Надпровідний матеріал

Винахід стосується області високотемпературної надпровідності, а саме надпровідного матеріалу і може бути застосований у електротехніці, машинобудуванні, кріотехніці та інших галузях. Надпровідний матеріал на основі MgB2 може забезпечити більш високу операційну температур у й більш високу швидкодію електронних приборів, ніж існуюча електроніка, заснована на ніобії. Одержання дибориду магнію вимагає менших витрат порівнянню з самим високотемпературним керамічним надпровідником на основі оксиду міді. Відомий надпровідний матеріал MgB2 (див. стат. Kijoon Н.Р. Кіm, W.N. Kang, Mun-Seog Кіm, C.U. Jung, Hyeong-Jin Кіm, Eun-Mi Choi, Min-Seok Park & Sung-Ik Lee. Origin of the high DC transport critical current density for the MgB2 superconductor, cond-mat/0103176), для отримання якого полікристалічний зразок (4,5мм у діаметрі і висотою 3,3мм) надпровідного матеріалу MgB2 синтезують при тиску 3ГПа і температурі 950°С. Недоліками даного надпровідного матеріалу є недостатньо високі надпровідні властивості: густини критичного струму (jc) 400кА/см 2 у магнітному полі 1Тл при 10К, 180кА/см 2 у магнітному полі 2Тл при 10К, 180кА/см 2 у магнітному полі 1Тл при 20К, та 60кА/см 2 у магнітному полі 2Тл при 20К. Це відбувається тому, що домішковий ненадпровідний оксид магнію кристалізується у вигляді великих зерен що призводить до зниження надпровідних властивостей MgB2, оскільки зерна такого розміру значно більші за довжину когерентності і тому не можуть бути центрами пінінгу магнітного потоку, а присутність ненадпровідної фази у надпровідній, як правило, веде до зменшення густини критичного струму. Найбільш близьким до запропонованого є надпровідний матеріал, що містить диборид магнію, оксид магнію, та як танталовмісний матеріал гідрид танталу при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: диборид магнію 74,5...97,5; гідрид танталу 1,0...25,0; оксид магнію залишок (див. патент України №49480, МПК7 B22F3/14, опублікований 16.09.2002. Бюл. №9), який теж передбачає додавання порошкоподібного танталу та синтез порошкоподібної суміші вихідних компонентів при високих тисках 1...2 ГПа, температурі 780...820°С протягом 0,9...1,2 години. Завдяки додаванню порошкоподібного танталу, який є активним по відношенню до гідрогену і сприяє інтенсивній і повній дисоціації молекул домішки Н 3ВО3, що міститься у вихідному борі, і таким чином веде до утворення активних іонів ВО3 3-, які легко вступають у взаємодію з Mg, що спричиняє утворення дрібнодисперсних включень фази MgO. Ці фази оксиду магнію зростаються площинами (111) з площинами (0001) фази MgB2 і відіграють роль активних центрів пінінгу магнітного потоку, що і призводить до поліпшення надпровідних характеристик. Отже ненадпровідна, але дрібнодисперсне розповсюджена домішка MgO сприяє зростанню густини критичного струму і поля необоротності. У разі відсутності Та домішка MgO кристалізується у вигляді великих зерен і призводить до зниження надпровідних характеристик. В основу винаходу покладено завдання такого удосконалення складу надпровідного матеріалу, при якому за рахунок наявності в ньому дитантал моногідриду і додатково магнію забезпечується поліпшення надпровідних властивостей, а саме густини критичного струму. Для рішення цього завдання надпровідний матеріал, що містить диборид магнію, оксид магнію та танталовмісний матеріал, згідно винаходу як танталовмісний матеріал він містить дитантал моногідрид і додатково магній при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: диборид магнію 67,95...90,95; оксид магнію 7,0...10,0; дитантал моногідрид 1,05...20,05; магній залишок. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляється і технічними результатами, які досягаються при її реалізації, полягає у наступному. При додаванні Та сполуки MgH2 були відсутні у матричній фазі, а монокристалічні включення MgB2; не вміщували нітроген та мали зменшений вміст оксигену, він не взаємодіяв з Mg і В в процесі синтезу. Дані факти дали змогу зробити висновок про те, що завдяки додаванню порошкоподібного Та відбувається адсорбція домішок гідрогену та ін. газів в процесі синтезу і утворення сполуки Та2Н, що сприяє зростанню густини критичного струму матеріалів на основі MgB2. Було помічено, що матеріали з вищим рівнем густини критичного струму вміщували деяку кількість незв'язаного магнію, в них була більшою густина включень монокристалів MgB2, а сте хіометрія включень була зміщена в бік MgB2+x, тобто в ни х спостерігався підвищений вміст бору. У разі відсутності Та домішка MgO кристалізується у вигляді великих зерен і приводить до зниження надпровідних характеристик. Приклад 1 Ретельно змішуючи порошкоподібні магній та бор у стехіометричному співвідношенні MgB2 з додаванням порошкоподібного танталу у кількості 10мас.%, виготовляємо пресовки у вигляді таблеток діаметром до 30мм, висотою до 20мм. Після попереднього пресування зразки загортаються у Та фольгу і вміщуються у середовище диоксиду цирконію або гексагонального нітриду бору, а потім у стандартну комірку високого тиску, де створюються термобаричні умови; синтез здійснювали при тиску 2,0ГПа, температурі 800°С протягом 1 години. Синтезовані зразки мають таке співвідношення компонентів, мас.%: дибориду магнію 79,15, дитантал моногідриду 10,05, оксиду магнію 9 та магнію 1,8. Вони мають вищу порівняно з прототипом густин у критичного струму та поле необоротності (див. Таблицю, додається), які визначали на основі вимірювання кривих намагнічення (з використанням моделі Біна у випадку визначення густини критичного струму) зразків за допомогою вібраційного магнітометра Oxford Instruments 3001 з точністю 2-5%. Аналогічним шляхом було виготовлено пресовки іншого хімічного складу, при граничних значеннях всіх пропонованих параметрів (приклади 2-4) і за їх межами (приклади 5-6), а також за аналогом (приклад 7) і за прототипом (приклад 8). Як видно з таблиці, саме у пропонованих кількостях порошкоподібного танталу, що додавався, забезпечується збільшення надпровідних властивостей: густини критичного струму (jc): в 1,4 рази у магнітному полі 1Тл при температурі 10К, у 2,3 рази у магнітному полі 2 Тл при температурі 10К, у 3 рази у магнітному полі 3 Тл при температурі 10К, у 1,9 рази у магнітному полі 1Тл при температурі 20К, у 2,7 рази у магнітному полі 2Тл при температурі 20К, у 5,5 раз у магнітному полі 3Тл при температурі 20К, у 4,7 рази у магнітному полі 1Тл при температурі 30К, у 7,5 раз у магнітному полі 2Тл при температурі 30К та у 8 раз у магнітному полі 3Тл при температурі 30К. Доведено, що отримані зразки мають вищі надпровідні властивості. Таблиця Додаток Показники е фектив ності При темпера ту рі При темпера ту рі При темпера ту рі 10К 20 30К Густина Густина Густина Об'єкт критично го критично го критично го № При 2 2 2 в ипро стру му, Jc, кА/см стру му, Jc, кА/см стру му, Jc, кА/см п/п мітка був ання Д иборид Оксид Дитантал Гідрид Маг Тиск, Темп ера Час, У У У У У У У У У магнію магнію моногі дри д танта лу ній ГПа ту ра,°С годин магні т магні т магні т магні т магні т магні т магні т магні т магні т ному ному ному ному ному ному ному ному ному полі полі полі полі полі полі полі полі полі 1Тл 2Тл 3Тл 1Тл 2Тл 2Тл 1Тл 2Тл 3Тл 1 79,15 9 10,05 1,8 2 800 1 438 299 178 238 115 43 17 0,62 0,03 Пропонов а 2 88,45 8 2,05 1,5 2 900 1 566 403 214 351 163 50 38 0,76 0,04 ний над 3 90,95 7 1,05 1 2 800 1 425 214 125 217 106 36 15 0,5 0,02 пров ід 4 67,95 10 20,05 2 2 800 1 478 255 196 168 123 32 13 0,41 0,01 ний мате 5 94 5 0,5 0,5 2 800 1 268 115 45 96 46 5 2 0,02 0 Розклав ся ріал 6 55 12 30 3 2 800 1 182 93 23 83 42 2 3 0 0 Матеріал 7 3 950 400 180 70 180 60 9 8 0,1 0,005 за анало гом Матеріал за 8 96,5 1,5 2 2 800 1 161 83 42,8 62,3 26,2 14,9 11,5 0,17 0,003 прототип о м Кількість фа з, що в ходять до складу надпров ідного матеріалу , мас.% Режим синте зу