Παρασκευή και χαρακτηρισμός κόνεων και επιστρώσεων υπεραγωγών υψηλών θερμοκρασιών

Abstract

Superconductors are the materials which under a certain value of temperature, called critical temperature Tc, present the properties of perfect conductivity and perfect diamagnetism. The result of perfect conductivity is the appearance of zero electrical resistance to the bulk of a superconductor when current runs through it at temperatures below the critical value. The result of perfect diamagnetism is that the magnetic inductance becomes zero inside the superconductor at temperatures below the critical value, under the influence of a weak external magnetic field.Among the high temperature superconductors (HTSC), the Bi2Sr2Can-1CunO2n+1 (n = 1, 2, 3) series is of particular importance because of its high value of critical temperature (Τc=85 K (n=2), Tc=110 K (n=3)). Nevertheless, the production of this series has been extremely difficult, since single phase Bi-2212 powder has not been produced until now (the Bi-2201 phase always coexists, even in small percentages, with other undesirable impurities as well). As far as the Bi-2223 phase is concerned, the addition of Pb is necessary during the production procedure of the powder, so that its stabilization can be achieved. Despite all these problems, this series is concerned the most serious candidate for power applications, because the production of cables and tapes can be achieved in high lengths with high enough critical currents, while it does not have the weak-link problems that other HTSC show and which diminish their properties. The aim of this Ph.D.-thesis is the improvement of the production of single phase Bi2Sr2CaCu2O8+x (Bi-2212) superconducting powders and coatings and their characterization. For the production of the superconducting powder, the solid state reaction method was used, which is based on the mixing of raw materials and the thermal treatment of the mixture. More specifically, the solid state reaction method was carried out in two steps. The procedure for the production of the superconducting powder Bi-2212 in two steps is not widely referred in the literature, while the production of the Bi-2212 powder in one step has been studied extendedly. During this study, the improvement of the thermal cycle (temperature and duration of the sintering process) for the production of the powder was achieved, resulting in the production of a nearly single phase Bi2Sr2CaCu2O8+x powder with very good superconducting properties. By this cycle, it was found out that for the production of the powder Bi-2212 the stage of annealing in Ar or O2 environment is not necessary, in contrary to that is referred in the literature, reducing in this way the required reaction time. After the production of the Bi2Sr2CaCu2O8+x powder, the aim was the development of a method for the production of superconducting coatings by the electrophoreric deposition technique. By this method, a colloidal suspension of certain concentration of the superconductor in an organic solvent is produced. The voltage appliance between the electrodes has as result the deposition of the grains of the superconducting powder on the cathode, which is the substrate of the produced coatings. Subsequently, the coatings are subjected to thermal treatment in order to achieve the sintering of the deposited grains and their adherence to the substrate. In this work the parameters of the electrophoretic deposition such as: the kind of the organic solvent, the voltage applied, the distance between the electrodes, the concentration of the suspension were optimized. It should be noticed that in the present Ph.D.-thesis, as substrates mainly commercial Ag, Ni tapes and Si-wafers were used, from 1-50 cm2 area. The use of such substrates was applied for the very first time, since in literature, it is referred either the use of high purity Ag foils, or the use of the very expensive MgO, SrTiO3 and LaAlO3 substrates. The results are very promising for the use of such substrates on technological applications, which will result in the reduction of cost. The properties of the produced powders and coatings were verified by X-Ray diffraction, Raman spectrometry, magnetic susceptibility and electrical resistivity measurements. The optimum thermal cycles for the production of the powder and the coatings were found by thermal analysis methods (DSC, DTA). The grain size of the powders and coatings was measured by Scanning Electron Microscopy (SEM), while the thickness of the coatings was observed by optical microscopy. During this study, an arrangement for the measurement of the electrical resistivity of the superconducting powders was developed and applied in the Laboratory of Inorganic and Analytical Chemistry. By this arrangement, the critical temperature of the bulk superconductors can be found out. The method is less expensive than other methods, while the measurements are carried out fast and easily. To sum up the results and novelties of this Ph.D.-thesis are: ■ Production of Bi2Sr2CaCu2O8+x nearly single phase superconducting powders with very good superconducting properties, high recovery rate and improvement of the thermal cycle for the production, by avoiding a time consuming annealing process. ■ Optimization of the parameters of the electrophoretic deposition. ■ Production of homogeneous and resistant to mechanical strains Bi2Sr2CaCu2O8+x large area (50 cm2) Bi2Sr2CaCu2O8+x superconducting coatings on different commercial substrates. ■ Production of superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+x sandwiches by the electrophoretic deposition technique. ■ Differentiation of the thermal treatment of the produced coatings. ■ Set up of an arrangement for the measurement of the electrical resistivity of superconducting powders.

