Шихта для получения высокотемпературного сверхпроводящего материала



Шихта для получения высокотемпературного сверхпроводящего материала
Шихта для получения высокотемпературного сверхпроводящего материала

 

C04B35 - Формованные керамические изделия, характеризуемые их составом (пористые изделия C04B 38/00; изделия, характеризуемые особой формой, см. в соответствующих классах, например облицовка для разливочных и плавильных ковшей, чаш и т.п. B22D 41/02); керамические составы (содержащие свободный металл, связанный с карбидами, алмазом, оксидами, боридами, нитридами, силицидами, например керметы или другие соединения металлов, например оксинитриды или сульфиды, кроме макроскопических армирующих агентов C22C); обработка порошков неорганических соединений перед производством керамических изделий (химические способы производства порошков неорганических соединений C01)

Владельцы патента RU 2415106:

Учреждение Российской академии наук Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (RU)

Изобретение относится к области получения высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов, применяемых в производстве соленоидов, быстродействующих счетных устройств, оборудования для медицины, а также в технике низких температур. Техническим результатом заявленного решения является получение целевого продукта в системе Y-Ba-Сu-O, содержащего в своем составе переходный металл (Fe; Co; Ni; Mn; Сr или Zn) за счет дефицита меди при одновременном упрощении процесса синтеза ВТСП материала в режиме горения. Указанный технический результат достигается тем, что шихта для получения сверхпроводящего керамического материала содержит порошки оксида иттрия, пероксида бария, меди и оксида переходного металла из ряда, включающего оксид хрома (VI); оксид железа (III); оксид кобальта; оксид марганца (III); оксид никеля (II) или оксид цинка (II), а также в сверхстехиометрическом соотношении - перхлорат натрия или калия при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид иттрия 17,29-17,58, пероксид бария 51,85-52,73, медь 26,27-29,69, перхлорат натрия 2,74-6,67 или перхлорат калия 3,08-7,48, оксид хрома СrО3 1,55-4,59 или оксид кобальта Со3O4 1,23-3,72, или оксид марганца Мn2О3 1,22-3,66, или оксид железа Fе2О3 1,24-3,70, или оксид никеля NiO 1,16-3,47, или оксид цинка ZnO 1,26-3,77. 1 табл.

 

Изобретение относится к области получения высокотемпературных сверхпроводящих материалов, в частности, к шихте для получения сверхпроводящего керамического материала на основе иттрия, содержащего в своем составе, помимо базовых компонентов (Y-Ba-Cu-O), также переходный металл (хром, железо, кобальт, марганец, никель или цинк) за счет дефицита меди и твердый внутриреакционный окислитель (перхлорат натрия или калия) в сверхстехиометрическом соотношении, и может найти применение в производстве ВТСП материалов, соленоидов и быстродействующих счетных устройств, в производстве оборудования для медицины, а также в технике низких температур.

Известна шихта для получения высокотемпературного сверхпроводящего керамического материала (ВТСП) YBa2(Cu0.9А0.1)3О6+y (А=Fe; Co; Ni), содержащая в своем составе следующие соединения: Y2O3, ВаСО3, CuO и оксид соответствующего 3d элемента (Fe2O3, Co3O4; NiO; Mn2O3; ZnO; Cr2O3) за счет дефицита меди. Компоненты шихты были перемешаны между собой до полной гомогенизации, спрессованы в таблетки в соответствующих пропорциях в идентичных условиях. Процесс отжига проводили при Т=950°С в атмосфере кислорода с несколькими промежуточными операциями помола. TC (Cu) незамещенного материала =94.5 К с шириной перехода 1 К. В случае замещения Cu на Fe, Со и Ni имеет место эффект Мейснера при низких температурах: А=Ni - 66.3 К; Со - 21.2 К; Fe - 38.0; Cr - 84.5 К; Mn - 78.9 К; Zn ~ 2 К (Veit M., Langen J., Calffy M., Jostarndt H.D., Erle A., Blumenroder S., Schmidt H., Zirngiebl E., Guntherodt G., Tc suppression in YBa2Cu3O7-y as a function of 3d-element substitution, Physica C, 1988, v.153-155, pp.900-901).

Недостатком указанной шихты является то, что при данном соотношении компонентов требуется длительный отжиг смеси при высоких температурах и, следовательно, большие энергозатраты. Кроме того, в данном случае необходимо проводить процесс в атмосфере кислорода, что связано со сложным аппаратурным обеспечением процесса.

