Способ изготовления керамической подложки для втсп-покрытий

 

Изобретение относится к отрасли криоэлектроники и может быть использовано при изготовлении пленочных элементов, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП). Способ изготовления керамической подложки включает прессование исходного керамического порошка, спекание, после которого в рабочую поверхность подложки втирается тугоплавкий порошок в смеси с легирующей добавкой. Температура плавления затирочного состава превышает температуру вжигания покрытия. На стадии вжигания покрытия поры не изменяют химический состав ВТСП-фазы, а легирующие добавки благотворно влияют на формирование этой фазы. Техническим результатом изобретения является повышение качества ВТСП-элементов, их критических параметров. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к криоэлектронике и может быть использовано при изготовлении пленочных элементов, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП).

Известны способы изготовления подложек для ВТСП-покрытий из монокристаллов, заключающиеся в расплавлении материала с последующей ориентированной кристаллизацией [1] . Такие подгонки имеют ограниченные размеры и преимущественно плоскую форму, что в большинстве практических задач неприемлемо.

Известен керамический способ изготовления подложек для ВТСП-покрытий, включающий прессование порошка исходных окислов с последующим спеканием [2].

Подгонки, полученные таким способом, могут иметь большие размеры и сложную форму, однако для некоторых материалов характерно наличие каналообразующих пор, проникающих под поверхность в глубь подложки. B процессе вжигания ВТСП-покрытий при нагреве часто происходит распад ВТСП-фазы с образованием другой фазы (несверхпроводящей) и жидкости (расплава). При охлаждении проходит обратная реакция и исходная ВТСП-фаза восстанавливается [3,7]. Однако если подложка имеет капилляры и жидкость смачивает подложку, то часть жидкости под действием капиллярных сил увлекается в глубь подложки, химический состав материала покрытия вблизи поверхности подложки изменяется. При охлаждении в этом объеме сверхпроводящая фаза не образуется. Эффективная толщина сверхпроводящего слоя будет зависеть от объема втянутой жидкости, т.е. от степени пористости подложки. Параметры ВТСП-элемента ухудшаются и сверхпроводимость может быть подавлена полностью.

Техническим результатом изобретения является повышение качества пленочных ВТСП-элементов, их критических параметров путем ликвидации каналообразующих пор на рабочей поверхности подложки и ее легирования.

Технический результат достигается тем, что после обжига перед нанесением пасты в рабочую поверхность подгонки механическим способом втирается тугоплавкий порошок с легирующей компонентой, который заполняет поверхностные поры. На стадии вжигания легирующая примесь попадает в материал приконтактного слоя пленки-подложки и его состояние будет восстановлено. Эффективная толщина покрытия не уменьшается, параметры ВТСП-элемента (критический ток, критическая температура) увеличатся.

Сопоставительный анализ заявленного технического решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается тем, что после обжига перед нанесением пасты в рабочую поверхность подложки механически втирается тугоплавкий (температура плавления больше, чем температура при вжигании) материал с добавлением легирующей примеси, который закупоривает каналообразующие поры поверхности подложки, что в данной совокупности признаков в известном техническом решении отсутствует, обуславливая тем самым новизну технического решения.

Известны технические решения, в которых поверхность подложки уплотняют путем пропитки жидким или расплавленным материалом, органикой или стеклом [4] . Это предполагает последующее на стадии вжигания выгорание органики или контакт ВТСП-фазы с материалом стекла, что приведет к деградации ВТСП-фазы [5].

Известны технические решения, в которых материал подложки легируется введением в исходный состав примеси [6], которая легирует весь материал подложки по толщине. Таким образом, совокупность существенных признаков, состоящая из механического втирания в поверхность подложки уплотняющего тугоплавкого материала с добавкой легирующей примеси в совокупности с ограничительными признаками, позволяет обнаружить у предложенного способа иные в отличие от известных свойства, к числу которых можно отнести: - возможность использования поверхностного легирования подложки, в отличие от объемного, менее экономного; - возможность легирования уже готовой подложки или изменения легирующего материала; - возможность легировать покрытие из уплотняющего материала.

Таким образом, иные в отличие от известных технических решений свойства, присущие предложенному способу, доказывают наличие существенных отличий, направленных на достижение технического результата.

На фиг. 1 представлена подложка с каналообразующими порами (а) и покрытием, часть материала которого находится в порах (в). На фиг.2 представлена подложка после уплотнения поверхностного слоя механическим втиранием тугоплавкого материала (а) и после нанесения на нее покрытия (в).

Предлагаемый способ изготовления керамической подложки для ВТСП-покрытий реализован следующим образом.

