CC BY
21Решетневскуе чтения. 2017
УДК 537.525.5
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКИ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО СИНТЕЗА
ДЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ*
А. А. Лепешев1, 2, А. В. Ушаков1, 2, И. В. Карпов1, 2, Л. Ю Фёдоров1, 2, В. Г. Дёмин1, 2
1 Красноярский научный центр СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44
2Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 *E-mail: [email protected]
Синтезированы образцы YBa2Cu3O7-i/HaHoCuO композитов. Исследовано влияние технологии введения наночастиц CuO на структуру ВТСП композита. Установлено, что синтез ВТСП в вакуумно-дуговом реакторе позволяет получать однородную структуру.
Ключевые слова: сверхпроводники, оксид меди, вакуумная дуга, электронная микроскопия.
HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTORS OF VACUUM ARC SYNTHESIS
FOR SPACE TECHNOLOGY
A. A. Lepeshev1, 2, A. V. Ushakov1, 2, I. V. Karpov1, 2, L. Yu. Fedorov1, 2, V. G. Demin1, 2
Krasnoyarsk Science Centre SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 2Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation
*E-mail: [email protected]
Samples of YBa2Cu3O7-g / nano CuO composites are synthesized. The influence of the technology of CuO nanoparti-cles introduction on the structure of HTSC composite is studied. It is established that the synthesis of HTSC in a vacuum arc reactor allows achieving a homogeneous structure.
Keywords: superconductors, copper oxide, vacuum arc, electron microscopy.
В настоящее время интенсивно разрабатываются технические устройства на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). В частности, разрабатываются конструкции бесконтактных сверхпроводящих опор, универсальные системы бесконтактной связи между космическими объектами, системы причаливания и стыковки космических летательных аппаратов (КЛА), герметичные вводы движения, устройства связи с переменной жесткостью, большие космические конструкции с бесконтактными связями, системы защиты КЛА от радиации, различные энергетические и приборные системы для работы на Луне [1].
В связи с этим, научно значимой является проблема разработки высокотемпературных сверхпроводящих материалов с высокой управляемой токонесущей способностью. Одним из перспективных направлений по улучшению функциональных характеристик, в том числе плотности критического тока является внедрение инертных неорганических тугоплавких добавок с характерными размерами частиц порошка в несколько десятков нанометров для создания искусственных центров пининга [2-8]. Однако, важнейшим моментом является подбор инертного нанопорошка, его химического состава и структуры, поскольку использование порошков с повышенной реакционной
способностью приведет к размытию переходной зоны, изменению состава сверхпроводящей керамики.
Образцы УВа2Си307-8 с различным содержанием наночастиц СиО синтезированы по стандартной керамической технологии [8].
Сравнительный анализ состояния межфазных границ композитов приводит к заключению, что традиционная технология смешивания ВТСП с нанодобав-ками оксида меди с последующим свободным спеканием приводит к возникновению либо крупных участков матрицы из оксида меди, либо границ прямого контакта зёрен ВТСП (рисунок). ВТСП, синтезированный в вакуумно-дуговом реакторе, с одновременным введением в сверхпроводящую керамику на-ночастиц Си0, характеризуется максимально равномерным распределением легирующих наночастиц (см. рисунок), а его межфазные границы не обнаруживают ни дефектов в виде отслоений и остаточных пор, ни морфологически различимых участков интерфейса. Нанозёрна лигатуры имеют монолитное сопряжение с основными фазами композита, но даже на изредка встречающихся крупных включениях оксидной фазы интерфейсные поверхности её сопряжения с ВТСП характеризуются межфазными переходами без видимых морфологических несовершенств.
* Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 16-19-10054).
Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли
Микрофотография ВТСП композита УБа2Си307-5/нано СиО: полученный по традиционной технологии (слева); полученный в вакуумно-дуговом реакторе (справа)
Проведённые исследования обнаружили хорошую совместимость оксида меди с материалом ВТСП на уровне межзёренных границ. Дополнительно следует отметить, что наизученных СЭМ-изображениях не обнаружено следов разрушения различных фаз и их отслоения друг от друга даже в зонах микродеформации одиночного крупного включения CuO.
