КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 22-72-10088
НазваниеРазработка, исследование и применение гибких сверхпроводящих композитов на основе диборида магния для токонесущих элементов нового поколения
РуководительБатулин Руслан Германович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Республика Татарстан (Татарстан)
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 09-306 - Инженерно-физические проблемы электротехники и технической сверхпроводимости
Ключевые словатонкие пленки MgB2, сверхпроводящие тонкие пленки, магнитные свойства, магнетронное напыление, импульсное лазерное напыление, хастеллой
Код ГРНТИ29.19.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Представленный проект направлен на решение проблемы получения гибких композитов диборида магния с улучшенными характеристиками за счет допирования углеродом, кремнием и создания радиационных дефектов в синтезированных на гибких пленках различными методами образцах диборида магния.
Актуальность поставленной проблемы обусловлена необходимостью разработки новых сверхпроводников, с одной стороны не требующих дорогостоящих систем для охлаждения и значительно более дешевых в производстве по сравнению с ВТСП, но с другой стороны позволяющих конкурировать по критическим значениям плотности тока и магнитного поля с низкотемпературными сверхпроводниками на основе сплавов Nb-Ti и Nb3Sn, получивших широкое распространение.
Научная новизна состоит в применении различных перспективных методов напыления и техник для создания гибких композитов диборида магния с улучшенными характеристиками за счет допирования гибких композитов диборида магния углеродом и кремнием, внедрением центров пиннинга с помощью ионного облучения, исследованием влияния отжига в инертной и восстановительной атмосфере, а также комплексом экспериментальных и теоретических исследований данных соединений.
Научная значимость заключается в отсутствии в настоящее время технологии производства гибких композитов диборида магния, которые имеют большой потенциал практического применения в сверхпроводящих магнитах следующего поколения, кабелей и других токонесущих элементах, отсутствием комплексных исследований влияния условий синтеза диборида магния, нанесенных на гибкие подложки, на критические характеристики сверхпроводника.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут решены комплексы технологических, экспериментальных и теоретических задач, направленные на разработку технологии синтеза диборида магния на гибких подложках с улучшенными характеристиками.
Будут получены конкретные результаты:
1. Количественные оценки изменения в составе пленок диборида магния в зависимости от условий синтеза методами магнетронного напыления и импульсного лазерного напыления, в том числе и для модифицированных пленок, допированных кремнием и углеродом, пленок с искусственно созданными радиационными дефектами;
2. Экспериментальные данные структурных и магнитных свойств полученных сверхпроводников диборида магния с улучшенными характеристиками, зависимости критических характеристик (Jc, Tc, Hc) синтезированных образцов от толщины слоя, температуры напыления, давления паров, нестехиометрии состава мишени, концентрации примеси, дозы облучения;
3. Смоделированы критические параметры, полученных сверхпроводников диборида магния с улучшенными характеристиками, адекватно описывающие эксперимент.
Как основной результат проекта будет разработана научно обоснованная технология создания гибких композитов диборида магния с улучшенными характеристиками. Полученные в результате выполнения проекта комплексные знания необходимы для создания в будущем токонесущих элементов следующего поколения на дибориде магния.
Провода MgB2 уже используются для большого количества применений. Он стал предпочтительным сверхпроводником для ЯМР, МРТ, двигателей, генераторов, ограничителей тока КЗ и др. Дальнейшее прикладное применение диборида магния может быть в ускорителях, где СП MgB2 заменят НТСП на основе Nb и в установках ядерного синтеза. В настоящее время существует два основных производителя этого материала, подразделение ColumbusASG Superconductors и HyperTechResearch (HTR) LLC. К сожалению, в России технология синтеза гибких сверхпроводящих композитов на основе диборида магния не освоена, тогда как в мире уже ведутся интенсивные работы по разработке технологий строительства магнитов следующего поколения и различного назначения на основе диборида магния.
В комплексе, полученные в результате выполнения проекта научные знания будут использованы для разработки прототипов сверхпроводящих магнитов нового поколения в России и их практического применения. Положительным моментом является использование технологических наработок, используемых при разработке и производстве устройств на ВТСП. Продолжение исследований в данной области приведет к более широкому распространению диборида магния для создания сверхпроводящих магнитов, рассчитанных на средние и высокие поля. Его практическое использование в МРТ-сканерах всего тела с замкнутым охлаждением с использованием криоголовок имеют большой потенциал и произведут революцию в секторе здравоохранения.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1.1 Получены количественные оценки фазового состава пленок MgB2, нанесенных методом магнетронного напыления на гибкую подложку Hastelloy C-276 с буферным слоем LaMnO3 (промышленная лента), сапфировую подложку (r и с cut), подложку кремния (001) методом XPS и рентгенофазового анализа.
Синтезирована пленка MgB2 методом магнетронного напыления в режиме одновременного испарения мишени магния Mg и мишени бора B. Методом XPS подтверждено наличие Mg и B в синтезированных пленках в соотношении B/Mg=77.2/22.8-63.7/36.3, получена зависимость элементного состава от мощности магнетрона.
