Способ получения высокотемпературного сверхпроводящего материала

 

Изобретение относится к способу получения слоистых фаз высокого давления состава Sr_1-xZn_xCuO₂ (Zn - Pr, Nd), которые могут быть использованы в энергетике, различных приборах электронной, измерительной и вычислительной техники в качестве высокотемпературного сверхпроводящего материала с T_с ≅ 45 K. Сущность изобретения: предлагаемый способ получения высокотемпературного сверхпроводящего материала на основе сложных оксидов металлов включает смешение исходных компонентов и последующую термобарическую обработку смеси, помещенной в контейнер, стенки которого покрыты слоем изолирующего материала, при этом в качестве исходных компонентов используют куприты соответствующих металлов, а в качестве изолирующего материала используют медную фольгу. Способ позволяет получать высокотемпературный сверхпроводящий материал с температурой перехода в сверхпроводящее состояние T_с ≅ 45 К и содержанием сверхпроводящей фазы ≈ 60%. Причем достигается значительное упрощение и удешевление процесса за счет отсутствия стадии термообработки исходных компонентов и использования медной фольги. Общее время получения материала составляет 30-40 мин.

Изобретение относится к способу получения слоистых фаз высокого давления состава Sr_1-xZn_xCuO₂(Zn-Pr, Nd), которые могут быть использованы в энергетике, различных приборах электронной, измерительной и вычислительной техники в качестве высокотемпературного сверхпроводящего материала с T_с ≅ 45 К.

Известен нитратный способ получения высокотемпературного сверхпроводящего материала состава Sr_1-xZn_xCuO₂ (0 ≅ x ≅ 0,15; Zn Pr, Nd), в котором требуемые количества карбоната стронция SrCO₃ и оксидов CuO и Zn₂O₃ растворяют в концентрированной азотной кислоте. Полученный осадок выпаривают досуха и прокаливают при 600^oC 4 ч, а затем при 925^oC в течение 12-16 ч. Промежуточный продукт помещают в контейнер, внутренние стенки которого изолированы слоем фольги из платины или золота и подвергают термобарический обработке при давлении 25 кбар и температуре 1000^oC в течение 30 мин в аппарате типа "belt". Согласно рентгеновским и магнитным измерениям, полученный образец содержит от 6 до 24% сверхпроводящей фазы с температурой перехода в сверхпроводящее состояние T_с ≅ 40 К [1] К недостаткам способа относятся сложность получения вследствие применения высокоагрессивного химического соединения концентрированной азотной кислоты, необходимой для получения нитратов, используемых в качестве промежуточного продукта, и длительность процесса получения, которая составляет 16,5-20,5 ч. Недостатком способа является также незначительное содержание (6-24%) сверхпроводящей фазы.

Известен также карбонатный способ получения высокотемпературного сверхпроводящего материала состава Sr_1-xZn_xCuO₂ (где Zn - Pr, Nd; 0 ≅ x ≅ 0,15). Рассчитанные количества карбоната стронция SrCO₃ и оксидов CuO и Zn₂O₃ смешивают и прокаливают при температуре 980^oC 48 ч. Промежуточный продукт помещают в контейнер, внутренние стенки которого изолированы слоем фольги из платины или золота, и обрабатывают под давлением 30-60 кбар и температуре 900-1300^oC в течение 5-90 мин. В результате получают сверхпроводящий материала вышеуказанного состава с температурой перехода T_с ≅ 35-40 К и содержанием ВТСП-фазы от 2,5 до 25% [2] Недостатками способа являются его большая длительность (≈ 48-49,5 ч), обусловленная необходимостью предварительного обжига исходных компонентов, и невысокий процесс сверхпроводящей фазы.

Таким образом, перед авторами стояла задача упростить и сократить длительность процесса получения материала состава Sr_1-xZn_xCuO₂ с возможно большим содержанием сверхпроводящей фазы.

Поставленная задача решена в способе получения высокотемпературного сверхпроводящего материала на основе сложных оксидов металлов путем смешения исходных компонентов и последующей термобарической обработки смеси, помещенной в контейнер, стенки которого покрыты изолирующим материалом, при этом в качестве исходных компонентов используют куприты соответствующих металлов, а в качестве изолирующего материала стенок контейнера используют медную фольгу.

