Влияние на механические свойства состава ВТСП проводников 2-го поколения

2016, Tом 13, выпуск 1

Тематика: ВТСП материалы 2-го поколения

Механические характеристики ВТСП проводников 2-го поколения - чрезвычайно важный фактор для многих практических применений. Известно, что в среднем ВТСП лента на основе ReBCO с медным покрытием может сохранять сверхпроводящие свойства при относительной деформации в продольном направлении до 0,5% - 0,6% и растягивающих механических напряжениях до 700 МПа. В перпендикулярном направлении (по ширине ВТСП ленты) значение предельных механических напряжений существенно ниже, токонесущая способность деградирует уже при 10 – 100 МПа. В случае расслаивающей проводник поперечной нагрузки его прочность будет еще ниже. В процессе работы в различных сверхпроводниковых устройствах ВТСП лента подвергается термоциклированию, пропитке эпоксидным компаундом, воздействию циклических механических нагрузок. Эти процессы могут привести к частичному или полному расслоению проводника, что в свою очередь, приводит к деградации токонесущей способности или же полной потери сверхпроводящих свойств. Так как явление расслоения напрямую зависит от внутренней структуры ВТСП ленты, возможным решением проблемы может стать изменение состава сверхпроводящего слоя с целью улучшения степени адгезии между слоями в проводнике.

Объединенным коллективом авторов из Национальной Лаборатории Аргоны и Университета Хьюстона опубликованы результаты исследования процесса расслоения различных ВТСП лент. Обычно используемое в сверхпроводящих слоях ВТСП проводников 2-го поколения соединение (Gd,Y)Ba₂Cu₃O_x было заменено на соединение SmBa₂Cu₃O_x.

Существует несколько экспериментальных методик исследования процесса расслоения ВТСП лент 2-го поколения. Измеренные по различным методикам усилия, при которых происходит расслоение, будут различаться. Тем не менее, существует однозначная корреляция между усилием расслоения и  поведением ленты при работе в сверхпроводниковой  магнитной системе. Авторами рассматриваемой работы был выбран метод постепенного отрыва стабилизирующего слоя (см. Рис. 1). При анализе результатов учитывалось, что усилие отрыва ВТСП слоя определяется как процессом непосредственного разрушения связей между слоями, так и пластической деформацией.

Для экспериментов использовались изготовленные по технологиям MOCVD и IBAD ВТСП проводники шириной 12 мм на подложке из хастеллоя,. Опыты проводились с лентами двух типов: коммерческими производства SuperPower - GdBs₂Cu₃O_x и экспериментальными - со сверхпроводящим слоем состава SmBa₂Cu₃O_x . Толщина сверхпроводящего слоя составляла 1 мкм, на него было нанесено защитное серебряное покрытие и медный стабилизатор. С точки зрения геометрических размеров, экспериментальная ВТСП лента не отличалась от коммерческой. При подготовке образцов края лент дополнительно обрезались для исключения влияния краевых эффектов. Таким образом, ширина подготовленных образцов уменьшалась до 10 мм. Для изучения расслоенных образцов использовалась оптическая и сканирующая электронная микроскопия.

Результаты измерения критических токов образцов в собственном магнитном поле при 77 К представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Критические токи экспериментальных ВТСП проводников при 77К

Как видно из Таблицы 1, замена редкоземельного элемента существенным образом сказывается на токонесущей способности ВТСП проводника. По результатам микроструктурного анализа поверхность ВТСП слоя ленты на основе соединения Zr_0,15Sm_1,2Ba₂Cu_2,4O_7-δ практически идентична поверхности сверхпроводящего слоя в коммерческих проводниках на основе гадолиния (за исключением чуть меньшего числа дефектов в последних), именно этим и объясняются его высокий критический ток. Качество поверхности сверхпроводящего слоя в остальных образцах лент на основе самария было значительно хуже, чем у коммерческих проводников.

Рис. 1. Фото стенда (а) и схема эксперимента (b).