Пример 1. Порошок Y₂ВаСuО₅ смешивали с 3% органического связующего, прессовали с помощью ручного гидравлического пресса с усилием 2 т в форме таблеток (D=10 мм, h=2 мм). После прессования заготовки подложек подвергали обжигу в цепи сопротивления с максимальной температурой 1100^oC. После спекания подложки имели каналообразующую пористость порядка 2-4%. Было изготовлено 3 группы образцов. В поверхность образцов 1-ой группы механически втирали мелкодисперсный порошок Y₂BaCuO₅ до заполнения поверхностных пор. В поверхность образцов 2-й группы также втирали порошок Y₂ВаСuО₅ с добавкой 10% AgO₂. Образцы 3-й группы были контрольными. На поверхность всех образцов наносили пасту, содержащую ВТСП-фазу YBa₂Cu₃O₇ и органическую связку, после чего пасту вжигали в цепи сопротивления с максимальной температурой 980^oС. После охлаждения образцы исследовали, измеряли критические параметры. Контрольные образцы не обладали сверхпроводимостью, покрытые представляют собой смесь фаз Y₂BaCuO₅ и YBa₂Cu₃O₇. Образцы 1-ой группы обладали сверхпроводимостью с плотностью критического тока 17 А/см . Образцы второй группы обладали сверхпроводимостью с плотностью критического тока 50 А/см.

Результаты проведенных исследований и анализ литературы [3,7] позволяют сделать следующие выводы. При температуре более 940^oС происходит химическая реакция распада ВТСП-фазы с образованием жидкости (L) и газа YBa₂Cu₃O₇ --> Y₂BaCuO₅ +L+O₂.

В контрольных образцах часть жидкости капиллярными силами была втянута в глубь подложки. При охлаждении происходил обратный химический процесс с образованием ВТСП-фазы. В контрольных образцах этот процесс прошел не до конца. В образцах с уплотненной поверхностью ВТСП-фаза восстановилась в большей степени, а легирующая добавка во второй группе увеличила степень восстановления сверхпроводящей фазы.

Пример 2. В поверхность таблеток (см. пример 1 ) втирали порошок электролитической меди (1-я группа) и этот же порошок с добавкой 3% порошка ZrO (2-я группа). Подложки 3-й группы служили контрольными. На поверхность всех подложек наносили пасту и затем вжигали (см. пример 1). После вжигания контрольные образцы оставляли несверхпроводящими, образцы 1-ой и 2-ой групп обладали сверхпроводимостью с плотностью критического тока 25 и 40 А/см².

Пример 3. Прессованием с последующим спеканием готовили подложки на основе Al₂O₃ аналогично примеру 1. Готовые подложки имели открытые поры. В поверхность подложек 1-ой группы втирали серебро, а в поверхность подложек 2-ой группы - серебро, смешанное с 3% PbO . Подложки 3-й группы оставались контрольными. На все подложки наносили и затем вжигали пасту на основе ВТСП-порошка Bi₂Sr₂CaCu₂O₈. Результаты измерений показали, что контрольные образцы оставались несверхпроводящими, образцы 1-ой и 2-ой групп обладали сверхпроводимостью и плотностью критического тока соответственно 80 и 300 А/см².

Это подтверждает достижение технического результата.

Использование предложенного способа изготовления керамических подложек для ВТСП-покрытий обеспечивает следующие преимущества: - ликвидируется поверхностная каналообразующая пористость как причина ухудшения параметров ВТСП или полного ее подавления; - появляется возможность легирования приконтактного слоя пленки-подложки, что повышает параметры ВТСП-покрытия.

Источники информации 1. Теория и практика выращивания монокристаллов - М.: Металлургия, 1968. - 584 с.

2. Окадзаки К. Технология керамических диэлектриков. - М.: Энергия, 1976. - 336 с.

3. Ли С.Р., Олейников Н.Н., Чудилин Е.А. Проблемы и перспективы развития методов получения ВТСП-материалов из расплавов // Неорг. материалы, т. 29, 1, с.3-17.

4. Любимов Б.В. Защитные покрытия изделий. - М.: Машиностроение, 1969, 216 с.

5. Еремина Е.А. и др. Физико-химические особенности процессов, сопутствующих деградации высокотемпературных сверхпроводников // Журн. Всес. хим. об-ва, 1989, 4, с.528-536.

6. Головаткин А. И. Методы получения пленок и покрытий из высокотемпературных сверхпроводников // Журн. Всес. хим. об-ва, 1989, 4, с. 181-190.

7. Третьяков Ю.Д., Гудилин Е.А. Синтез "левитирующих" ВТСП-материалов // Природа, 1999, 7, с. 14-24.

Формула изобретения

1. Способ изготовления керамической подложки для ВТСП-покрытий, при котором исходный керамический порошок прессуют, затем спекают, отличающийся тем, что после спекания каналообразующие поры на рабочей поверхности подложки механически затирают составом, температура плавления которого больше температуры вжигания покрытия.

2. Способ изготовления керамической подложки для ВТСП-покрытий по п.1, отличающийся тем, что в уплотняющий состав вводят легирующую компоненту, повышающую критические параметры ВТСП-элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2