Исследование значений плотности критического тока показало, что за счёт улучшения межзёренной проводимости критический ток увеличился с 50 до 70 кА/см2.
Таким образом, использование метода вакуумно-дугового синтеза ВТСП композитов позволяет значительно улучшить структурные и электротехнические характеристики сверхпроводников.
Библиографические ссылки
1. Применение объемных высокотемпературных сверхпроводников в перспективных космических системах / В. А. Матвеев [и др.] // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2016. № 1. C. 15-32.
2. Механизмы ионизации в катодном пятне вакуумной дуги / А. В. Ушаков, И. В. Карпов, А. А. Лепе-шев // Вестник СибГАУ. 2015. № 16 (4). С. 983-989.
3. Моделирование процессов ионизации в катодном пятне вакуумной дуги / А. В. Ушаков, И. В. Карпов, А. А. Лепешев // Решетневские чтения : материалы XIX Междунар. науч.-практ. конф. (10-14 нояб. 2015, г. Красноярск): в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. С. 104-106.
4. Particularities of the magnetic state of CuO nanoparticles produced by low-pressure plasma arc discharge / A. A. Lepeshev [et al.] // J. of Superconductivity and Novel Magnetism, 2017. Т. 30, № 4. С. 931-936.
5. Copper Oxide of Plasma-Chemical Synthesis for Doping Superconducting Materials / A. V. Ushakov [et al.] // International J. of Nanoscience, 2017. Т. 16, № 4. С. 1750001.
6. The influence of oxygen concentration on the formation of CuO and Cu2O crystalline phases during the synthesis in the plasma of low pressure arc discharge / A. V. Ushakov [et al.] // Vacuum, 2016. Т. 128. С. 123-127.
7. Plasma-chemical synthesis of copper oxide nanoparticles in a low-pressure arc discharge / A. V. Ushakov [et al.] // Vacuum, 2016. Т. 133. С. 25-30.
8. Enhancing of magnetic flux pinning in YBa2Cu3O7-x/CuO granular composites / A. V. Ushakov [et al.] // J. Appl. Phys., 2015. Т. 118, № 2. С. 023907.
References
1. [The use of bulk high-temperature superconductors in promising space systems] / V. A. Matveev [et al.] ; Vestnik MGTU im. N. E. Baumana. Ser. Priboros-troyeniye. 2016. No. 1, p. 15-32 (In Russ.).
2. [Mechanisms of ionization in a cathode spot of a vacuum arc] / A. V. Ushakov, I. V. Karpov, A. A. Lepeshev ; VestnikSibGAU. 2016, No. 4, p. 983-989. (In Russ.)
3. [Modeling of ionization processes in a cathode spot of a vacuum arc]. Materialy XIX Mezhdunar. nauch. konf. "Reshetnevskie chteniya" [Materials XV Intern. Scientific. Conf "Reshetnev reading"] / A. V. Ushakov, I. V. Karpov, A. A. Lepeshev ; Krasnoyarsk, 2015, p. 104-106. (In Russ.)
4. Particularities of the magnetic state of CuO nanoparticles produced by low-pressure plasma arc discharge / A. A. Lepeshev [et al.] // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. 2017. Vol. 30, No 4, p. 931-936.
5. Copper Oxide of Plasma-Chemical Synthesis for Doping Superconducting Materials / A. V. Ushakov [et al.] // International Journal of Nanoscience, 2017. Vol. 16, No 4, p. 1750001.
6. The influence of oxygen concentration on the formation of CuO and Cu2O crystalline phases during the synthesis in the plasma of low pressure arc discharge / A. V. Ushakov [et al.] // Vacuum, 2016. Vol. 128. P. 123127.
7. Plasma-chemical synthesis of copper oxide nanoparticles in a low-pressure arc discharge / A. V. Ushakov [et al.] // Vacuum, 2016. Vol. 133. P. 25-30.
8. Enhancing of magnetic flux pinning in YBa2Cu3O7-x/CuO granular composites / A. V. Ushakov [et al.] // J. Appl. Phys, 2015. Vol. 118, No. 2, p. 023907.
© Лепешев А. А., Ушаков А. В., Карпов И. В., Фёдоров Л. Ю., Дёмин В. Г., 2017