Образец после эксперимента показан со стороны подложки и медного стабилизирующего слоя (c).

Рис. 2. Нагрузочные кривые лент, изготовленных с использованием различных прекурсоров (слева)

и средние усилия расслоения (справа).

Для определения соотношения между составляющими усилия расслоения был выбран метод отрыва слоя с приложением силы под углом к проводнику. В случае низкой адгезии между слоями ВТСП проводника, можно считать, что вся приложенная к образцу нагрузка идет на разрушение связей между слоями. Следует отметить, что все образцы были заранее расслоены с одного края для обеспечения предсказуемости дальнейшего процесса.

Как показали эксперименты, степень адгезии слоев в лентах SmBCO приблизительно в пять раз выше, чем в коммерческих ВТСП проводниках. По данным оптической микроскопии для проводников на основе GdBCO разрушение происходит чрезвычайно неоднородно. Это касается как отслаивания ВТСП слоя целиком, так и его частичного разрушения. Примерно в трети экспериментов наблюдалось разрушение буферных слоев, причем расслоение могло пройти по любому из них. У лент на основе SmBCO были значительно более единообразные результаты: разрушение буферных и ВТСП слоев не наблюдалось. Разрушение происходило по границе между ВТСП и серебряным слоем. Таким образом, можно предположить, что внешняя нагрузка лишь разрушает связи между SmBCO слоем и серебряным покрытием, не затрагивая буферные слои.

Рис. 3. Результаты повторной серии экспериментов.

Сканирующая электронная микроскопия подтвердила результаты оптической микроскопии. Расслоение коммерческих проводников происходило с затрагиванием буферных слоев и частичным разрушением GdBCO слоя. Для экспериментальных проводников на основе SmBCO повреждений ВТСП и буферных слоев не наблюдалось, что подтверждает предположение о расслоение по границе ВТСП-серебро.

Установлено, что для коммерческих ВТСП проводников толщина сверхпроводящего слоя после эксперимента по расслоению уменьшается с 1 мкм до 0,8 мкм. Хотя рост трещин может начинаться в буферном слое, в дальнейшем, трещина всегда переходит на ВСТП слой, и ее дальнейшее развитие носит ступенчатый характер. Данное явление может быть результатом наличия плоскостных дефектов и несовпадения периодов решеток сверхпроводящего и буферного слоев. Показано, что характер разрушения коммерческих ВТСП лент различается от образца к образцу и зависит от степени межслоевой адгезии.

Авторами отмечается, что любая из существующих экспериментальных методик по расслоению характеризуется достаточно высоким разбросом полученных результатов. Для набора необходимой статистики была проведена повторная серия экспериментов. Полученные результаты практически полностью совпадали с данными первой серии, за исключением образцов на основе Zr_0,15Sm_1,2Ba₂Cu_2,5O_7-δ, для которых усилие отрыва уменьшилось. По мнению авторов, данный эффект вызван иным характером разрушения образцов: по буферным слоям, а не по границе ВТСП-серебро. По данным оптической микроскопии в этом образце рост трещины начинался с краевых областей, число дефектов в которых было больше чем в других областях.

Процесс расслоения ВТСП проводников 2-го поколения весьма сложен и требует дальнейшего изучения. Модификация сверхпроводящего слоя с заменой редкоземельного элемента позволяет изменить характер процесса расслоения, сделав его более предсказуемым. С другой стороны, снижается критический ток проводников, что ограничивает область их дальнейшего применения. Тем не менее, при соблюдении необходимого баланса между прочностными и электрофизическими характеристиками можно достичь существенных улучшений работы магнитных систем на основе ВТСП, что иллюстрируется лентами на основе соединения Zr_0,15Sm_1,2Ba₂Cu_2,4O_7-δ  с критическим током 253 А, близким к току коммерческого сверхпроводника (273 А).

Superconductor Science Technology, 29, 015003 (2016) 

Д.Н. Диев