КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 16-19-10054

НазваниеИсследование процессов вакуумно-плазменного формирования искусственных центров пиннинга в ВТСП керамике и создание на её основе активных элементов силовой электротехники нового поколения

РуководительЛепешев Анатолий Александрович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук", Красноярский край

Года выполнения при поддержке РНФ2016 - 2018

КонкурсКонкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-306 - Инженерно-физические проблемы электротехники и технической сверхпроводимости

Ключевые словаВысокотемпературные сверхпроводники, искусственные центры пиннинга, нанодисперсные оксиды, плазмохимический синтез, критический ток

Код ГРНТИ45.09.33


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Одной из основных характеристик сверхпроводников является критическая плотность тока Jc (и, соответственно, критический ток Ic). В купратных высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) величина Jc при H=0 очень большая, но с ростом H быстро уменьшается, что ограничивает использование ВТСП в силовых электрических устройствах и обмотках мощных магнитов при температуре жидкого азота. Для увеличения Jc в сверхпроводник намеренно вводят дефекты – центры пиннинга, которые препятствуют свободному перемещению магнитных вихрей, приводящему к диссипации энергии. Задача состоит в определении оптимальных размеров и формы центров пиннинга, а также их количества и расположения в образце. После ионного облучения монокристаллов YBa2Cu3O7-x наблюдается существенное увеличение Jc, из чего можно сделать вывод, что радиационные дефекты являются эффективными центрами пиннинга магнитного потока. Традиционные способы создания повышения плотности критического тока Jc в ВТСП, такие как, например, облучение высокоэнергетичными ионами или нейтронами, не смотря на их определенные успехи, трудоемки и дороги. Очевидно, требуются другие относительно простые физико-химические методы создания искусственных центров пиннинга. Одним из перспективных с технологической точки зрения методов создания дополнительных центров пиннинга и, следовательно, увеличения транспортных характеристик ВТСП, представляется введение в сверхпроводящий материал наноразмерных добавок (НРД) неорганических материалов. При этом необходим выбор инертных по отношению к сверхпроводящей матрице примесей, которые, с одной стороны, не понижали бы Tc исходного сверхпроводника, а с другой стороны – при введении в сверхпроводящий материал играли бы роль эффективных центров пиннинга. Впервые будет исследован пиннинг магнитного потока в композитных материалах на основе ВТСП и несверхпроводящих ингредиентов (CuO, ZrO2), полученных в плазме дугового разряда низкого давления. Будет проведен анализ зависимостей M(T), соответствующих сверхпроводящему переходу в подсистеме межгранульных границ в композитах YBa2Cu3O7 + CuO/ ZrO2, в широком диапазоне внешнего поля (как в области слабых полей до ~10 2 Oe, так и в полях до 6×104 Oe), исследованы механизмы диссипации с ростом магнитного поля: для диапазона сильных магнитных полей и широкого диапазона температур. Будет показано влияние вакуумного плазменного допирования на снижение крипа магнитного потока в диапазоне слабых полей (область высоких температур). Будет показано, что механизм, определяющий значительный пик-эффект в данных материалах в области сильных магнитных полей, является пиннинг магнитного потока в межгранульной среде. Будет предложен критерий выявления механизма, определяющего гистерезисное поведение намагничивания гранулярных ВТСП. Он основан на экспериментальном определении зависимости (или отсутствия зависимости) полевой ширины гистерезиса М(H) от транспортного тока.Впервые будут исследованы зависимости полевой ширины гистерезиса от транспортного тока, механизмы гистерезисного поведения намагниченности в исследованных ВТСП, влияние потока, захваченного в сверхпроводящих гранулах, на эффективное поле в межгранульных границах. Будет показано, что получаемый из экспериментальных данных параметр - полевая ширина гистерезиса, характеризует внутригранульный пиннинг и сжатие магнитного потока в межгранульной среде. Будет исследована серия поликристаллов ВТСП, различающихся диамагнитными свойствами, с целью установления взаимосвязи между этими свойствами и предыстории вакуумной плазменной обработки.