Образцы состава, YBa2(Cu1-хМх)3O7-у (А=Fe; Co; Ni; x=0.005-0.1) были получены после твердофазной реакции Y3O3, ВаСО3, CuO и соответствующего количества Fe2O3, Co3O4, NiO; Mn2O3; ZnO и Cr2O3, введенного в шихту за счет дефицита меди. Порошки соединений, содержащих элементы базовой (Y-Ba-Cu-O) структуры были последовательно перемешаны с порошками, содержащими допирующий элемент в соответствующих соотношениях и затем отжигались при Т=950°С на воздухе. Эта процедура была повторена четырежды для обеспечения гомогенности. После четвертого помола порошки были спрессованы в таблетки и отожжены при 950°С в токе кислорода в течение 12 часов и медленно охлаждены до комнатной температуры в течение 5 часов (Xiao G., Streitz F.H., Gavrin A., Du Y.W., Chien C.L, Effect of transition-metal elements on the superconductivity of Y-Ba-Cu-O, Physical Review B, 1987, v.35, N16, pp.8782-8784).

Недостатком указанной шихты является необходимость проведения длительного и многостадийного ее отжига при высоких температурах для получения целевого продукта, что связано со значительными энергозатратами.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является шихта для получения высокотемпературного сверхпроводящего материала, содержащая в своем составе порошки оксида иттрия Y3O3 (17.84-23.42% мас.), пероксида бария BaO2 (21.07-48.16% мас.), меди Cu (30.13-39.54% мас.), а также перхлорат или надпероксид натрия (3.87-20.57% масс.). Перхлорат (NaClO4) или надпероксид (NaO2) натрия в систему вводили в качестве твердых внутри реакционных окислителей. После проведения операции смешения исходных компонентов в планетарной мельнице с использованием халцедоновых емкостей и шаров (в соотношении 1:1), полученную гомогенизированную смесь помещали в кварцевую лодочку в насыпной плотности. В дальнейшем в системе инициировали реакцию горения с помощью кратковременной подачи напряжения на нихромовую спираль. Механизм протекания реакции горения (СВС) при использовании перхлората или надпероксида натрия различен. В случае использования надпероксида натрия, он является не только внутри реакционным источником кислорода, но и источником натрия в продукте СВС - высокотемпературном сверхпроводнике. Na2O - продукт разложения надпероксида вступает в реакцию с другими компонентами шихты - Y2O3, BaO2, Cu с образованием натрий замещенного ВТСП в системе YBaNaCuO. При использовании перхлората натрия (NaClO4), он является исключительно только поставщиком внутри реакционного кислорода в реакции СВС, а продукт его разложения - хлорид натрия (NaCl) частично возгоняется в процессе горения и не вступает в реакцию с другими компонентами шихты. При использовании перхлората натрия после СВС в системе образуется незамещенный ВТСП материал в системе YBaCuO, а хлорид натрия является примесной фазой в брутто объеме образца и легко удаляется с помощью дистиллированной воды или различных органических растворителей (Кузнецов М.В., Морозов Ю.Г., Нерсесян М.Д. Шихта для получения сверхпроводящего керамического материала. Патент России №2064911, кл. С04В 35/00, БИ №22 от 10.08.96 г.).

Недостатком указанной шихты является то, что при указанном соотношении компонентов и химическом составе не представляется возможным осуществлять синтез ВТСП материалов, содержащих в своем составе переходные металлы.

Задачей изобретения является получение целевого продукта в системе Y-Ba-Cu-O, содержащего в своем составе переходный металл (Fe; Co; Ni; Mn; Cr или Zn) за счет дефицита меди при одновременном упрощении процесса синтеза ВТСП материала в режиме горения.

Поставленная цель достигается тем, что в шихте для получения сверхпроводящего керамического материала, содержащей в своем составе оксид иттрия, пероксид бария, медь и оксид соответствующего переходного металла за счет дефицита меди, дополнительно содержится твердый внутриреакционный окислитель - перхлорат натрия или калия в сверхстехиометрических соотношениях. Компоненты шихты берутся в следующем их соотношении (мас.%):

