patent-керамика

Страница: 1

RU

Страница: 2

EN

RU 2 339 598 C2

Изобретение относитс к области технологии изготовлени изделий из сверхпровод щей керамики и может быть использовано в электроэнергетике, транспорте.

Известен способ получени текстурированной высокотемпературной сверхпровод щей (ВТСП) керамики на основе (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox [N.Chen, À.Ñ.Biondo, S.E.Dorris,

5K.C.Gorella, M.T.Lanagan, C.A.Youngdahl, R.B.Poeppel, Sinter-forged (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox superconductors, Superconductor Science & Technology. 1993. Vol.6. P.674-677], использующий сложный технологический процесс, который условно можно разбить на два

текстурированных ВТСП керамик на основе Bi1.2Pb0.8Sr2Ca2Cu3Ox è Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2Cu3Ox [F.Wellhofer, C.E.Gough, D.A.O'Connor, T.W.Button, N.McN. Alford, Superconductor Science &

20Technology. 1990. Vol.3. P.611-615]. На первом этапе приготавливаетс

поликристаллический материал - основа будущей текстурированной керамики в виде ленты. На втором этапе полученные ленты прессуют заново, затем отжигают при Т=850°С

в течение 50 часов и повтор ют указанный цикл прессование - отжиг несколько раз. Недостатком данного метода приготовлени текстурированных материалов вл етс

25длительность процесса ввиду необходимости проведени неоднократного повторени указанного цикла прессование - отжиг и низка степень текстуры после проведени

текстурированной высокотемпературной сверхпровод щей керамики на основе висмута, включающем приготовление керамики, ее прессование и отжиг, новым вл етс то, что используют пористую керамику плотностью от 1.8 г/см3 äî 2.4 ã/ñì3 состава Pb0.3Bi1.8Sr1.9Ca2Cu3Ox, содержащую микропоры, раздел ющие пластинчатые кристаллиты

35толщиной ~1 мкм, которую пропитывают этиловым спиртом, подвергают одноосному

сжатию при давлении 400-500 МПа при комнатной температуре, затем высушивают и отжигают при Т=820-850°С в течение 30-100 часов.

За вл емый способ отличаетс от прототипа перечисленными выше признаками, которые не были про влены в других известных технических решени х, что и обеспечивает

40за вл емому техническому результату соответствие критери м «новизна» и «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлены микрофотографии текстурированного образца

На фиг.5 приведены результаты измерений петель гистерезиса намагниченности М(H) образца текстурированного ВТСП (направление магнитного пол Н параллельно с-оси кристаллитов) и дл сравнени М(Н) образца висмутового ВТСП поликристалла.

Страница: 3

DE

RU 2 339 598 C2

Пример ¹1 В данном способе в качестве основы будущего текстурированного материала служит не

плотный поликристалл, как в описанных аналоге и прототипе, а пориста керамика Pb0.3 Bi1.8Sr1.9Ñà2Cu3Îõ, полученна способом, разработанным ранее [М.И.Петров,

5Д.А.Бадаев, К.А.Шайхутдинов, С.И.Попков, Т.Н.Тетюева, С.Г.Овчинников. Способ получени пористой высокотемпературной сверхпровод щей керамики на основе висмута //

Патент РФ, RU 2261233]. Пориста керамика Pb0.3Bi1.8Sr1.9Ca2Cu3Ox приготовл лась в два этапа: на первом этапе синтезируют промежуточный продукт номинального состава

Pb0.3Bi1.8Sr1.9CayCu3Îõ, где 1.0≤y≤1.5, при температуре 800-820°С в течение 12-24 часов, 10 а на втором этапе добавл ют в полученный промежуточный продукт карбонат кальци

ÑàÑÎ3 до получени стехиометрической формулы Pb0.3Bi1.8Sr1.9Ñà2Cu3Îõ с последующим совместным помолом, прессуют и окончательно отжигают его при температуре 830-850°С в течение 200-300 часов. Пориста керамика содержит микропоры, размерами 5-20 мкм, раздел ющие отдельные кристаллиты, которые имеют форму пластин толщиной ~1 мкм с

15линейными размерами от ~5 мкм до ~30 мкм. Пористые образцы плотностью от 1.8 до 2.4 г/см3 были вз ты в виде таблеток диаметром 20-30 мм и толщиной 7-12 мм. Жидкость (в

данном случае - этиловый спирт) легко проникает в поры, т.к. при такой плотности практически все поры открытые. Таблетка подвергалась прессованию в направлении оси симметрии таблетки при давлении до 500 МПа при комнатной температуре. Присутствие

20пор дает возможность разворота пластинчатых кристаллитов так, чтобы их плоскости становились параллельными плоскости таблетки, при этом уменьшаетс веро тность

слома кристаллитов. Присутствие жидкости с учетом ее практической несжимаемости создает дл кристаллитов услови , аналогичные гидростатическому давлению, что способствует равномерному компактированию кристаллитов по всей глубине таблетки. Дл