Ожидаемые результаты
Будут получены следующие результаты: 1. Разработано устройство вакуумно-дугового синтеза искусственных центров пиннинга в гранулярных ВТСП. 2. Представлены особенности формирования искусственных центров пиннинга в плазме дугового разряда низкого давления. Будет показано, что реализация плазменных процессов в вакууме открывает качественно новые возможности в процессах формирования искусственных центров пиннинга. При этом, обеспечивается высокая чистота, открываются широкие возможности для генерации активных плазм, управления ими при помощи электрических и магнитных полей с последующим формированием искусственных центров пиннинга методом конденсации из плазменной фазы. Причем такие параметры, как высокие температура и степень ионизации плазмы оказывают существенное влияние на дисперсность получаемых включений. Изменение энергии частиц в процессе конденсации позволит получать различные структуры конкретного материала от аморфных до кристаллических, при этом размеры, форма кристаллов меняются в зависимости от энергии. При смешении ряда активных плазм открываются возможности проведения плазмохимических реакций прямого синтеза сложных веществ, более того реакции происходят без выхода побочных продуктов. 3. Изучены процессы кинетики и механизмов конденсации в паровой и плазменной фазе. Проведено обоснование основных технологических параметров при формирования искусственных центров пиннинга в дуговом разряде низкого давления. На основе системного анализа вакуумной ионно-плазменной технологии установлены основные принципы выбора технологических режимов получения включений. 4. Изучены процессы модификации поверхности гранул ВТСП в паровой и плазменной фазе. Будут установлены этапы роста искусственных центров пиннинга с учётом релаксационных процессов перехода атомов из газовой фазы в стабильную твердую фазу через ряд промежуточных стадий. Каждая из этих стадий характеризуется определенным средним временем релаксации. 5. Исследованы микроструктурные особенности и фазовый состав полученных образцов композитов на основе YBCO и произведена оценка их влияния на транспортные и магнитные характеристики. 6. Исследовано влияние наночастиц ZrO2 на переход от упорядоченного состояния вихревой решетки (ВР), к неупорядоченному состоянию, приводящего к искажениям кристаллической структуры на поверхности раздела, влияющему на распределение кислорододефицитных областей и увеличивающего количество микрообластей с низким Jc. Исследовано влияние несверхпроводящих ZrO2 частиц, гомогенно диспергированных в сверхпроводящей матрице, на пиннинг и крип магнитного потока. 7. Исследовано влияние концентрации добавок электродугового нанопорошка CuO в структуре гранул YBa2Cu3O7, представляющего собой искусственные центры пиннинга, на направление роста наноструктурных дефектов, их морфологию и соотношение между различными видами дефектов. 8. Исследован пиннинг магнитного потока в композитах на основе YBCO. Экспериментально будут установлены оптимальные значения концентрации и дисперсности внедряемых нанодобавок, при которых наблюдается эффект повышения критического тока поликристаллических сверхпроводящих материалов на основе YBCO. Определены диапазоны температур и магнитных полей, при которых наблюдается максимальное повышение критического тока образцов. Получены концентрационные зависимости критического тока ВТСП для различных условий вакуумной плазменной обработки в широком диапазоне флюенсов и показано, что критический ток исследованных образцов характеризуется большей чувствительностью к плазменным воздействиям на гранулы прекурсора, чем их критическая температура. Изучены магнитные неустойчивости дендритного типа и изучен механизм релаксации магнитного момента в YBa2Cu3O7-y/ CuO/ нано-ZrO2 гранулярных композитах. 9. Исследованы возможности практического применения полученных научных результатов, в частности, возможности создания опытного образца ограничителя тока короткого замыкания индукционного типа на основе композита YBa2Cu3O7-y/ CuO. Полученные данные соответствуют мировому уровню и могут быт использованы ведущими производителями и разработчиками ВТСП, такими как SuperPowerInc, AmericanSuperconductor, Чепецкий механический завод, ОАО «ЧМЗ», СуперОкс, компания "Русский сверхпроводник", а также научно-образовательными учереждениями ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», институтом физики им. Л.В. Киренского СО РАН, ИМЕТ РАН им. А.А. Байкова, МГУ им. М.В. Ломоносова, НИЦ КИ, ВНИИНМ им. А.А. Бочвара,МВТУ им. Н.Э. Баумана и др.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Проведен анализ существующих методов создания искусственных центров пиннинга в сверхпроводящих материалах. Критический ток очень чувствителен к дефектам в сверхпроводниках, поскольку определяется характером взаимодействия вихревой решетки Абрикосова с центрами пиннинга. В качестве центров пиннинга могут выступать разнообразные природные, технологические и искусственные дефекты, такие как несверхпроводящие наночастицы, увеличение концентрации которых приводит к существенному росту критического тока вплоть до максимальных значениий. Из большого списка медно-оксидных сверхпроводников в качестве объектов для исследований выбраны высокотемпературные сверхпроводники YBa2Cu3O7-x. Именно эти сверхпроводники в настоящее время широко используются для производства токопроводящих лент первого и второго поколений. Искусственные центры пиннинга в ВТСП в настоящее время можно создать тремя основными методами: введение наноразмерных добавок, например, в процессе синтеза или модифицируя уже готовые ВТСП; воздействуя на ВТСП при помощи различного вида излучения; создание планарных пленок, с уже существующими дефектами. Химические соединения такие как CuO, ZrO2 и др., в небольшом объеме уничтожают сверхпроводимость. Такой объем становится основным центром пиннинга и способствует увеличение критической плотности тока Jc. Введение нанодобовок в ВТСП позволяет увеличить плотность критического тока до 200%. Радиационные дефекты в качестве центров пиннинга образуются при облучении нейтронами и заряженными частицами – ионами и электронами. Необходимость использования относительно малых толщин образцов является существенным недостатком радиационного воздействия энергиями 0,1-5 МэВ. При облучении быстрыми нейтронами монокристаллических пленок YBa2Cu3O7-x были достигнуты плотности критического тока Jc=8·105А/см2 при В=0 и Т=77 К. Облучение ионами кислорода с энергией E=25 МэВ эпитаксиальных пленок YBa2Cu3O7-x привело к значительному увеличению плотности критического тока при Т=77 К, B=0 - Jc=5.2·106 A/см-2. Однако, сложность и дороговизна радиационного облучения представляет собой существенную проблему. И улучшение характеристик сверхпроводников с помощью радиационных воздействий на сегодняшний день не является конкурирующим методом. Разработаны экспериментальные методики измерения, приготовление и характеризации образцов. Морфологический состав исследуемых образцов изучался на просвечивающем электронном микроскопе JEOL JEM-2100. Исследование фазового состава полученных образцов проводили с помощью рентгеновского дифрактометра Advance D8 в CuK монохроматизированном излучении. Сканирование проводилось при комнатной температуре в интервале углов 30–120о по 2 шагом 0,04о. Для регистрации излучения плазмы дугового разряда применялся спектрометр Ocean Optics HR4000. Диапазон измерения спектров излучения данного спектрометра 200–1100 nm, разрешение 0.7 nm. Удельная поверхность измерялась методом БЭТ. Модель критического состояния Бина основана на индуктивной методике. Так как фактически намагниченность образца — это разница между внешним и внутренним полем, то jc ~ M/r, где r – радиус частицы. Коэффициент пропорциональности выбирается из условий измерения. Метод измерения намагниченности с помощью преобразователей Холла (ПХ). Значение намагниченности M сверхпроводящего образца получается с помощью ПХ, величины магнитной индукции B за вычетом внешнего магнитного поле H. Применялся также метод измерения намагниченности при помощи шагового (вибрационного) магнитометра, созданный в лаборатории сильных магнитных полей и низких температур (Институт Физики СОРАН). Вибрационный магнитометра действует по следующему принципу: образец движется возвратно-поступательно между измерительными катушками с компенсированным полем, а сигнал с них синхронизируется с движением образца. Кривые намагниченности и гистерезисных потерь ВТСП измерялись методом Фитца. Процесс намагничивания образца коррелирует с величиной появляющейся э.