretta K.C. et al. Effects of nanosize MgO Additions Bulk Bi₂Sr₂CaCu₂O_x Physica C, 1998, V.298, № 3-4, P.279 и Б.П.Михайлов, П.Е.Казин, В.В.Ленников и др. Влияние мелкодисперсных добавок карбида ниобия на структуру и сверхпроводящие свойства керамики (Bi,Pb)₂Sr₂ Ca₂Cu₃O_10+x.Неорганические материалы, 2001, Т.37, № 6, с.753]).

Прототипом является работа (Михайлов Б.П., Руднев И.А., Кадырбаев А.Р. и др. Свойства керамики: (Bi,Pb) ₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+x с нанодобавками тугоплавких нитридов. Неорганические материалы, 2007, № 2, с.1-9]). При этом за счет введения в композит на основе соединения Bi-2223 добавок нитрида циркония достигнуто двукратное повышение плотности критического тока в температурном интервале от 4,2 до 77 К в нулевом магнитном поле. Однако основной недостаток, связанный с резким понижением плотности критического тока при повышении внешнего магнитного поля (уже выше нескольких сотен эрстед), в указанной работе не преодолен.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в получении новых сверхпроводящих композиционных материалов на основе ВТСП соединений с повышенным уровнем токонесущей способности как в нулевом магнитном поле, так и во внешних магнитных полях повышенной напряженности.

Технический результат достигается тем, что сверхпроводящий композиционный материал на основе висмутовых ВТСП соединений, содержащий порошок предварительно синтезированных ВТСП соединений, согласно изобретению дополнительно содержит равномерно распределенные в объеме композиционного материала наноразмерные (20-100 нм) частицы нитрида бора в количестве 0,05-0,5 мас.%.

Способ получения сверхпроводящего композиционного материала на основе висмутовых ВТСП соединений, включающий синтез порошка исходного соединения и наночастиц нитрида бора, согласно изобретению равномерное распределение наноразмерных частиц нитрида бора в композите достигается путем ультразвукового перемешивания исходных порошков в замкнутом объеме безводной легкоиспаряющейся жидкости (спирты) при комнатной температуре и при нагреве до 313 К в течение 10-15 мин и последующей сушки при температуре 363-373 К. Прессование порошка композиционной смеси проводят на воздухе под давлением до 10³ кг/см² в температурном интервале от 293 до 723 К. Спекание изделий различных конфигураций из спрессованной смеси ВТСП - нитрид бора, например, на основе висмутовых ВТСП (2212 и 2223), проводят на воздухе в температурном интервале 1103-1143 К в течение 24-100 часов с последующим охлаждением вместе с печью.

Сущность изобретения заключается в том, что равномерное распределение в сверхпроводящем композиционном материале на основе висмутовых ВТСП соединений Bi₂Sr₂CaCu₂O _8+x (2212) и Bi₂Sr₂Ca₂ Cu₃O_10+x (2223) наноразмерных частиц нитрида бора способствует увеличению количества эффективных центров пиннинга, способствующих увеличению силы пиннинга и закреплению вихрей магнитного потока на указанных частицах. Указанное обстоятельство приводит к многократному (максимально до 4-5 раз) повышению намагниченности и плотности критического тока как в нулевом магнитном поле, так и при возрастании внешнего магнитного поля.

Задача получения объемного ВТСП композита на основе висмутовых ВТСП соединений (2212 и 2223) с повышенным уровнем намагниченности и токонесущих свойств при повышении внешнего магнитного поля решена равномерным распределением в Bi-ВТСП композитах наноразмерных (20-100 нм) частиц нитрида бора при оптимальном содержании от 0,05 до 0,5 мас.%.

На первом этапе проводится синтез порошка исходного соединения Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x с размером частиц 3-5 мкм, при этом методы синтеза могут быть различными (керамический, нитратный и др.).