оксид иттрия 17.29-17.58
пероксид бария 51.85-52.73
медь 26.27-29.69
перхлорат натрия 2.74-6.67
(или перхлорат калия) 3.08-7.48
оксид хрома (CrO3) 1.55-4.59
(или оксид кобальта (Co3O4)) 1.23-3.72
(или оксид марганца (Mn2O3)) 1.22-3.66
(или оксид железа (Fe2O3)) 1.24-3.70
(или оксид никеля (NiO)) 1.16-3.47
(или оксид цинка (ZnO)) 1.26-3.77 (Таблица)

Компоненты шихты (порошки оксида иттрия, пероксида бария, меди, оксида соответствующего переходного металла, а также перхлората щелочного металла) тщательно перемешивают в планетарной мельнице (соотношение шары:смесь - 1:1) до полной гомогенизации смеси. Полученную гомогенизированную смесь прессуют в таблетки с помощью пресс-формы с усилием 32 кг/см2. Прессованную таблетку помещают на негорючую подставку и при помощи кратковременной подачи напряжения на нихромовую спираль, приложенную к верхней торцевой поверхности таблетки, инициируют процесс горения на воздухе. Процесс протекает с устойчивым фронтом горения в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). После завершения процесса горения (менее 1 мин) полученный продукт охлаждают на воздухе (порядка 10 мин). Данный продукт представляет собой сверхпроводник в системе Y-Ва-Cu-М-O, где М=переходный металл - Fe; Co; Ni; Mn; Cr или Zn с TC=2-94.5 К.

Кислородсодержащее соединение щелочного металла (перхлорат натрия или калия) служит в реакции горения твердым внутри реакционным источником кислорода.

Использование указанных компонентов в шихте в сверхстехиометрических соотношениях позволяет отказаться от применения в процессе синтеза газообразного кислорода, а проводить процесс на воздухе с использованием только внутриреакционного кислорода. Количество сверхстехиометрической внутриреакционной добавки твердого окислителя рассчитывается из соображений того, что кислородный индекс продукта синтеза равен 7.0. В продуктах СВС - ВТСП, замещенных переходными металлами, кислородные индексы находятся в пределах 7.0-6.7. Для обеспечения высокой чистоты делевого продукта предпочтительно использование исходных компонентов высокой чистоты: «осч», «хч», «чда».

ПРИМЕР 1

Готовят шихту в количестве 30 г, состоящую из порошка оксида иттрия (5.26 г - 17.54 мас.%), пероксида бария (15.78 г. - 52.60 мас.%), порошка меди ПМС-1 (8.59 г. - 28.62 мас.%), оксида железа (III) (0.37 г - 1.24 мас.%), перхлората натрия (1.81 г - 6.03 мас.%). Компоненты исходной шихты рассчитаны на получение сверхпроводящего оксидного материала состава YBa2Cu2.9Fe0.1O7.0. Шихту прессуют в пресс-форме с усилием 32 кг/см2 в таблетки, помещают на негорючую поверхность и, путем кратковременной подачи напряжения на нихромовую спираль, инициируют процесс горения на воздухе. Процесс протекает с устойчивым фронтом горения в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). После завершения процесса горения (менее 1 мин) полученный продукт охлаждают на воздухе (порядка 10 мин). Данный продукт представляет собой сверхпроводник с TC ~ 40 К.

Другие примеры заявляемого решения представлены в Таблице с указанием состава шихты и формулы целевого материала. TC синтезированных ВТСП материалов находится в пределах 2-94.5 К.

Таким образом, использование компонентов шихты в предложенных соотношениях позволяет получать сверхпроводящие материалы в системе Y-Ba-Cu-O, содержащие в своем составе переходный металл (Fe; Co; Ni; Mn; Cr или Zn) за счет дефицита меди, и упростить процесс их получения за счет его проведения в режиме СВС на воздухе с применением только твердых внутриреакционных источников кислорода без применения газообразного кислорода и дополнительного аппаратурного обеспечения.

Шихта для получения сверхпроводящего керамического материала, содержащая порошки оксида иттрия, пероксида бария, меди и оксида переходного металла из ряда - оксид хрома (VI); оксид железа (III); оксид кобальта; оксид марганца (III); оксид никеля (II) или оксид цинка (II) за счет дефицита меди, отличающаяся тем, что она дополнительно в сверхстехиометрическом соотношении содержит перхлорат щелочного металла (натрия или калия), что позволяет осуществлять процесс горения в ней на воздухе без дополнительного аппаратурного обеспечения, причем компоненты шихты берутся в следующих соотношениях, мас.%:

оксид иттрия 17,29-17,58
пероксид бария 51,85-52,73
медь 26,27-29,69
перхлорат натрия 2,74-6,67
или перхлорат калия 3,08-7,48
оксид хрома (CrO3) 1,55-4,59
или оксид кобальта (CO3O4) 1,23-3,72
или оксид марганца (Mn2O3) 1,22-3,66
или оксид железа (Fe2O3) 1,24-3,70
или оксид никеля (NiO) 1,16-3,47
или оксид цинка (ZnO) 1,26-3,77


 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области производства керамических материалов и предназначено для использования при изготовлении керамических мишеней, являющихся источником материала для магнетронного, электронно-лучевого, ионно-лучевого и других методов нанесения прозрачных проводящих пленок в микро-, опто-, наноэлектронике.

Изобретение относится к распыляемым мишеням высокой плотности из спеченного изделия на основе серий оксид галлия-оксид цинка. .

Изобретение относится к распыляемой мишени для получения тонкой прозрачной проводящей пленки. .

Изобретение относится к области технологии изготовления изделий из сверхпроводящей керамики и может быть использовано в электроэнергетике, транспорте. .

Изобретение относится к сцинтилляционной технике, прежде всего к эффективным, быстродействующим сцинтилляционным детекторам, предназначенным для регистрации ионизирующих излучений: рентгеновских и гамма-квантов, и может быть использовано в медицине, промышленности, космической технике, научных исследованиях.

Изобретение относится к керамическим материалам на основе окислов титана и может быть использовано в производстве многослойных высокочастотных термостабильных керамических конденсаторов с электродами на основе сплава, содержащего Ag и Pd, а также в производстве микроволновых фильтров.

Изобретение относится к керамическим материалам на основе цинкзамещенного ниобата висмута и может быть использовано в производстве многослойных высокочастотных термостабильных керамических конденсаторов с электродами на основе сплава, содержащего Ag и Pd, а также в производстве многослойных микроволновых фильтров.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при создании элементов, поглощающих радиоволны высокочастотного и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазонов.

Изобретение относится к области получения сложных оксидов металлов, в частности к получению оксокупратов щелочных металлов, и может быть использовано в препаративной химии для быстрого приготовления заявляемых продуктов, а также при синтезе высокотемпературных сверхпроводников, содержащих щелочные металлы, где оксокупрат щелочного металла может быть использован в качестве одного из реагентов.

Изобретение относится к тонкодисперсным титанатам свинца-циркония (PZT), гидратам титаната циркония (ZTH) и титанатам циркония как предшественникам титанатов свинца-циркония, к способу их получения путем реакции частиц диоксида титана с соединением циркония или соединением свинца и циркония.

Изобретение относится к тонкодисперсным титанатам свинца-циркония (PZT), гидратам титаната циркония (ZTH) и титанатам циркония как предшественникам титанатов свинца-циркония, к способу их получения путем реакции частиц диоксида титана с соединением циркония или соединением свинца и циркония.

Изобретение относится к применению гомополимеров или сополимеров (мет)акриловой кислоты или сополимеров моноолефинов с 3-40 атомами углерода с ангидридами дикарбоновых кислот с этиленовой ненасыщенностью с 4-6 атомами углерода в качестве добавок в керамических массах, прежде всего в суглинке и глине, предназначенных для изготовления строительной керамики, такой как строительные кирпичи и кровельная черепица, а также к керамическим массам, содержащим указанные добавки.

Изобретение относится к получению сверхтвердого материала, который содержит CVD-алмаз и который может быть использован при изготовлении инструмента для правки шлифовальных кругов, режущего, бурового инструмента и др.

Изобретение относится к получению сверхтвердого материала, который содержит CVD-алмаз и который может быть использован при изготовлении инструмента для правки шлифовальных кругов, режущего, бурового инструмента и др.
Изобретение относится к производству облицовочной плитки. .
Изобретение относится к технологии изготовления многослойных керамических конденсаторов температурно-стабильной группы H20. .
Изобретение относится к области цветной металлургии и, в частности, к технологии производства алюминия методом электролиза криолит-глиноземных расплавов, а именно к материалу смачиваемого катода алюминиевого электролизера.

Изобретение относится к технологии электролитического производства алюминия из криолит-глиноземных расплавов, в частности к материалу для смачиваемого катода алюминиевого электролизера.

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к способам получения керамических изделий, и может найти применение в производстве высокопрочной керамики, используемой в качестве конструкционного, огнеупорного, фрикционного или электроизоляционного материала
Наверх