д.с., которая, с помощью электронного интегратора, интегрируется по времени. Разработана и создана экспериментальная установка для вакуумно-дугового синтеза искусственных центров пиннинга в гранулярных ВТСП. Мощность испарителя не менее 20 кВт, анод имеет большую прозрачность для исключения потерь испаряемого материала, рабочее давление 0,1-200 Па, испаритель работает в стационарном и квазистационарном (импульсном) режиме, система газонапуска обеспечивает точную подачу реакционного и буферного газа, газ для плазмохимических реакций подавается через устройство распределения в испарителе. Создана технологическая оснастка для получения нанокомпозиционных материалов на основе ВТСП и нанодобавок обеспечивающая: равномерное распределение нанодобавок в порошковой матрице; «сухой» тип перемешивани; обработку порошковых материалов дисперсностью от 50 нм до 50 мкм. Изучены особенности термического взаимодействия молекулярного кислорода с поверхностями наночастиц меди и циркония, образующихся в результате процессов испарения и конденсации в плазме дугового разряда низкого давления. Исследовано влияние парциального давления кислорода в газовой смеси и давления рабочего газа в реакционной камере на фазовый состав и дисперсность наночастиц. Исследован синтез наночастиц оксида меди с различным процентным содержанием фазы CuO и Cu2O. Скорость производства синтезированного CuO, в пределах экспериментальных погрешностей, уменьшается при увеличении концентрации O2. При увеличении концентрации кислорода до 20 объемн.% кристалличность наночастиц уменьшается, при этом увеличивается параметр решетки от 4,285 Å до 4,290 Å, который существенно больше крупнокристаллических образцов. Повышение концентрации кислорода до 40 объемн.% O2 от подачи азота приводит к монотонному увеличению доли CuO до 86%. Устойчивый рост моноклинной фазы оксида меди, от 0 до 86%, означает, что концентрации O2 в процессе синтеза оказывает сильное влияние на формирование кристаллических фаз. При увеличении концентрации кислорода интенсифицируются химические процессы окисления на поверхности катода, что вызывает снижение скорости испарения катода, резко усиливается интенсивность плазмохимических реакций и, как следствие, более интенсивное насыщение кислородом образующихся в результате дугового испарения кластеров меди. Низкая концентрация O2 способствует в формировании кубической фазы Cu2O, в то время как увеличение концентрации O2 способствует росту моноклинной фазы CuO. Изменение в кристаллической фазе, в расчете на изменение O2 в реакторе, связано с кластерной химией паровой фазы конденсации. Сходство ИК-спектров наночастиц, полученных при разных концентрациях кислорода в плазмохимическом реакторе объясняется малыми размерами частиц и наличием нескольких фаз в синтезированном нанопорошке, что подтверждается РФА исследованиями. Изучено влияние концентрации кислорода газовой смеси с аргоном в плазмохимическом реакторе постоянного тока дуговой плазмы на формирование кристаллической фазы ZrO2. Была измерена скорость синтеза ZrO2 при разных концентрациях кислорода. Для 5, 15, 20 и 25 объемн.% O2 они составили соответственно 18,3, 14,3, 14,1 и 14 г/час соответственно. Быстрый рост тетрагональной фазы, от 0,1 до 4,9, означает, что концентрации O2 в процессе синтеза оказывает сильное влияние на формирование кристаллических фаз. Высокая концентрация O2 помогает в формировании тетрагональной фазы, в то время как уменьшение концентрации O2 способствует росту моноклинной фазы. Ионы циркония смешиваются в плазменном столбе с возбужденными атомами кислорода и вступают в химическую реакцию, образуя молекулы Zr-O, которые затем быстро охлаждаются и становятся центрами кристаллизации. Другим немаловажным фактором формирования фазового состава ZrO2 является скорость охлаждения синтезированных наночастиц, которая напрямую зависит от теплопроводности газовой смеси. Высокое содержание кислорода способствует пассивации и стабилизации высокотемпературной тетрагональной фазы ZrO2, и, следовательно, ее доля в порошке возрастает. Исследованы основные процессы и механизмы формирования искусственных центров пиннинга на поверхности гранул ВТСП из паровой и плазменной фазы. Для создания искусственных центров пиннинга применены нанодисперсные порошки CuO. Порошок представляет собой ансамбль сильно агломерированных частиц неправильной формы размером от 5 до 9 нм. Форма частиц, как правило, близка к сферической. Исследование гранулометрического состава показало, что полученный НП имеет логарифмически нормальный характер распределения и средний размер частиц 8 нм, среднеквадратичное отклонение 1,2. Величина удельной поверхности, рассчитанная по изотерме низкотемпературной адсорбции аргона, составила 446 м2/г. Экзотермический эффект для навески НП оксида меди начинается практически при комнатной температуре и имеет первый пик при температуре 553 К и сопровождается уменьшением массы навески на 12 %. Основная потеря массы образцов вследствие обезвоживания наблюдается вплоть до 1273 К. Поэтому необходимы изотермические выдержки при температурах, указанных на дериватограммах. При нагревании до 553 K кроме CuO в образце появляются еще рефлексы, соответствующие кубической фазе Cu2O. При нагревании образца до температуры 800 K CuO продолжает терять кислород, превращаясь в Cu2O. удельной поверхности НМ оксида меди от термообработки. Разработан метод формирования искусственных центров пиннинга в ВТСП керамике. Поток частиц-модификаторов от импульсного дугового испарителя поступает к модифицируемому материалу в емкости для перемешивания. За счет вибрации емкости порошок перемешивается. При этом весь находящийся в емкости модифицируемый материал, подвергаемый динамическому воздействию вибрации, периодически проходит через проволочные витки пружин, при столкновении с которыми разрушаются образовавшиеся в промежутках между этими столкновениями агломераты частиц порошка. Разрушение агломератов происходит также за счет вертикальных перемещений пружин относительно емкости при ее вибрации. При добавлении CuO в количестве 10 мас.% дефекты представляют собой каплеобразные включения с максимальным размером от 90 до 120 нм. При увеличении концентрации CuO вплоть до 20 мас.% наряду с каплеобразным дефектами появляются включения в виде усов с размером в длину от 200 до 300 нм. Усы представляют собой столбчатые структуры, направленные преимущественно изотропно. Закругление острия составляет около 2 нм. Статистический анализ нескольких сот дефектов показал, что средний размер каплевидных структур в максимальном поперечнике составляет 65 нм, а столбчатых структур в диаметре у основания составляет 80 нм и в длину 250 нм. Проведенный фазовый и элементный анализ показал, что основной состав усов нестехиометрический CuO0,8 c моноклинной решеткой. Добавки электродугового нанопорошка CuO приводят к росту несверхпроводящих включений CuO в структуре гранул YBa2Cu3O7, представляющие собой центры пиннинга; рост наноструктурных дефектов, их морфологию, соотношение между различными видами дефектов, направление роста можно регулировать простым изменением концентрации добавок нанопорошка.

