Влияние пористости Bi2212 проводников критическую плотность тока
2011, Tом 8, выпуск 3
Тематика: ВТСП материалы 1-го поколения
Ученые из Центра Прикладной Сверхпроводимости и Национальной Лаборатории Сильных Магнитных Полей, Государственный Университет Флориды, США, исследовали влияние пористости на критическую плотность тока в наиболее многообещающем для получения сильных магнитных полей ВТСП соединении Bi2Sr2CaCu2Ox (Bi2212). Многожильные провода круглого сечения на основе Bi2212 изготавливаются по методу «порошок в трубке», при котором порошок Bi2212, находящийся в серебряных трубках, расплавляется, а затем медленно охлаждается с образованием зерен сверхпроводника.
Жилы в проводах, изготовленных таким методом, не совсем плотные, их остаточная пористость составляет примерно 30-40%. Как показали исследования ученых, поры внутри жил, находящихся в расплавленном состоянии, собираются в большие полости, диаметр которых может превосходить диаметр самих жил, таким образом, нарушается связность зерен Bi2212 и уменьшается критическая плотность тока. Во время охлаждения проводника полости, ранее образовавшиеся при расплавлении, частично заполняются зернам Bi2212.
Для того чтобы выделить и исследовать микроструктуру отдельной жилы, а также исключить влияние связи между жилами на значения критических характеристик, был изготовлен специальный образец с меньшей плотностью жил, для этого часть сверхпроводящих жил в нем была заменена серебряными прутками. Изображения отдельной жилы после стравливания серебряной оболочки представлены на рис. 1. На поверхности жилы никаких полостей не видно, однако во внутренней микроструктуре, выявленной с помощью ионной микроскопии (FIB), даже после заполнения полостей зернами Bi2212, пористость структуры не исчезает, связность жил восстанавливается не полностью, что приводит к тому, что максимальная критическая плотность тока не достигается.
Рис. 1. Отдельно выделенная жила в момент формирования зерен Bi2212. (а) Изображение поверхности, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. (b) Изображение внутренней пористой микроструктуры, полученное с помощью ионной микроскопии.
Ученые исследовали влияние пористости на критическую плотность тока при различных скоростях охлаждения проводника. Микроструктура проводов исследовалась двумя способами: с помощью сканирующего электронного микроскопа и синхротронной рентгеновской микротомографии. Оба метода дают сходные результаты. Полости, возникающие из-за скопления пор в расплавленном состоянии, заполняются не полностью. Более того, во время тепловой обработки внутреннее давление газа, образующего поры, смещает расплав к концам провода, снижая плотность сверхпроводника в его центральной части, следовательно, уменьшается критическая плотность тока. Зависимость критической плотности тока от пористости представлена на рис. 2. Значения пористости, представленные на графике, снимались в моменты образования зерен сверхпроводника внутри пор, так как неоднородность пор на этой стадии производства меньше, чем в готовых проводах.
Рис. 2. Зависимость критической плотности тока образцов от пористости.
Рис. 3. Сравнение плотности и критического тока для 17 коротких образцов.
Для того чтобы выяснить, каким именно образом происходит снижение критических характеристик в длинномерных образцах, ученые провели еще одно исследование. Образец длиной около 1 м после термообработки был разрезан на 17 коротких образцов длиной 5 см, для каждого из которых измерялась критическая плотность тока и масса. В ходе экспериментов было обнаружено сильное снижение плотности критического тока с расстоянием от концов провода. Критический ток, измеренный для центрального образца, на 25% меньше критического тока крайних образцов. Более того, критический ток и масса образца оказались сильно коррелированными. Изменение массы провода на 2,5% приводит к изменению критического тока на 25%. Результаты измерений критического тока и массы, представлены на рис. 3. Изменения плотности проводника происходят на длине порядка сантиметра, что намного больше диаметра жилы (15 мкм). Причиной изменения плотности является давление внутреннего газа, из-за которого при термообработке возникают полости, почти полностью заполняющие диаметр жилы.
Ученые пришли к выводу, что снижение критических характеристик длинномерных проводников, в сравнении с короткими образцами, возникает из-за нарушения связности зерен Bi2212 внутри жил. Увеличение плотности материала перед термообработкой, контроль внутреннего давления во время термообработки и поиск других методов сокращения объема полостей – верный путь к увеличению критической плотности тока проводов Bi2212.
1. Superconductor Science and Technology, v.24, N7, 75009, 75016