25выпаривани остатков спирта прессованные таблетки помещают в сушильный шкаф при Т= 70°С на 5 часов. После прессовани таблетки значительно уменьшаютс в размере

относительно исходного: толщина - 2-3 мм, диаметр - 20-30 мм (диаметр определ етс размером пресс-формы). Затем образцы проходили отжиг при температуре 830°С в течение 30 часов. Отжиг при высокой температуре Т=830°С обеспечивает рост

30кристаллитов и обеспечивает их спайность и, как следствие, хороший электрический контакт между ними. Плотность полученных образцов составила ρ=5,29±0,01 г/см3 (89% от теоретической, теоретическа плотность составл ет 5.95 г/см3). В результате только

одного цикла прессование-отжиг получаютс таблетки ВТСП с высокой степенью текстуры 35 и большим диамагнитным откликом.

На фиг.1 представлены микрофотографии текстурированного образца Pb0.3Bi1.8Sr1.9Ca2Cu3Ox, полученные сканирующей электронной микроскопией. Снимки сделаны с участка на сломе в направлении оси прессовани текстурированного образца

(а) и с поверхности плоскости таблетки (б, в). Видно, что в разных направлени х

40образец демонстрирует качественно различную микроструктуру. В направлении оси прессовани (фиг.1а) пластинки расположены в основном перпендикул рно оси

прессовани , т.е. параллельно плоскости таблетки, пластинки кристаллитов имеют толщину ~1 µm, т.е. ту же толщину, что и пластинки в исходном пористом ВТСП.

Кристаллографическа ось-с кристаллитов направлена перпендикул рно плоскости

45пластин кристаллитов. На фиг.1а отчетливо видны границы между кристаллитами. Микрофотографии поверхности плоскости таблетки (фиг.1б, в) также подтверждают то, что пластинки кристаллитов лежат в плоскости таблетки, т.е. а-b плоскости кристаллитов ориентированы параллельно плоскости таблетки. Анализ микрофотографий, сделанных с

поверхности таблетки с разным увеличением (фиг.1б, в), показывает, что нет четких

50границ, раздел ющих отдельный кристаллит со всех сторон. Есть отдельные участки границ между кристаллитами, но они в большинстве не охватывают отдельный кристаллит.

Это особенно видно при сравнении изображений межкристаллитных границ в направлении оси прессовани (фиг.1а) и в плоскости таблетки (фиг.1б, с). Неоднородности, видимые

Страница: 4

RU 2 339 598 C2

на микрофотографи х поверхности таблетки, вл ютс област ми спайности кристаллитов. Таким образом, по данным электронной микроскопии полученный материал обладает текстурой, в которой пластинчатые кристаллиты ориентированы а-b плоскост ми в плоскост х, параллельных поверхности таблетки.

5 На фиг.2 представлены дебаеграмма текстурированного Bi1.8Pb0.3Sr2Ca2Cu3Ox. Рефлексы соответствуют в основном структуре Bi2223. Из анализа данных на фиг.2 дол низкотемпературной фазы Bi2212 составл ет менее 5%. Известно, что в поликристаллической керамике отношение интенсивностей рефлексов Σ(00l) к Σ(hkl) увеличиваетс с увеличением предпочтительной ориентации с-оси. Это соотношение

10может быть использовано дл определени степени текстуры. Дл количественного анализа выбраны рефлексы Bi 2223 (002), (004), (008), (0010), (0014), (0016), (0020), и (115), (119), (1115), (1117) и (1119). Степень текстуры Р определена следующим образом [Xi Zhengping, Zhou Lian. The formation and enhancement of texture in a Bisystem superconductor, Superconductor Science & Technology. 1994. Vol.7. P.908-912]:

30образцов текстурированного ВТСП. Образец дл измерений был выпилен из таблетки в форме куба размерами 2Ч2Ч2 мм3. Одна из граней куба совпадала с плоскостью таблетки. Т.е. а-b плоскости пластинчатых кристаллитов расположены параллельно двум

противоположным гран м куба и, соответственно, перпендикул рны четырем другим гран м. Измерени проводились при 2-х вариантах ориентации магнитного пол Н по

35отношению к преимущественному направлению кристаллитов в образце: H||с и Н||а-b. Из фиг.4 видно, что диамагнитный отклик в направлении Н||с больше, чем в направлении Н||а-b. Т.е. полученный текстурированный материал обладает анизотропией магнитных свойств. Из величины диамагнитного отклика и характерного размера кристаллитов в различных направлени х можно оценить величину внутригранульного критического

40 òîêà JC a-b è JCc. Дл оценки внутригранульного критического тока была использована теори [В.В.Вальков, Б.П.Хрусталев. Намагничивание гранулированных ВТСП в сильных магнитных пол х. - ЖЭТФ, 1995. Т.107 (4), С.1221-1231], котора опираетс на классическую модель Бина, но в отличие от модели Бина учитывает гранул рную структуру поликристаллического образца. Согласно результатам цитированной работы, дл оценки