 

Публикации

1. Лепешев А.А., Ушаков А.В., Карпов И.В., Балаев Д.А., Красиков А.А., Дубровский А.А., Великанов Д.А., Петров М.И. Particularities of the magnetic state of CuO nanoparticles produced by low-pressure plasma arc discharge Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, Vol. 29, pp. 1-6. (год публикации - 2016).

2. Ушаков А.В., Карпов И.В., Лепешев А.А. Plasma-chemical synthesis of Fe3O4 nanoparticles for doping of high-temperature superconductors Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, Vol. 29, pp. 1-6. (год публикации - 2016).

3. Ушаков А.В., Карпов И.В., Лепешев А.А., Петров М.И. Plasma-chemical synthesis of copper oxide nanoparticles in a low-pressure arc discharge Vacuum, Vol. 133, pp. 25-30. (год публикации - 2016).


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
1. Усовершенствовано устройство для модификации ВТСП порошка в плазме дугового разряда низкого давления. Устройство смонтировано на базе ионно-плазменной установки ННВ-6.6-И1 и состоит из вакуумной камеры, снабженной системой откачки, обеспечивающей создание в камере рабочего давления 10-3 Па, плазменно-дугового испарителя, системы подачи газа и вибрационный стенда, обеспечивающего амплитуду колебаний 0,24…4 мм и частоту 12…25 Гц. Разработанное устройство позволяет намного расширить номенклатуру модифицируемых материалов, а также гибко влиять на структуру и другие свойства, что дает возможность создания совершенно новых нанокомпозиционных материалов для порошковой металлургии и других областей материаловедения и отраслей промышленности. 2. Разработан комплексный метод модификации ВТСП керамики в плазме дугового разряда низкого давления. Разработанный метод позволяет формировать на поверхности дисперсных частиц порошка ВТСП-керамики несверхпроводящее покрытие, состоящее, из самоорганизующихся частиц, размеры которых менее длины когерентности, т.е. в пределах нескольких десятков нанометров. Увеличение количества частиц, размеры которых менее длины когерентности, обусловливает увеличение количества центров пиннинга на поверхности дисперсных частиц ВТСП-порошка. В целом, образование центров пиннинга и увеличение их количества способствует повышению величины критического тока сверхпроводящего проводника путем подавления возникновения магнитного поля. 3. Изучены процессы модификации поверхности гранул ВТСП в паровой и плазменной фазе. На основании изучения снимков СЭМ, диаграммы распределения частиц и функции плотности распределения по размерам наночастиц оксида меди на поверхности частиц YBCO, полученные при давлении газовой смеси 70%He + 30%O2 70 Па можно выделить три основных механизма образования наночастиц: бездиффузионный, диффузионный и коагуляционный. Поскольку в процессе синтеза наночастиц в плазмохимическом реакторе всегда идут химические процессы, то функция распределения наночастиц по размерам осложняется еще и продуктами этих реакций. При этом усложняется и морфология частиц, образуются частицы различного химического состава, взаимная диффузия наночастиц в конденсированной фазе, а при достаточно высокой температуре идут несколько процессов одновременно при образовании сильной связи между наночастицами. За короткий промежуток времени коалесценция приводит к образованию сложных частиц неправильной формы, но в более равновесной конфигурации. На наночастицы в процессе синтеза действуют силы поверхностного натяжения, которые ускоряют диффузионные процессы на поверхности. 4. Получены экспериментальные образцы модифицированной ВТСП керамики с разной концентрацией наночастиц и исследованы их микроструктурные особенности и фазовый состав. Получены композиты YBCO + x ZrO2 (x = 0,5, 4, 8 и 12 мас.%). Все структурные параметры YBCO, такие как параметры решетки, орторомбичность, объем элементарной ячейки, остаются неизменными. На поверхности частиц YBCO обнаружены наночастицы ZrO2 в моноклинной (2Θ = 28,20, 31,20, 35, hkl: (-111), (111), (002)) и тетрагональной (2Θ = 30,02, 49,8, hkl: (101), (112)) фазе. Нанопорошок равномерно распределен по поверхности частиц YBCO и, кроме того заполняет межзеренное пространство и поры, что может действовать как катализатор для улучшения качества структуры на границах зерен. Все образцы показывают сверхпроводящий переход около 90 К, но переходное уширение больше в случае композитных образцов, чем исходных. Измерения намагниченности в диапазоне полей до 5 Т и пересчет по модели Бина показали, что Jс в случае композитных образцов больше, чем исходного во всем диапазоне магнитного поля. Пиковое значение Jс составляет 6,7 × 104 А /см2 для исходного образца и 1,8 × 105 А /см2 для YBCO + 8% ZrO2. Таким образом, для данной концентрации ZrO2 наблюдается усиление Jс в 3 раза. Кроме этого, Jс при 50 kOe почти в 10 раз больше, чем исходного. Получены композиты YBCO + x CuO (x = 0,5, 5, 15 и 20 мас.