Υπεραγωγοί ονομάζονται τα υλικά που κάτω από μια ορισμένη θερμοκρασία, που ονομάζεται κρίσιμη θερμοκρασία Tc, παρουσιάζουν τις ιδιότητες της τέλειας αγωγιμότητας και του τέλειου διαμαγνητισμού. Αποτέλεσμα της τέλειας αγωγιμότητας είναι η εμφάνιση μηδενικής ηλεκτρικής αντίστασης στη μάζα του υπεραγωγού όταν αυτός διαρρέεται από ρεύμα σε θερμοκρασίες μικρότερες της κρίσιμης. Αποτέλεσμα του τέλειου διαμαγνητισμού είναι ο μηδενισμός της μαγνητικής επαγωγής στο εσωτερικό του υπεραγωγού όταν αυτός βρίσκεται σε θερμοκρασίες μικρότερες της κρίσιμης υπό την επίδραση ενός ασθενούς εξωτερικά επιβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου. Ανάμεσα στους υπεραγωγούς υψηλών θερμοκρασιών ιδιαίτερη θέση έχει η σειρά Bi2Sr2Can-1CunO2n+4, n=l,2,3 λόγω της υψηλής θερμοκρασίας μετάβασης που εμφανίζει (Tc=85K (n=2), Tc=110K(n=3)). Η παρασκευή ωστόσο της σειράς αυτής έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα δύσκολη, εφόσον μέχρι στιγμής δεν έχει παρασκευαστεί μονοφασική σκόνη Βi-2212 (n=2), (πάντα συνυπάρχει η Βi-2201 φάση (n=1) ακόμα και σε μεγάλα ποσοστά, καθώς και άλλες ανεπιθύμητες προσμίξεις). Όσον αφορά την Bi-2223 (n=3) φάση, η προσθήκη Pb είναι απαραίτητη κατά την διαδικασία παρασκευής της σκόνης για να επιτευχθεί η σταθεροποίηση της. Παρ’ όλα τα προβλήματα, η σειρά αυτή είναι σημαντική για τις εφαρμογές ισχύος, διότι η παρασκευή συρμάτων και ταινιών με τους υπεραγωγούς αυτούς μπορεί να επιτευχθεί σε μεγάλα μήκη με αρκετά υψηλά κρίσιμα ρεύματα, ενώ δεν εμφανίζει τα προβλήματα των ασθενών συνδέσμων που παρουσιάζουν άλλοι υπεραγωγοί υψηλών θερμοκρασιών και υποβαθμίζουν τις υπεραγώγιμες ιδιότητες τους. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η βελτίωση της παρασκευής μονοφασικών κόνεων και επιστρώσεων μεγάλης καθαρότητας του υπεραγωγού Bi2Sr2CaCu2O8+x (Bi-2212) και ο χαρακτηρισμός αυτών. Για την παρασκευή της σκόνης του υπεραγωγού χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της αντίδρασης στερεάς κατάστασης, η οποία στηρίζεται στην ανάμιξη των πρώτων υλών (Bi2O3, SrCO3, CaCO3 και CuO) και στην κατάλληλη θερμική κατεργασία του μίγματος. Πιο συγκεκριμένα, η μέθοδος της αντίδρασης στερεάς κατάστασης πραγματοποιήθηκε σε δύο βήματα, επιτυγχάνοντας ανακτήσεις της τάξης του 98%. Η διαδικασία παρασκευής της υπεραγώγιμης σκόνης Bi - 2212 σε δύο βήματα, αναφέρεται ελάχιστα στην διεθνή βιβλιογραφία, ενώ αντιθέτως έχει μελετηθεί εκτενώς η παρασκευή της σκόνης με ένα βήμα. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε βελτίωση του θερμικού κύκλου παρασκευής της σκόνης (θερμοκρασία και χρόνος πυροσυσσωμάτωσης) με αποτέλεσμα την παραγωγή σκόνης Bi2Sr2CaCu2O8+x με πολύ καλές υπεραγώγιμες ιδιότητες. Βάση του κύκλου αυτού διαπιστώθηκε ότι για την παρασκευή της σκόνης δεν είναι απαραίτητο το στάδιο της ανόπτησης της σκόνης σε περιβάλλον Ar ή Ο2, όπως γενικά αναφέρεται στην βιβλιογραφία. Μετά την παρασκευή της σκόνης Bi2Sr2CaCu2O8+x στόχο αποτέλεσε η παρασκευή υπεραγώγιμων επιστρώσεων με τη μέθοδο της ηλεκτροφορητικής εναπόθεσης. Κατά τη μέθοδο αυτή παρασκευάζεται αιώρημα ορισμένης συγκέντρωσης του υπεραγωγού σε οργανικό διαλύτη. Η επιβολή τάσης μεταξύ των ηλεκτροδίων έχει σαν αποτέλεσμα την εναπόθεση των κόκκων της υπεραγώγιμης σκόνης στη κάθοδο, η οποία αποτελεί το υπόστρωμα στις παραγόμενες επιστρώσεις. Ακολούθως οι επιστρώσεις υποβάλλονται σε θερμική κατεργασία ώστε να επιτευχθεί η πυροσυσσωμάτωση των εναποτιθέμενων κόκκων και η πρόσφυση αυτών στο υπόστρωμα. Στην εργασία αυτή μελετήθηκαν οι παράμετροι λειτουργίας της ηλεκτροφορητικής εναπόθεσης για τον συγκεκριμένο υπεραγωγό BSCCO (2212) όπως: το είδος οργανικού διαλύτη, η επιβαλλόμενη τάση, η απόσταση των ηλεκτροδίων, η συγκέντρωση του αιωρήματος, με στόχο την βελτιστοποίηση της μεθόδου. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ως υποστρώματα στην παρούσα διδακτορική διατριβή χρησιμοποιήθηκαν κυρίως εμπορικά δισκία και ταινίες αργύρου και νικελίου και μελετήθηκε η συμβατότητα τους με το υπεραγώγιμο υλικό. Η χρήση τέτοιων υποστρωμάτων έγινε για πρώτη φορά, εφόσον στην βιβλιογραφία αναφέρεται είτε η χρήση φύλλων αργύρου υψηλής καθαρότητας είτε η χρήση υποστρωμάτων MgO, SrTiO3 και LaAlO3, τα οποία έχουν υψηλό κόστος. Τα αποτελέσματα είναι πολύ ενθαρρυντικά για την χρήση τέτοιων υποστρωμάτων σε τεχνολογικές εφαρμογές που απαιτούνται μεγάλες επιφάνειες, με αποτέλεσμα την μείωση του κόστους παραγωγής. Οι ιδιότητες των παραγόμενων κόνεων και επιστρώσεων μελετήθηκαν με περίθλαση ακτινών X, φασματομετρία Raman και μέτρηση μαγνητικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων. Η εύρεση των βέλτιστων θερμικών κύκλων για την παρασκευή των κόνεων και των επιστρώσεων έγινε με χρήση θερμικών μεθόδων ανάλυσης (DSC, DTA). Η μελέτη της κοκκομετρίας των κόνεων και των επιστρώσεων πραγματοποιήθηκε με χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου (SEM), ενώ το πάχος των επιστρώσεων μετρήθηκε με οπτικό