Измерена шероховатость пленки диборида магния на гибкой подложке Hastelloy C-276 с буферным слоем LaMnO3 с толщиной слоя MgB2 – 300 нм синтезированного методом магнетронного напыления, средняя квадратичная шероховатость поверхности пленок Rms составила 80 нм.
1.2 Получены количественные оценки фазового состава пленок MgB2, нанесенных методом импульсного лазерного напыления в вакууме и в атмосфере аргона на гибкую подложку Hastelloy C-276 с буферным слоем LaMnO3 (промышленная лента), MgO (100), подложку кремния (110) методами XPS, EDX и рентгенофазового анализа. Установлено наличие на поверхности пленочных образцов, синтезированных методом импульсного лазерного напыления, крупных частиц размером более 1 мкм вне зависимости от атмосферы синтеза (вакуум или аргон).
Установлено влияние атмосферы синтеза на плотность пленки, пленка, синтезированная в атмосфере аргона, является менее плотной, за счет охлаждения и конденсации пароплазменного потока при рассеянии на атомах аргона. Методом XPS подтверждено наличие Mg и B в синтезированных пленках с элементным составом Mg:B=45.7:7.2 и Mg:B=49.7:3.8, обнаружена нечувствительность метода EDX к анализу элементного состава бора.
Измерена шероховатость пленки диборида магния на гибкой подложке Hastelloy C-276 с буферным слоем LaMnO3 с толщиной слоя MgB2 – 300 нм синтезированного методом импульсного лазерного напыления, средняя квадратичная шероховатость поверхности пленок Rms составила 200 нм. Шероховатость увеличивалась с ростом толщины до 500 нм.
1.3 Выделен вклад в полевые зависимости намагниченности подложки Hastelloy C-276 с буферным слоем LaMnO3 в интервале температур 5-45К и интервале магнитных полей от -5 Т до +5 Т.
По данным магнитометрии образцов MgB2 синтезированных методом магнетронного напыления и импульсного лазерного напыления на гибкой подложке Hastelloy C-276 с буферным слоем LaMnO3 установлено наличие обменного взаимодействия.
Измерены полевые зависимости при температурах 5-15К сверхпроводящей пленки диборида магния, синтезированной методом магнетронного напыления с использованием одновременного напыления из мишени магния и мишени бора. По данным магнитометрии и обнаруженному диамагнетизму подтверждено наличие сверхпроводящей фазы. Получена температура перехода Тс=12.4 К, ширина перехода deltaТс(90-10%)=1.4 К, RRR=1.03.
Получены полевые зависимости промышленного многоволоконного композита диборида магния (ASG Superconductor) диаметром 1 мм в широком диапазоне температур 5-45К с температурой сверхпроводящего перехода 38К. Получены гистерезисные потери в зависимости от температуры и установлена анизотропия гистерезисных потерь промышленного многоволоконного композита диборида магния в зависимости от ориентации внешнего магнитного поля к оси провода. Из кривых намагниченностей вычислены зависимости гистерезисных энергетических потерь от величины напряженности внешнего магнитного поля Qh(Н). Показано, что при ориентации поля перпендикулярно оси провода MgB2 и характерных значений внешнего поля значения гистерезисных в два раза больше. Предложен метод расчета гистерезисных потерь и методы их уменьшения, позволяющие оптимизировать установки ЯМР, МРТ, сверхпроводящие двигатели и генераторы с использованием сверхпроводящего провода MgB2 от ASG Superconductors.
1.4 Cмоделированы методом Монте-Карло кривые намагниченности и динамика вихревой решетки в сверхпроводнике дибориде магния. Получены следующие результаты
1.4.1. Установлены существенные различия полевых зависимостей намагниченности M(H), полей необратимости, остаточной намагниченности образцов диборида магния и иттриевого купрата с идентичными структурами точечных дефектов. Установлено, что различие связано с различиями характерных длин (параметра Гинзбурга-Ландау) рассматриваемых материалов.
1.4.2. Измеренные кривые намагниченности на образце коммерческого сверхпроводника MgB2 (многожильного) показали качественное соответствие экспериментальных и расчетных данных, несмотря на приближение в виде двумерной модели. Количественные различия можно объяснить существенными различиями между моделью и экспериментальным образцов.
1.4.3. Установлены отличия в пиннинге вихрей в обоих материалах, связанные с более сильным межвихревым отталкиванием на малых расстояниях и более слабым – на больших, а также большей жесткостью вихревой решетки в MgB2 по сравнению с YBCO.
1.4.4. Более высокая жесткость вихревой решетки и меньшая скорость выхода вихрей в MgB2 позволяют предположить, что добавление искусственных дефектов (примеси, радиационные дефекты и т. д.) будет иметь большее влияние на намагниченность и критический ток в MgB2 чем в YBCO.
1.5 Отработана технология напыления кремния и карбида кремния на гибкие подложки Hastelloy с промежуточным буферным слоем LaMnO3 и слоем MgB2 толщиной до 300 нм.
Публикации
1. - Проекты молодых ученых КФУ – победители конкурсов Президентской программы РНФ официальный сайт Казанского Федерального Университета, - (год публикации - )