%). Все образцы кристаллизуются в орторомбической фазе с пространственной группой Pmmm. Была обнаружена моноклинная (2Θ = 35,44, 35,56, 38,78, 48,76, hkl: (002), (-111), (111), (-202)) фаза CuO наночастиц. Полнопрофильный анализ полученных дифрактограмм по методу Ритвельда показал, что плазменная обработка ВТСП и добавление оксида меди более 5 мас.% приводит к появлению двух орторомбических фаз с разными параметрами решетки a(Å)= 3,828, 3,884, b(Å)= 3,890, 3,8193. При концентрации 20 мас.% нанопоршка оксида меди на поверхности ВТСП кроме агломератов появляются самоорганизованные структуры в виде «усов». Представлены результаты исследования намагниченности полученных образцов. Добавка 20 мас.% CuO приводит к существенному (более чем в 3 раза) увеличению как пикового значения намагничивания в области мейснеровских токов, так и в области сильных полей. Изучены критические плотности тока Jc, для легированных YBCO сверхпроводников при 77 и 70 К в зависимости от магнитного поля B при концентрации xCuO = 10 и 20 мас.%. Введение 10 мас.% нанодисперсного порошка CuO приводит к снижению критической температуры Tc и увеличению ширины переходной зоны. Образцы композитов с 20 мас. % нано-CuO демонстрируют существенное увеличение критической плотности тока Jc во всем диапазоне приложенного магнитного поля B. Кроме того, в диапазоне магнитных полей B от 1 до 2 Тл образцы показывают явный пик эффект. В диапазоне магнитных полей B от 0 до 1 Т усиление пиннинга магнитного потока происходит благодаря несверхпроводящим включениям CuO каплеобразной формы. Тогда как в диапазоне магнитных полей B от 1 до 5 Т для композитов с 20 мас. % CuO увеличение плотности критического тока Jc и особенно пик эффект связан, скорее всего, с появлением несверхпроводящих включений CuO в виде усов. Для таких композитов характерно сложное взаимодействие двух типов дефектов капель и усов. Таким образом, основной вклад в силу пиннинга дают дефекты в виде усов, а «вспомогательный» пиннинг на каплях препятствует крипу. Кроме существенного увеличения плотности критического тока Jc для композита YBCO +CuO с 20 мас. % CuO пик эффект проявляет температурную зависимость. Для 77 и 70 К пиковое значение Bp соответственно 1,5 и 2,5 Т. Дефекты в виде усов влияют на критическую температуру Tc и ширину переходной зоны ΔTc. Для композита с 20 мас.% CuO эти величины составляют соответственно 91 и 0,5 К. Изменения в композитах YBCO +CuO с 20 мас. % CuO, связанные с деформациями от дефектов и увеличение Tc влияет на пиннинг магнитного потока. Наиболее эффективный пиннинг может возникнуть в результате соответствующей комбинации дефектов. Изучены температурные зависимости магнитного момента M(T) полученного образца нанопорошка CuO при охлаждении в поле и без поля (ZFC и FC) для различных внешних магнитных полей. В слабых полях расхождение кривых M(T) режимах ZFC и FC существенное, но при увеличении поля расхождение существенно уменьшается. С ростом внешнего поля существенно изменяется и характер температурной зависимости M(T). Описанные особенности магнитного поведения наночастиц CuO проявляются и в характере зависимостей M(H). Наблюдаемое поведение магнитных свойств наночастиц CuO приводит к выводу, что исследуемая система содержит несколько магнитных фаз, которые проявляются при различных температурах и магнитных полях. Ферромагнитная (FM) фаза существует во всем исследуемом диапазоне температур. Парамагнитная фаза проявляется для температур от 4.2 K до 200 K, причем вклад в намагниченность носит убывающий характер. Антиферромагнитная фаза проявляется в аномалии магнитной восприимчивости в окрестности 230 K. Для исследованных наночастиц CuO наблюдается значительное уменьшение температуры Нееля. При высокой температуре (выше температуры Нееля) и магнитном поле (~3 kOe) проявляется диамагнитная фаза, которая начинает доминировать над всеми остальными магнитными фазами. Причина появления диамагнетизма никак не связана с разупорядочением спинов, с присутствием других кристаллических фаз кроме моноклинной сингонии тенорита,. Наиболее вероятной причиной появления высокого диамагнитного момента являются локальные вихревые токи, обусловленные кислородными вакансиями. Только появление кислородных вакансий и, как следствие, наличие избыточных носителей заряда могут привести к принципиально другой фундаментальной особенности, а именно к фазовому расслоению системы и возникновению диамагнитных состояний в антиферромагнитной (АФ) матрице. Особенность морфологии исследуемых наночастиц заключается в том, что из-за высокой скорости охлаждения их поверхность состоит из частиц размером ~2 нм, которые в зависимости от технологических факторов могут выстраиваться в сложные структуры. Вероятно, токи проводимости существуют в виде вихрей в этих частицах, создавая диамагнитный отклик при больших температурах и напряженностях магнитного поля. Особый интерес представляет механизм взаимодействия магнитных моментов, создаваемых этими токами.