μικροσκόπιο. Υπεραγωγοί ονομάζονται τα υλικά που κάτω από μια ορισμένη θερμοκρασία, που ονομάζεται κρίσιμη θερμοκρασία Tc, παρουσιάζουν τις ιδιότητες της τέλειας αγωγιμότητας και του τέλειου διαμαγνητισμού. Αποτέλεσμα της τέλειας αγωγιμότητας είναι η εμφάνιση μηδενικής ηλεκτρικής αντίστασης στη μάζα του υπεραγωγού όταν αυτός διαρρέεται από ρεύμα σε θερμοκρασίες μικρότερες της κρίσιμης. Αποτέλεσμα του τέλειου διαμαγνητισμού είναι ο μηδενισμός της μαγνητικής επαγωγής στο εσωτερικό του υπεραγωγού όταν αυτός βρίσκεται σε θερμοκρασίες μικρότερες της κρίσιμης υπό την επίδραση ενός ασθενούς εξωτερικά επιβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου. Ανάμεσα στους υπεραγωγούς υψηλών θερμοκρασιών ιδιαίτερη θέση έχει η σειρά Bi2Sr2Can-1CunO2n+4, n=l,2,3 λόγω της υψηλής θερμοκρασίας μετάβασης που εμφανίζει (Tc=85K (n=2), Tc=110K(n=3)). Η παρασκευή ωστόσο της σειράς αυτής έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα δύσκολη, εφόσον μέχρι στιγμής δεν έχει παρασκευαστεί μονοφασική σκόνη Βi-2212 (n=2), (πάντα συνυπάρχει η Βi-2201 φάση (n=1) ακόμα και σε μεγάλα ποσοστά, καθώς και άλλες ανεπιθύμητες προσμίξεις). Όσον αφορά την Bi-2223 (n=3) φάση, η προσθήκη Pb είναι απαραίτητη κατά την διαδικασία παρασκευής της σκόνης για να επιτευχθεί η σταθεροποίηση της. Παρ’ όλα τα προβλήματα, η σειρά αυτή είναι σημαντική για τις εφαρμογές ισχύος, διότι η παρασκευή συρμάτων και ταινιών με τους υπεραγωγούς αυτούς μπορεί να επιτευχθεί σε μεγάλα μήκη με αρκετά υψηλά κρίσιμα ρεύματα, ενώ δεν εμφανίζει τα προβλήματα των ασθενών συνδέσμων που παρουσιάζουν άλλοι υπεραγωγοί υψηλών θερμοκρασιών και υποβαθμίζουν τις υπεραγώγιμες ιδιότητες τους. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η βελτίωση της παρασκευής μονοφασικών κόνεων και επιστρώσεων μεγάλης καθαρότητας του υπεραγωγού Bi2Sr2CaCu2O8+x (Bi-2212) και ο χαρακτηρισμός αυτών. Για την παρασκευή της σκόνης του υπεραγωγού χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της αντίδρασης στερεάς κατάστασης, η οποία στηρίζεται στην ανάμιξη των πρώτων υλών (Bi2O3, SrCO3, CaCO3 και CuO) και στην κατάλληλη θερμική κατεργασία του μίγματος. Πιο συγκεκριμένα, η μέθοδος της αντίδρασης στερεάς κατάστασης πραγματοποιήθηκε σε δύο βήματα, επιτυγχάνοντας ανακτήσεις της τάξης του 98%. Η διαδικασία παρασκευής της υπεραγώγιμης σκόνης Bi - 2212 σε δύο βήματα, αναφέρεται ελάχιστα στην διεθνή βιβλιογραφία, ενώ αντιθέτως έχει μελετηθεί εκτενώς η παρασκευή της σκόνης με ένα βήμα. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε βελτίωση του θερμικού κύκλου παρασκευής της σκόνης (θερμοκρασία και χρόνος πυροσυσσωμάτωσης) με αποτέλεσμα την παραγωγή σκόνης Bi2Sr2CaCu2O8+x με πολύ καλές υπεραγώγιμες ιδιότητες. Βάση του κύκλου αυτού διαπιστώθηκε ότι για την παρασκευή της σκόνης δεν είναι απαραίτητο το στάδιο της ανόπτησης της σκόνης σε περιβάλλον Ar ή Ο2, όπως γενικά αναφέρεται στην βιβλιογραφία. Μετά την παρασκευή της σκόνης Bi2Sr2CaCu2O8+x στόχο αποτέλεσε η παρασκευή υπεραγώγιμων επιστρώσεων με τη μέθοδο της ηλεκτροφορητικής εναπόθεσης. Κατά τη μέθοδο αυτή παρασκευάζεται αιώρημα ορισμένης συγκέντρωσης του υπεραγωγού σε οργανικό διαλύτη. Η επιβολή τάσης μεταξύ των ηλεκτροδίων έχει σαν αποτέλεσμα την εναπόθεση των κόκκων της υπεραγώγιμης σκόνης στη κάθοδο, η οποία αποτελεί το υπόστρωμα στις παραγόμενες επιστρώσεις. Ακολούθως οι επιστρώσεις υποβάλλονται σε θερμική κατεργασία ώστε να επιτευχθεί η πυροσυσσωμάτωση των εναποτιθέμενων κόκκων και η πρόσφυση αυτών στο υπόστρωμα. Στην εργασία αυτή μελετήθηκαν οι παράμετροι λειτουργίας της ηλεκτροφορητικής εναπόθεσης για τον συγκεκριμένο υπεραγωγό BSCCO (2212) όπως: το είδος οργανικού διαλύτη, η επιβαλλόμενη τάση, η απόσταση των ηλεκτροδίων, η συγκέντρωση του αιωρήματος, με στόχο την βελτιστοποίηση της μεθόδου. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ως υποστρώματα στην παρούσα διδακτορική διατριβή χρησιμοποιήθηκαν κυρίως εμπορικά δισκία και ταινίες αργύρου και νικελίου και μελετήθηκε η συμβατότητα τους με το υπεραγώγιμο υλικό. Η χρήση τέτοιων υποστρωμάτων έγινε για πρώτη φορά, εφόσον στην βιβλιογραφία αναφέρεται είτε η χρήση φύλλων αργύρου υψηλής καθαρότητας είτε η χρήση υποστρωμάτων MgO, SrTiO3 και LaAlO3, τα οποία έχουν υψηλό κόστος. Τα αποτελέσματα είναι πολύ ενθαρρυντικά για την χρήση τέτοιων υποστρωμάτων σε τεχνολογικές εφαρμογές που απαιτούνται μεγάλες επιφάνειες, με αποτέλεσμα την μείωση του κόστους παραγωγής Οι ιδιότητες των παραγόμενων κόνεων και επιστρώσεων μελετήθηκαν με περίθλαση ακτινών X, φασματομετρία Raman και μέτρηση μαγνητικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων. Η εύρεση των βέλτιστων θερμικών κύκλων για την παρασκευή των κόνεων και των επιστρώσεων έγινε με χρήση θερμικών μεθόδων ανάλυσης (DSC, DTA). Η μελέτη της κοκκομετρίας των κόνεων και των επιστρώσεων πραγματοποιήθηκε με χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου (SEM), ενώ το πάχος των επιστρώσεων μετρήθηκε με οπτικό μικροσκόπιο.