В настоящее время из научно-технической и патентной литературы не известен способ получения высокотемпературного сверхпроводящего материала на основе сложных оксидов путем термобарической обработки в контейнере, стенки которого изолированы слоем медной фольги, с использованием в качестве исходных компонентов купритов соответствующих металлов.

При использовании известных нитратной или карбонатной технологий продукт, который подвергают термобарической обработке, представляет собой шихту состава: фаза низкого давления SrCuO₂ (70-80%); двойной перовскит Nd₂SrCu₂O₆, Sr₂CuO₃, Nd₂CuO₄ и CuO. Именно двойной перовскит является основной примесью, препятствующей формированию фазы высокого давления состава Sr_1-xZn_xCuO₂, которая обуславливает сверхпроводящие свойства материала. Использование в предлагаемом способе купритов соответствующих металлов позволяет наряду со значительным сокращением времени проведения процесса получения значительно снизить количество нежелательных примесей, тем самым обеспечивая более высокий процент получения фазы высокого давления. При этом наилучший результат получают при использовании медной фольги, которая в данном случае выполняет роль не только изолирующего материала, но и, по-видимому, принимает активное участие в химической реакции, поглощая кислород и поставляя одновалентную медь.

Предлагаемый способ заключается в следующем. Рассчитанные количества куприта стронция SrCuO₂ и куприта редкоземельного элемента ZnCuO₂, где Zn Nd, Pr, тщательно перемешивают в ступке. Затем эту механическую смесь помещают в пирофиллитовый контейнер с графитовым нагревателем, внутренние стенки которого изолированы слоем медной фольги. Контейнер с образцом помещают в блок-матрицу типа "тороид" и подвергают воздействию высокого давления 35-40 кбар и температуры 700-800^oC в прессе ДО-137А в течение 30-40 мин. Затем образец извлекают из контейнера, освобождают от медной фольги. Образец исследуют с помощью химического и рентгенографического анализов. Объемную долю сверхпроводящей фазы и температуру перехода в ВТСП-состояние определяют с помощью катушки индуктивности, калиброванной на частоте 1 кГц.

Пример 1. Смешивают 0,161 г куприта стронция SrCuO₂, 0,028 г куприта неодима NdCuO₂ и тщательно перетирают в ступке. Полученную смесь обрабатывают под давлением 35 кбар и температуре 700^oC в течение 40 мин в камере высокого давления типа "тороид" (пресс ДО-137А, полезный объем камеры ≈ 24 мм³) с использованием изолирующей прокладки из медной фольги. Согласно рентгеновским и магнитным измерениям, полученный образец представляет собой сверхпроводник состава Sr_0,88Nd_0,12CuO₂ с параметрами решетки a 3,935 , c 3,413 и температурой перехода в сверхпроводящее состояние T_с ≅ 45 К. Доля сверхпроводящей фазы для него составляет C_s 60% Пример 2. Смешивают 0,157 г куприта стронция SrCuO₂, 0,038 г куприта празеодима PrCuO₂. Получают материал аналогично примеру 1, но обрабатывают под давлением 40 кбар и температуре 800^oC в течение 30 мин. Получают сверхпроводник Sr_0,84Pr_0,16CuO₂ с параметрами решетки a 3,926 , c 3,429 и температурой перехода T_с ≅ 43 К. Доля сверхпроводящей фазы C_s 60% Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать материал состава Sr_1-xZn_xCuO₂, где Zn Nd, Pr, 0 ≅ x ≅ 0,16, с содержанием сверхпроводящей фазы ≈ 60% Причем достигается значительное упрощение и удешевление процесса за счет отсутствия стадии термообработки исходных компонентов и использования медной фольги. Общее время получения сокращается до 30-40 мин.

Формула изобретения

Способ получения высокотемпературного сверхпроводящего материала состава Sr_1-xLn_xCuO₂, где Ln Pr, Nd; 0 ≅ x ≅ 0,15, путем смешения исходных компонентов и последующей термобарической обработки смеси, помещенной в контейнер, стенки которого покрыты слоем изолирующего материала, отличающийся тем, что в качестве исходных компонентов используют куприты соответствующих металлов, а в качестве изолирующего материала используют медную фольгу.