Способ получения сверхпроводящего оксидного материала на основе иттрий-бариевого купрата

 

Использование: в радиоэлектронной технике и энергетике при изготовлении керамических сверхпроводников. Сущность изобретения: способ включает смешивание оксидов иттрия и меди и карбоната бария с кремнийсодержащим компонентом, синтез на воздухе при температуре 900^oC в течение 10 ч, охлаждение, измельчение, формование и спекание в атмосфере воздуха. Способ отличается тем, что в качестве кремнийсодержащего компонента используют оксид кремния (SiO₂) из расчета получения состава Y₁Ba₂Cu_3-xSi_xO₇, где x = 0,01,-0,050, а спекание проводят в интервале температур 930-990^oC в течение 5-20 ч. 1 табл.

Изобретение относится к способам получения высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) оксидного материала на основе соединений иттрий-бариевого купрата состава YBa₂Cu₃O₇ и может быть использовано в радиоэлектронной технике и энергетике при изготовлении объемных керамических образцов (изделий), обладающих высокими значениями температуры перехода материала в сверхпроводящее (СП) состояние.

Наибольшее число публикаций по ВТСП-керамическим материалам связано с получением и изучением соединения иттрий-бариевого купрата YBa₂Cu₃O₇ (фазы "123"), хорошо воспроизводимого простыми доступными методами. Использование различных технологических приемов при получении материала: введение модифицирующих добавок (либо сверх стехиометрии, либо частично или полностью замещающих один или более элементов соединения), проведение процесса термообработок материала с использованием атмосферообразователей (в основном кислородсодержащих), изменение температуры, времени, скорости нагрева/охлаждения при обжиге материала и др. позволяет управлять параметрами конечного продукта. Для применения ВТСП-материалов в устройствах будущего необходимы простые методы изготовления, позволяющие получать материалы с наиболее стабильными при нормальных условиях свойствами. Применение специальных атмосферообразователей в процессе синтеза/спекания материала не позволяет, как правило, значительно улучшить свойства материала и в то же время существенно затрудняет технологический процесс и контролируемость свойств конечного продукта при нормальных условиях в связи с повышенной тенденцией к деградации таких материалов.

Известен способ получения сверхпроводящего оксидного материала на основе иттрий-бариевого купрата, включающий смешивание исходных компонентов Y₂O₃, BaCO₃, CuO с модифицирующей добавкой, частично замещающей один из элементов в соединении "123" (всего опробовано 52 различных модификатора: Pb, Al, W, Ca, In, F и др.), синтез смеси при температуре 900^oС в течение 6 ч, измельчение, формование и спекание при 970^oС в течение 20 ч (синтез и спекание на воздухе) /2/. На полученных таким образом 163-х композициях повышения температуры перехода материала в сверхпроводящее состояние по отношению к таковой в "123" обнаружено не было.

В известных способах получения сверхпроводящих оксидных материалов, отвечающих формуле YBa₂Cu_3-xM_xO_7-y, где M=Ti, Ag, включающих твердофазный синтез на воздухе смеси компонентов оксидных соединений элементов,составляющих материал, при температуре 930^oС в течение 3-10 ч, охлаждение, формование и повторное спекание на воздухе при 930^oС в течение 10 ч /3,4/, показано, что лишь очень небольшие количества добавки (x=10^-3, т.е. порядка 0,1 ат.) приводят к небольшому увеличению температуры перехода материала в сверхпроводящее состояние (Т_C), однако переход при этом сильно размыт: ΔΤ_с 35 К в случае М=Ti /2/ и ΔΤ_с 4 К при М=Ag /3/. Температуры конца перехода в сверхпроводящее состояние (нулевого сопротивления) соответственно составляют T_Co 87,1 К при M=Ti и T_Co=90 К при M=Ag. При увеличении количества замещающего элемента свыше 0,1 ат. температура перехода материала в сверхпроводящее состояние резко уменьшается.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения сверхпроводящего оксидного материала на основе иттрий-бариевого купрата, включающий смешивание оксидов иттрия и меди и карбоната бария (Y₂O₃, CuO, BaCO₃) в соответствии с формулой соединения YBa₂Cu₃O₇ ("123"), введение сверх стехиометрии 0,05-3,00% кремния (Si) в качестве модификатора, синтез смеси при температуре 900^oС в течение 10ч, охлаждение, измельчение, формование и спекание при 950^oС в течение 10 ч /5/. Материал с оптимальными свойствами при использовании указанного способа имеет температуру начала перехода в сверхпроводящее состояние Т_Cн 93,6 К и Т_Co 90,4 К (ширина перехода ΔΤ_c 3,2 К).

Цель изобретения повышение температуры перехода материала в сверхпроводящее состояние при уменьшении его ширины ΔT_c, получение образцов материала с высокой удельной плотностью, выявление оптимальных условий получения (без использования специальных атмосферообразователей) материала с высокими значениями плотности критического тока.

Цель достигается тем, что в способе получения сверхпроводящего оксидного материала на основе иттрий-бариевого купрата, включающем смешивание оксидов иттрия и меди и карбоната бария (Y₂O₃, CuO и BaCO₃) с кремнийсодержащим компонентом, синтез на воздухе при 900^oС в течение 10 ч, охлаждение, измельчение, формование и спекание в атмосфере воздуха, в качестве кремнийсодержащего компонента используют оксид кремния (SiO₂), входящий в материал в соответствии с формулой YBa₂Cu_3-xSi_xO₇, где x 0,010-0,050, и спекание проводят в интервале температур 930-990^oС в течение 5-20 ч.

Пример 1. Из расчета получения конечного состава материала YBa₂Cu_2,975Si_0,025O₇, исходные компоненты, г: Y₂O₃ 0,941 BaCO₃ 3,289 CuO 91,939 и SiO₂ 0,038 г марки не ниже "чда" смешивают в агатовой ступке в среде этилового спирта в течение 6ч. Полученный порошок обжигают (синтез) в алундовом тигле при температуре 900^oС в течение 10 ч, далее охлаждают, снова растирают в агатовой ступке в среде этилового спирта, сушат, формуют в таблетки диаметром 20 мм и спекают в платиновом тигле при 960^oС в течение 20 ч.

В таблице приведены примеры осуществления способа и характеристики материала, полученного по предлагаемому способу (удельная плотность материала, ρ, г/см³; температура начала перехода материала в сверхпроводящее состояние, Т_Cн, К; температура конца перехода материала в СП-состояние, Т_Co, К; ширина СП-перехода, DT_с, К; плотность критического тока, jкрит. А/см², при 77 К).

Формула изобретения

Способ получения сверхпроводящего оксидного материала на основе иттрий-бариевого купрата, включающий смешивание оксидов иттрия и меди и карбоната бария с кремнийсодержащим компонентом, синтез на воздухе при 900^oС в течение 10 ч, охлаждение, измельчение, формование и спекание в атмосфере воздуха, отличающийся тем, что в качестве кремнийсодержащего компонента используют оксид кремния (SiO₂) из расчета получения состава Y₁Ba₂Cu_3-xSi_xO₇, где x=0,010 - 0,050, а спекание проводят при 930-990^oC в течение 5-20 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1