Отримання довгомірних композитних матеріалів

1.10 Отримання довгомірних композитних матеріалів

Практично всі вище розглянуті ВТНП-матеріали (за виключенням монокристалів) є композитами, в склад яких окрім надпровідної матриці входять надпровідні фази, що визначають специфічні властивості і області застосування конкретного композиту. Так, високодисперсні порошки, отримані методами хімічної гомогенізації (розділ 1.1), зазвичай представляють собою суміш різних фаз і легуючих добавок, що дозволяють використовувати такий напівпродукт в наступних стадіях отримання матеріалу. Очевидно, що пара “стрічка – підкладка” демонструє непорушний симбіоз (розділ 1.2), і немає суті розглядати кожну із частин окремо із-за їх сильного взаємного впливу однієї на іншу. Крупнокристалічна кераміка (розділ 1.3) також представляє собою композит, що містить вторинні фази в якості включень в надпровідну матрицю. Як вже відмічалось, неоднофазність такого матеріалу – не тільки наслідок специфічного механізму кристалізації перитектичного розплаву, але й спеціально створювана структура, необхідна для покращення електрофізичних і механічних властивостей кераміки.

Одним з найбільш типових прикладів промислових надпровідних композитів є ВТНП-стрічка в срібній оболонці [32]. Кожна така стрічка складається з надпровідного стержня, оточеного металічною оболонкою. Для попередження терморезистивної нестійкості стрічок намагаються створювати багатожильні дроти, в яких зникнення надпровідності із-за локального перегріву вище температури переходу в надпровідний стан викличе обтікання резистивної ділянки по сусідніх надпровідних жилах.

В якості матеріалу надпровідної жили зазвичай використовують вісмут або, рідше, таллій – вмісних ВТНП, які значно більшою мірою пластичніше і значно легше утворюють високоорієнтовану мікроструктуру, ніж матеріали на основі R123-фаз [28,29,33-35]. Крім того, достатньо низька температура плавлення вісмут-вмісних ВТНП дозволяє використовувати великий набір металів і сплавів для створення зовнішньої оболонки.

Одним з найбільш поширених матеріалів зовнішньої оболонки є срібло, яке пластичне, має високу електропровідність і теплопровідність, відносно дешеве, не викликає зниження температури переходу ВТНП в надпровідний стан і слугує своєрідною мембраною, що здійснює обмін киснем між надпровідником усередині стрічки і газовою атмосферою поза нею. У відношенні масообміну оксидами вісмуту, кальцію, стронцію і міді система є закритою. Додатково встановлено, що стінки срібної стрічки можуть сприяти зародкоутворенню і орієнтованому росту зерен ВТНП на ділянках, що прилягають до оболонки [35], чому також сприяє планарна (”плоскі” стрічки) або псевдоодномірна (багатожильні дроти) геометрія. Для покращення характеристик міцності оболонки часто використовують ефект дисперсного зміцнення, наприклад за рахунок утворення монокристалів MgO в матриці срібла в процесі окиснення сплавів типу срібло-магній киснем повітря.

Основна вимога до СП стрічок в срібній оболонці – висока струмонесуча здатність. Для досягнення цього необхідно, в першу чергу, досягти абсолютно взаємної орієнтації високоанізотропних кристалів надпровідника, відсутності слабких зв’язків між ними, а також попередити негативний вплив вторинних фаз і газовиділення при перитектичному плавленні або просто при високотемпературному відпалюванні, здатних викликати неоднорідне протікання струму по перетину стрічки та локально порушити оптимальну орієнтацію зерен ВТНП.

Оптимальну мікроструктуру зазвичай отримують шляхом варіації складу, зовнішньої газової атмосфери, термічного режиму відпалювання, що вимагає детальних знань фазових діаграм [35,36]. Для досягнення високих транспортних характеристик в ВТНП-стрічках ціленаправлено використовують:

1) методи хімічної гомогенізації при отриманні високодисперсних, хімічно і гранулометрично однорідних, вільних від вуглецю, порошків для заповнення срібних трубок, які в подальшому піддаються деформації;

2) вибір способу створення композиційного матеріалу (порошок-в-трубі, труба-в-трубі, стержень-в-трубі і т. д.);

3) (термо)механічну обробку (багаторазове протягування і прокатування), змінну довжину срібної трубки з порошком в декілька десятків разів, що призводить до суттєвого збільшення густини надпровідної жили усередині стрічки і вимушеної орієнтації зерен ВТНП вздовж осі деформації;

4) низькотемпературний вакуумний відпал, оптимізуючий вміст кисню усередині стрічки і попереджуючий її “бульбашкування”.

Таким чином, в даний час існують реальні технології, які дозволяють отримувати стрічки з мікроструктурою, яка близька до потрібної. Разом з тим, як і раніше залишається не вирішеною принципіальна проблема, пов’язана з стрімким зменшенням критичних струмів вісмутових ВТНП з підвищенням температури або напруженості зовнішнього магнітного поля у порівнянні з іншими типами ВТНП (і, в першу чергу, R123-фазами). Це приводить до зниження температури експлуатації вісмут-вмісних стрічок до температури кипіння рідкого водню (20 К), хоч Тс (90-110 К) лежить вище точки кипіння дешевого хладогента – рідкого азоту (77 К), що ефективно використовується для роботи з іншими типами ВТНП.

Найбільш перспективний шлях покращення густини критичного струму вісмутових ВТНП-матеріалів пов'язаний зі створенням композитів з однорідно розподіленими мікровключеннями не надпровідних фаз, отриманих із власних компонентів системи або при введенні сумісних з ВТНП чужерідних фаз [37]. Найбільш помітний позитивний ефект виявляється при використанні циркон атів і станатів, хоча існує достатньо великий набір фаз, які можуть бути сумісні з ВТНП-матрицею, тобто не призводить до значного погіршення її температури переходу в надпровідний стан і не придушує динаміку утворення із реагентів або перитектичного розплаву. Фізичні вимірювання при цьому, дійсно свідчать про деякі покращення стабільності надпровідних характеристик [27]. Очевидно, що цей перспективний напрямок досліджень буде продуктивно розвиватися і в подальшому.