 

Публикации

1. - Российские ученые создали материал для сверхмощных электросетей МИА "Россия сегодня", РИА "Наука", публикация от 14.09.2017 (год публикации - ).

2. А. В. Ушаков, И.В. Карпов, А.А. Лепешев Magnetization of High-Field Nanocomposite YBa2Cu3O7-δ + CuO -, 2017619551 (год публикации - ).

3. Карпов И.В., Ушаков А.В., Лепешев А.А., Федоров Л.Ю., Дорожкина Е.А., Карпова О.Н., Шайхадинов А.А., Дёмин В.Г. Устройство для увеличения пиннинга магнитного потока в гранулярных нанокомпозитах на основе высокотемпературной сверхпроводящей керамики Журнал технической физики, Том 88, вып. 2, с. 140-145 (год публикации - 2018).

4. Карпов И.В., Ушаков А.В., Лепешев А.А., Федоров Л.Ю., Дорожкина Е.А., Карпова О.Н., Шайхадинов А.А., Демин В.Г., Бачурина Е.П., Личаргин Д.В., Абкарян А.К., Зеер Г.М., Жарков С.М. The influence of magnetic field on the rate of cathode erosion at vacuum arc spraying IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, Vol. 255, p. 012007 (год публикации - 2017).

5. Лепешев А.А., Ушаков А.В., Карпов И.В. Low-temperature magnetic behavior of nanostructured ferrite compositions prepared by plasma spraying Journal of Applied Physics, Vol. 122, No 10, p. 104103 (год публикации - 2017).