45плотности критического тока поликристаллических образцов можно воспользоватьс простой формулой JC≈2.7×106×∆M(0)/d, ãäå JC - плотность критического тока кристаллитов в плоскости, перпендикул рной направлению пол в А/см2; ∆М(0) - ширина

петли намагниченности в нулевом поле в эме/г; d - средний размер кристаллитов в направлении, параллельном вектору внешнего пол , в микрометрах. По данным

50электронной микроскопии (фиг.1а) толщина кристаллитов в направлении с-оси составл ет d~1 µm, тогда внутригранульна плотность тока в ab-плоскости составл ет JCab~135×106

À/ñì2. Дл того чтобы получить значение критического тока по с-оси необходимо знать

Страница: 5

RU 2 339 598 C2

характерный размер кристаллитов в ab-плоскости. Как отмечалось выше, в плоскости, параллельной ab-плоскост м кристаллитов, отдельные кристаллиты не разделены четкими границами со всех сторон, см. фиг.1б, в. Четкие границы ограничивают обычно кластер, включающий в себ несколько спа нных кристаллитов. Средний размер такого

5кластера d~50ч100 мкм. Использу такое значение d, получим дл внутригранульного критического тока вдоль ñ-îñè JCc~0.55÷1.1×106 À/ñì2. Параметр анизотропии,

определ емый как JCa-b/JCc, будет достигать значени ~125ч250. Полученные величины критического тока и значение параметра анизотропии типичны дл висмутовых ВТСП. Это подтверждает, что полученный материал обладает высокой степенью текстуры.

20прессование-отжиг, как описано в примере ¹1. Пориста керамика Pb0.3Bi1.8Sr1.9Ca2Cu3Ox плотностью 2.4 г/см3 была вз та в виде таблетки диаметром 30 мм и толщиной 12 мм. Она пропитывалась этиловым спиртом, подвергалась прессованию в направлении оси

симметрии таблетки при давлении 400 МПа при комнатной температуре. После выпаривани остатков спирта в сушильном шкафу при Т=70°С в течение 5 часов

будущего текстурированного материала служит пориста керамика Pb0.3Bi1.8Sr1.9Ca2Cu3Ox плотностью 1.8 г/см3, вз та в виде таблетки диаметром 20 мм и толщиной 8 мм. Она пропитывалась этиловым спиртом, подвергалась прессованию в направлении оси

35симметрии таблетки при давлении 500 МПа при комнатной температуре. После выпаривани остатков спирта в сушильном шкафу при Т=70°С в течение 5 часов проводилс отжиг при температуре Т=820°С в течение 50 часов. Плотность полученных образцов составила ρ=5,30±0,01 г/см3. Результаты исследовани микроструктуры,

магнитных и резистивных свойств оказались идентичны результатам, приведенным дл 40 примеров ¹1, ¹2 на фиг.1-5.

Основыва сь на результатах, полученных дл примеров ¹1, ¹2, ¹3, можно сделать следующие выводы:

(1)варьирование давлени прессовани при комнатной температуре от 400 до 500 МПа,

(2)варьирование температуры отжига в пределах от 820°С до 850°С,

45

(3) увеличение времени отжига от 30 до 100 часов, практически не измен ет объемную плотность полученных текстурированных образцов, не оказывает заметного вли ни на микроструктуру, а также сверхпровод щий переход и магнитные свойства текстурированных образцов.

Таким образом, разработан технологически простой метод получени текстурированных

50ВТСП на основе висмута, позвол ющий получать материалы с высокой степенью текстуры

èбольшими значени ми диамагнитного отклика. Использование за вл емого изобретени позволит

-примен ть текстурированные ВТСП материалы в качестве активных элементов

Страница: 6

RU 2 339 598 C2

ограничителей тока короткого замыкани на основе ВТСП, работающих при температуре жидкого азота,

- использовать текстурированные ВТСП материалы в сверхпровод щих подвесах, сверхпровод щих подшипниках и сверхпровод щих накопител х энергии.

5

Формула изобретени Способ получени плотной текстурированной высокотемпературной сверхпровод щей

керамики на основе висмута, включающий приготовление керамики, ее прессование и отжиг, отличающийс тем, что используют пористую керамику плотностью от 1,8 до 2,4

10ã/ñì3 состава Pb0.3Bi1.8Sr1.9Ca2Cu3Ox, содержащую микропоры, раздел ющие пластинчатые кристаллиты толщиной ~1 мкм, которую пропитывают этиловым спиртом, подвергают

одноосному сжатию при давлении 400-500 МПа при комнатной температуре, затем высушивают и отжигают при Т=820-850°С в течение 30-100 ч.

15

20

25

30

35

40

45

50

Страница: 7

CL

RU 2 339 598 C2

Страница: 8

DR

RU 2 339 598 C2

Страница: 9

RU 2 339 598 C2

Страница: 10