На втором этапе для диспергации слипшихся в процессе хранения наночастиц нитрида бора с размерами 20-100 нм и их равномерного распределения по всему объему композиционной керамики использована методика ультразвукового перемешивания. Для этого был использован ультразвуковой диспергатор УЗДН-А с рабочей частотой 22 кГц. Подготовленная навеска (около 3 г) помещалась в замкнутую цилиндрическую емкость объемом 20 см³ с этиловым спиртом, который был выбран с целью защиты перемешиваемых порошков от воздействия водной среды. Сначала емкость с порошковой смесью помещалась в прибор и затем в емкость с порошковой смесью опускался ультразвуковой излучатель диспергатора. При этом расстояние от дна емкости до излучателя составляло порядка 1 мм.

После установки заданного времени обработки ультразвуком (было выбрано 10 мин как оптимальное) включался прибор и подбирались необходимые режимы по мощности и частоте диспергирования. В процессе диспергации и перемешивания объем жидкости со смесью порошков нагревался до температуры в интервале 310-313 К. После завершения ультразвуковой обработки происходило осаждение порошковой смеси из жидкости на дно емкости. После полного осветления жидкости ее отсасывали при помощи пипетки, а осадок в виде порошка высушивался при нагреве до 363-373 К.

На третьем этапе проводится прессование смеси порошка на воздухе в таблетки либо другие изделия (трубки, стержни, пластины) под давлением до 10 кг/см в температурном интервале от 293 до 400 К.

На четвертом этапе для спекания порошков композиционной смеси проводится термообработка на воздухе при температурах от 1103 до 1143 К в течение от 24 до 100 часов с последующим охлаждением вместе с печью.

Результаты влияния концентрации нитрида бора на величину относительного увеличения плотности критического тока композита Bi-2212 - BN в различных магнитных полях в интервале 0-12 Тл и соответственно при различных температурах 4,2; 20,0; 40,0 и 60,0 К представлены в таблице.

При температуре 4,2 К наибольшее повышение критического тока (в 1,6 раза) наблюдается в концентрационном интервале 0,1-0,2 мас.% BN при напряженности магнитного поля 12 T. В нулевом поле и в поле 5 Тл также наблюдается повышение критического тока, однако это повышение существенно ниже (в 1,5 раза).

При температуре 20 К в том же концентрационном интервале в магнитном поле 4-5 T повышение критического тока наблюдается в 2,5-3 раза. В полях 0-2.0 T повышение варьируется от 1,5 до 1,7 раз.

Наибольшее повышение критического тока в ВТСП композите с добавкой 0,2 мас.% наноразмерного нитрида бора (до 4,9 раз) достигнуто в температурном интервале 40-60 К.

Изменение длительности ультразвуковой диспергации и перемешивания порошковой смеси в интервале от 10 до 15 мин не приводит к заметному изменению токонесущих характеристик ВТСП композитов.

№	Содержание нитрида бора, мас.%	Температура, К	Напряженность магнитного поля, Тл	Относительное увеличение плотности критического тока по сравнению с образцом без добавки
1	-	4,2	0	1,0
2	0,1	4,2	5	1,42
3	0,1	4,2	12	1,6
4	0,2	4,2	12	1,58
5	0,1	20	0	1,48
6	0,2	20	0	1,46
7	0,1	20	1	1,58
8	0,2	20	1	1,6
9	0,05	20	2	1,20
10	0,1	20	2	1,75
II	0,2	20	2	1,8
12	0,05	40	0	1,2
13	0,1	40	0	2,5
14	0,2	40	0	2,0
15	0,05	40	0,2	1,9
16	0,1	40	0,2	3,0
17	0,2	40	0,2	2,9
18	0,05	40	0,5	2,1
19	0,1	40	0,5	3,3
20	0,2	40	0,5	3,6
21	0,05	40	1,0	2,8
22	0,1	40	1,0	3,9
23	0,2	40	1,0	4,9
24	0,1	60	0	2,6
25	0,2	60	0	2,48
26	0,05	60	0,1	2,7
27	0,1	60	0,1	3,9
28	0,2	60	0,1	3,0
29	0,05	60	0,3	2,8
30	0,1	60	0,3	3,8
31	0,2	60	0,3	3,1