6. Ушаков А.В., Карпов И.В., Лепешев А.А. Peculiarities of magnetic behavior of CuO nanoparticles produced by plasma-arc synthesis in a wide temperature range Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, Том 30, № 12, С. 3351-3354. (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. Исследованы пиннинг магнитного потока и транспортные характеристики в YBa2Cu3O7-y/ нано-ZrO2 гранулярных композитах. Изготовлены образцы из заранее приготовленного ВТСП порошка YBa2Cu3O7−δ с нанесенными на поверхность наночастицами ZrO2, с последующим прессованием и спеканием. Типичные размеры образцов были 2×7×44 мм. Технология перемешивания в плазме дугового разряда низкого давления позволяет обеспечить формирование тонких (до 100 нм) и протяжённых прослоек матрицы оксида меди даже между мелкими зёрнами ВТСП, обеспечивает плотное интерфейсные сопряжения зёрен и матрицы. На ВТСП образцах, легированных оксидом меди и оксидом циркония, межфазные границы имеют удовлетворительное состояние на всём их протяжении. Эффективность модифицирования ВТСП с точки зрения повышения трещиностойкости возрастает с увеличением добавок наночастиц. Наблюдается не только стабильное уменьшение длины трещины, что свидетельствует о повышении трещиностойкости, но и изменение характера ее распространения. Причиной прерывистого развития магистральной трещины вероятно всего, является релаксация напряжений, возникающих в ее фронте при взаимодействии с включениями наночастиц в структуре ВТСП. Исследование уширения сверхпроводящего перехода в магнитном поле δTc позволяет проследить изменение всех параметров пиннинговой структуры. Изменение потока, приводящее к появлению напряжения, является одним из основных механизмов уширения резистивного перехода в магнитном поле. Приведены функциональные зависимости сопротивления R(Т) для различных напряженностей магнитного поля для образца без добавок и зависимость δTc(Н2/3) для ВТСП композитов YBCO + x ZO (x = 0, 4 мас.%). Образцы с 4 мас.% ZrO2 демонстрируют сужение кривых R(Т) в магнитном поле. Добавки нанопорошка оксида циркония приводит к увеличению на ~10% константы пиннинга. Определены энергии активации потока через уширение сверхпроводящего перехода ρ(T) в магнитном поле до и после добавок наночастиц. Энергия активации при добавке нанопорошка оксида циркония возросла во всем диапазоне магнитных полей. Изучена температурная зависимость энергии активации. 2. Исследованы пиннинг магнитного потока и транспортные характеристики в YBa2Cu3O7-y/ CuO гранулярных композитах. Приведены транспортные характеристики полученного композита ВТСП YBCO+ xCuO для различного содержания нанопорошка оксида меди при 77К. Кривые зависимости IC(B) качественно совпадают с кривыми полученными ранее из магнитных измерений. Существенным отличием является отсутствие пик эффекта, однако в больших полях критический ток возрастает до 10 раз по сравнению с ВТСП без добавок нанопорошка оксида меди. Также качественно совпадает зависимость IC(xCuO). При нулевом поле наблюдается существенное снижение критического тока при добавке 10 мас.% оксида меди. Изучено уменьшение критического тока в ВТСП композитах при изменении содержания наночастиц. Уменьшение критического тока происходит при неизменной критической температуре, хотя для ВТСП композитов YBCO+xZrO2 было показано, что уменьшение Iс сопровождается падением Tc. Наиболее важным результатом является существенное повышение транспортного критического тока в сильных магнитных полях. Для ВТСП YBCO+ xCuO композитов характерно существенное изменение Tc и Jc при изменении концентрации нанопорошка оксида меди, коррелирующий с изменением ρ и ΔTc. Этим можно объяснить изменение Tc и Jc как существование фазового перехода сверхпроводник-диэлектрик по концентрации наночастиц. Механизм такого перехода –эффект локализации Бозе-конденсата. Процессы Бозе-конденсации куперовских пар находятся под воздействием примесного рассеяния и дают зависимость T(ρ), согласующуюся с экспериментально наблюдаемой. При этом происходит потеря макроскопической фазовой когерентности, что указывают на возможность локализации куперовских пар. Таким образом переход к изолятору может проходит двухстадийным процессом (разрушение куперовских пар и последующая локализация одиночных электронов) или прямой локализацией куперовских пар. Механизмы подавления сверхпроводимости наночастицами оксида меди и циркония оказываются идентичными. Падение критической температуры в ВТСП композитах с 10 % добавками наночастиц оксида меди можно объяснить с помощью механизма влияния немагнитных примесей и дефектов на Tc, При достаточно больших концентрациях наночастиц и дефектов наблюдается отклонение от линейной зависимости. 3. Исследована релаксация магнитного момента в YBa2Cu3O7-y/ CuO и YBa2Cu3O7-y/ -ZrO2 гранулярных композитах. Приводятся результаты исследований, описывающих существенное влияние внутренней структуры ВТСП композитов на магнитные и транспортные характеристики, измерения и анализ намагниченности и гистерезисных потерь в гранулярных сверхпроводящих композитов (ГСК), исследования и обсуждения транспортных характеристик на переменном токе. Показано, что особенности внутреннего строения и дефектного состояния исследованных образцов оказывают существенное влияние на локальные и интегральные магнитные и транспортные свойства сверхпроводящих композитов. Коллективные потери, появляющиеся в условиях перетекания экранирующих токов через матрицу ГСК, обусловленные перемагничиванием сверхпроводящих гранул гистерезисные потери являются основными составляющими всех потерь в ГСК, работающих на переменном токе или в переменных полях. Проведены измерения и расчет гистерезисных потерь в YBa2Cu3O7-y/ZrO2 ГСК с различной концентрацией наночастиц оксида циркония при циклическом изменении магнитного поля в диапазоне 3 Тл. Сравнивая и анализируя расчетные и экспериментальные данные показано, что технологические дефекты внутренней структуры ГСК приводят к существенному увеличению значений гистерезисных потерь. Доказан универсальный характер зависимости величины гистерезисных потерь от амплитуды магнитного поля. Анализ экспериментальных результатов показал, что изменение критического тока сверхпроводника в магнитном поле определяет транспортные потери в магнитном поле. С увеличением частоты гистерезисные потери в сверхпроводящем материале растут линейно, в серебряной подложке потери на вихревые токи растут пропорционально квадрату частоты. 4. Спроектирован и создан лабораторный образца ограничителя тока с использованием в качестве токонесущего элемента синтезированных высокотемпературных композитов на основе YBa2Cu3O7-y/CuO и YBa2Cu3O7-y/ZrO2. Изучено влияния наноразмерных включений CuO в качестве второго компонента композитов на транспортные свойства сверхпроводящих поликристаллов YBa2Cu3O7. Синтезированы образцы YBa2Cu3O7-δ с различным содержанием наночастиц CuO. Анализ магнитных свойств проводился в рамках модели расширенного критического состояния. Было обнаружено, что добавление 20 мас.% наночастиц CuO приводит к увеличению плотности критического тока при T = 77 К. Дальнейшее увеличение до 30% снижает критическую плотность тока. Приводятся результаты экспериментальных исследований коммутационного сверхпроводникового ограничителя тока короткого замыкания в сетях переменного напряжения, основанного на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) 2-го поколения. Стенд содержит последовательно соединенные ВТСП модуль и быстродействующий выключатель тока с временем отключения 9 мс. Показана высокая эффективность образцов из нанокомпозиционного материала YBa2Cu3O7−δ+CuO в качестве резистивного ограничителя тока. Приводятся результаты измерения параметров поликристаллического (керамического) ВТСП устройства, включенного по схеме последовательного участка цепи в режиме ограничения тока до 1000 А в течение первой полуволны переменного тока. Исследования проводились на низковольтном экспериментальном стенде, который содержит трансформатор с выходным напряжением U0 = 20 В (действующее значение), сетевой ключ K1 с электромагнитным приводом, сопротивление нагрузки R0 = 0,2 Ом и систему управления. При увеличении содержания нанодисперсного порошка CuO характер изменения напряжения и тока на образце совпадал с результатами, полученными из магнитных измерений, при этом увеличивалась задержка момента возникновения напряжения на ВТСП. Выполненные эксперименты продемонстрировали эффективность предложенного подхода к проблеме ограничения и отключения тока короткого замыкания в цепях переменного тока.

