ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ В СВЧ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

№6, 16.06.2018 года

Аракелян Масис Араратович

Огурцов Константин Николаевич

Технические науки

керамика, сверхпроводимость, композиционный материал, СВЧ установка

В работе представлены результаты эксперимента, подтверждающие теорию упрощенной технологии по получению высокотемпературных сверхпроводников в СВЧ электротехнологических установках.

Среди современных керамических материалов особое место занимает высокотемпературная сверхпроводящая (ВТСП) керамика [1]. С достижением критической температуры сверхпроводящего перехода Тк выше температуры кипения жидкого азота (77 К) выявлены перспективы практического применения ВТСП в электронике, технике связи и прецизионных измерений, в энергетике, электротехнике, транспорте и других областях. В данной работе представлен метод получения ВТСП керамики семейства YBa2Cu3O7+x, а также метод получения ВТСП в СВЧ электротехнологических установках. Было проведено математическое моделирование нагрева ВТСП в лабораторных условиях в программной среде Elcut [2]. Массовый состав мелкодисперсных порошков включает в себя: 1,13 г окиси иттрия, 3,95 г углекислого бария и 2,39 г окиси меди (рис. 1 а).

Рисунок 1а — Смесь порошков YBa2Cu3O7+x;

 

Рисунок 1б — спекание в трубчатой печи сопротивления с подачей кислорода;

Рисунок 1в — стальная пресс-форма под давлением 50 кН/м²;

Рисунок 1г — эффект Мейснера.

Методика эксперимента по получению ВТСП в трубчатой печи сопротивления:

  1. Смесь мелкодисперсных порошков YBa2Cu3O7+x подвергают последовательной термообработке в трубчатой печи сопротивления при температурах 100 ºС – 1 час, при 250 ºС – 1 часа, при 410 ºС – 3 часа, при 600 ºС – 2 часа, при 850 ºС – 2 часа, при 900 ºС – 3 часа (рис. 1 б).
  2. Смесь порошков охлаждается и перемешивается в ступке. Скорость понижения температуры не должна превышать 100 º/час.
  3. Порошок спрессовывается в таблетки в стальной пресс форме при давлении 50 кН/м² (рис. 1 в).
  4. Получившиеся таблетки диаметром 1 см и толщиной 5 мм подвергаются отжигу по той же технологии спекания (при той же температуре и в течение того же времени, однако теперь с обязательной подачей в печь кислорода).
  5. Таблетки медленно охлаждаются при скорости понижения температуры, не превышающей 100 º/час. Быстрое охлаждение приведет к потере кислорода.

Преимущество этой керамики в том, что она становится сверхпроводником (теряет все электрическое сопротивление при -184 ºС). Эффект левитации обусловлен тем, что при охлаждении ВТСП керамики до критической температуры она становится сверхпроводником, а также идеальным диамагнетиком. ВТСП может отталкивать от себя любое магнитное поле, а также создавать свое собственное, при нахождении вблизи сильного магнитного поля. Это явление называется эффектом Мейснера (рис. 1 г). Магнит, парящий над сверхпроводником, может выдерживать немалый вес, ограниченной лишь силой магнитного поля самого магнита.

Высокотемпературные сверхпроводники довольно актуальны в наше время. Свойство сверхпроводимости и магнитной левитации используются во многих отраслях науки и техники. Например: МРТ для сканирования мозга, поезда на магнитной подушке, которые становятся все популярнее в странах Азии. Высокотемпературная сверхпроводящая керамика используется в качестве магнитных подшипников там, где использование обычных подшипников невыгодно [4].

Производство высокотемпературных сверхпроводников в печах сопротивления довольно долгий процесс. Для интенсификации процесса получения ВТСП можно использовать СВЧ электротехнологическую установку. Использование СВЧ энергии приводит не только к уменьшению количества необходимой для спекания электрической энергии, но и к уменьшению времени спекания. Предлагаемые конструкции СВЧ установок приведены на рисунке 2.

Рисунок 2а. —  Конструкция СВЧ установки в  виде чертежа;

Рисунок 2б – конструкция СВЧ установки непрерывного действия на нерегулярном круглом волноводе;

Рисунок 2в- конструкция СВЧ установки на нерегулярном круглом волноводе периодического действия.

На рисунке 2а через кварцевую трубу 4, которая обшита теплоизоляционным материалом 5, подается кислород. Материал футеровки выполнен из пенодиатомита. Для равномерного нагрева образцов выполнен экспоненциальный скос в виде металлической стенки (рис. 2б). В прямоугольный волновод 5 подается СВЧ энергия, и через согласующий переход 6 энергия переходит в волновод круглого сечения. В качестве датчика температуры в камере СВЧ поля можно использовать узконаправленный пирометр С-3000.2, диапазон температуры которой составляет 800-1200 ºС, либо инфракрасный термометр testo 845 c крестообразным лазерным целеуказателем с диапазоном температуры от -35 ºС до +950 ºС.

С помощью программного продукта Elcut смоделирован нагрев ВТСП в СВЧ поле (рис. 3). Теплопроводность образца ВТСП λ=0,98 Вт/м·К, а объемная плотность тепловыделения равна Q=2,1 ·106 Вт/м3.

Рисунок 3. — Картина поля и температурная шкала нагрева в момент времени t=7200 с.

Со временем ВТСП теряет свои свойства, и благодаря СВЧ установкам краткими импульсами можно ликвидировать дефекты кристаллической решетки сверхпроводника. Это позволяет получить новые уникальные возможности для производства продукта с новыми, существенно улучшенными свойствами. При использовании СВЧ волн для спекания порошка получается более плотная керамика, имеющая более мелкую кристаллическую структуру. Другим не менее важным фактором является то, что такая керамика является не только более плотной, но, в отличие от спечённых обычным способом керамик, имеет и более высокую удельную плотность при малых размерах каждого зерна.

Вывод: эксперимент, выполненный в СВЧ электротехнологической установке, позволяет интенсифицировать процесс получения высокотемпературных сверхпроводников.

Список литературы

  1. Хасанов, О.Л. Методы изготовления и свойства ВТСП керамики на основе ультрадисперсных порошков. — Томь.: Известия Томского политехнического университета, 2003 г. — 6 с.;
  2. Аракелян, М.А. Получение улучшенных свойств сверхпроводящих высокотемпературных керамик / Огурцов К.Н., Шувалов Д.С., Шильников В.Ю. // Электротехника, электромеханика и электротехнология, 2017 г. – № 2. – 5 с.;
  3. Элиашберг, Г.М. Физические свойства высокотемпературных сверхпроводников. — Мир, М, 1990 г. – 507 с.;
  1. Аракелян, М.А., Огурцов К.Н., Шувалов Д.С., Шильников В.Ю., Получение ВТСП в СВЧ электротехнологических установках. // SOUTHERN ALMANAC OF SCIENTIFIC RESEARCH, (http://yunia.ru/article/4-9), 2018 г.. — №4. – 5 с.