ИЭ / Экзамен / Учебное пособие ЭТМ

Исходные компоненты и соотношение (% масс.) между ними: оксид иттрия (Y2O3) — 14,9; углекислый барий (ВаСО3) — 52,7; оксид меди (CuO) — 32,4.

Свойства иттриевых ВТСП, в первую очередь, зависят от технологии изготовления и от химического состава (рис. 6.12).

Рис. 6.12. Влияние среды, в которой производится обжиг керамики, и химического состава на свойства иттриевого ВТСП Y1Ba2Cu3O7-δ

Кристаллическая ячейка Y — ВТСП содержит 20 ионов Y, Ba, Cu, О. В решетке наблюдается некоторая слоистость, т. е. она состоит из двух плоскостей: в одной из них располагаются ионы меди Сu2+, а в другой области имеют место кислородные вакансии. При высоком содержании кислородных вакансий (δ более 0,6) в Y1Ba2Cu3O7-δ происходит перестройка кристаллической решетки, и сверхпроводящее состояние исчезает (рис. 6.13).

Рис. 6.13. Зависимость Тс Y− ВТСП от количества кислородных вакансий

Y – ВТСП – типичный сверхпроводник второго рода.

183

ВТСП имеют высокую критическую температуру Тс, большую, чем температура испарения жидкого азота.

В табл. 6.5 приводятся основные характеристики ВТСП и низкотемпературных сверхпроводников (НТСП).

Таким образом, сопоставление ВТСП и НТСП по Тс и Вс позволяет отдать предпочтение высокотемпературным сверхпроводникам. Что же касается сопоставления данных материалов по критической плотности тока Jс, то здесь не все однозначно.

Тонкие пленки из ВТСП имеют Jс равную примерно 105 – 10 7 А/см2. Рекордным значением является значение Jc 109 А/см2 для пленки толщиной 500 Å.

(«Джозефсоновская среда»). Схематически соответствующая микроструктура высокотемпературной сверхпроводящей керамики представлена на рис. 6.14.

184

Проблему низких критических плотностей тока ВТСП − керамики пытаются решить путем создания специальной структуры из ориентированных микрокристаллов, т. е. последние располагаются не хаотично, а направленно (рис. 6.16).

Рис. 6.16. ВТСП − керамика с ориентированной структурой

Микрокристаллы ВТСП должны быть вытянутой формы. Ориентирование микрокристаллов делается следующим образом: сначала получают расплав ВТСП при температуре 1400 ° С. Затем из расплава при специальном внешнем воздействии (например, за счет градиента температуры) вытягивают нити, при этом микрокристаллики образуют ориентированную структуру. Подобная структура приводит к росту критической плотности тока (рис. 6.17).

A

Jс , см2

Рис. 6.17. Влияние ориентированной структуры наJc ВТСП− керамики

Изготовление изделий из ВТСП

Для электротехники, чаще всего, требуются длинномерные сверхпроводниковые изделия (например, провода, кабели и др.). С момента открытия ВТСП (1987 г.) были опробованы различные

186

варианты изготовления подобных длинномерных изделий из ВТСП − керамики. Некоторые из этих вариантов технологии приведены ниже.

Первый способ — окисление металлического сплава Y – Ba – Cu (рис. 6.18). Второй способ — ВТСП в металлической трубке

(рис. 6.19).

Рис. 6.18. Процесс окисления металлического Y−Ba−Cu сплава

Рис. 6.19. ВТСП в металлической трубке (вверху) и схема технологического процесса его изготовления (внизу)

Наиболее применяемый в настоящее время способ изготовления длинномерных изделий из ВТСП — второй (ВТСП в металлической трубке). Технологический процесс заключается в следующем. Исходные порошкообразные компоненты (Y2O3, ВаСО3, CuO), взятые в требуемом соотношении, загружаются в металлическую трубку, выполненную из серебра. Трубка с порошком подвергается вибрированию для уплотнения порошка. Затем трубка протягивается через фильеру (или набор фильер) с целью придания трубке необходимого диаметра

187

и дальнейшего уплотнения порошка. После этого трубка с порошком подвергается высокотемпературной обработке (950 ºС) в кислородной среде. В результате происходит твердофазовое спекание исходных компонентов с образованием иттриевого высокотемпературного сверхпроводника внутри металлической трубки. Реализация приведенного технологического процесса в непрерывном процессе позволяет получать ВТСП провода большой длины. Такие провода на основе Bi− ВТСП доступны на рынке с 2001 г. и имеют длину до 1,5 км.

Иттриевые напыленные ВТСП. Это новое (2005 − 2008 гг.) направление в высокотемпературной сверхпроводимости. Суть его заключается в следующем. На металлический проводник (подложка) напыляют с помощью различных методов тонкий (2 мкм) слой YBa2Cu3O7-δ. В качестве подложки используется металл (например, сталь), на которую предварительно нанесен под некоторым углом оксид магния с тем, чтобы организовать при напылении направленную ориентацию микрокристаллов ВТСП. Это, так называемые, высокотемпературные сверхпроводники второго поколения (2G HTSC; «G» от англ. слова «generation»). Этим проводником предсказывают большое будущее в силовой электротехнике.

Применение ВТСП:

слаботочное применение в электронике и микроэлектронике (антенны, резонаторы, СКВИД и т. д.);

сильноточное применение в электротехнике.

Но в этой области существует проблема, связанная с тем, что необходимо повышать критическую плотность тока ВТСП. Наиболее перспективным при этом считается использование высокотемпературных сверхпроводников второго поколения (2G HTSC). Сейчас уже имеются успешные результаты применения таких ВТСП для силовых кабелей, проводов, накопителей энергии, устройств, использующих магнитную левитацию, трансформаторов и электродвигателей со сверхпроводниковой обмоткой и др.

188