 

Публикации

1. Карпов И.В., Ушаков А.В., Лепешев А.А., Петров М.И., Федоров Л.Ю., Гохфельд Д.М., Жарков С.М., Зеер Г.М., Демин В.Г., Абкарян А.К. Влияние добавок наночастиц CuO плазменно-дугового синтеза на критический ток сверхпроводника YBa2Cu3O7-δ Материаловедение, - (год публикации - 2019).

2. Карпов И.В., Ушаков А.В., Лепешев А.А., Федоров Л.Ю., Дорожкина Е.А., Карпова О.Н., Шайхадинов А.А., Дёмин В.Г. Device for Increasing the Magnetic Flux Pinning in Granular Nanocomposites Based on the High-Temperature Superconducting Ceramic Technical Physics, Vol. 63, No 2, pp. 230-234 (год публикации - 2018).

3. Лепешев А.А., Дрокин Н.А., Ушаков А.В., Карпов И.В., Федоров Л.Ю., Бачурина Е.П. Localization and transfer of charge carriers in CuO nanopowder by impedance spectroscopy Journal of Materials Science: Materials in Electronics, Vol. 29, No 14, pp. 12118-12125 (год публикации - 2018).

4. Лепешев А.А., Куимов В.В., Толстой Д.А., Козлов А.В., Погребная Т.В., Сидоркина О.В. Новая политехническая школа Новая политехническая школа. Библиотечно-издательский комплекс СФУ. Красноярск., - (год публикации - 2019).

5. Лепешев А.А., Патрин Г.С., Юркин Г.Ю., Васильев А.Д., Немцев И.В., Гохфельд Д.М., Балаев А.Д., Демин В.Г., Бачурина Е.П., Карпов И.В., Ушаков А.В., Федоров Л.Ю., Иртюго Л.А., Петров М.И. Magnetic properties and critical current of superconducting nanocomposites (1-x)YBa2Cu3O7-δ + xCuO Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, Vol. 31, No 12, pp 3841-3845 (год публикации - 2018).

6. Ушаков А.В., Карпов И.В. Current limiter Nanocomposite YBa2Cu3O7-x + CuO -, 2018617901 (год публикации - ).