Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов


Скачать 70.36 Kb.
НазваниеНазвание: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов
ТипДокументы
rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Документы
N-06-MEPHI-5

Паспорт совместного российско-американского проекта

1. Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

2. Аннотация

Применение высокотемпературных сверхпроводящих материалов (ВТСП) в различных областях техники, а именно, в линиях электропередачи, трансформаторах, накопителях энергии, ограничителях тока, моторах, генераторах, соленоидах, транспортных системах, предполагает создание на их основе длинных проводов, которые должны обладать высокой токонесущей способностью, которая характеризуется значением критического тока jc. В настоящее время в США, Японии, Китае и странах Евросоюза проводятся интенсивные фундаментальные и прикладные исследования, направленные на создание токонесущих элементов на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x (ВТСП ленты первого поколения – 1G) и YBa2Cu3O7 ( ВТСП ленты второго поколения – 2G). Несмотря на существенный прогресс в создании ВТСП проводов, достигнутый уровень критических характеристик все еще недостаточен для широкого коммерческого применения ВТСП лент.

В настоящее время существует несколько способов решения проблемы повышения токонесущей способности сверхпроводящих материалов. Перечислим основные из них:

1) улучшение технологии синтеза ВТСП соединений с высокой степенью структурного совершенства и близких по составу к стехиометрическому, а также их текстурирование;

2) создание радиационных дефектов в ВТСП материале, используя облучение ВТСП материала нейтронами, электронами и тяжелыми высоко энергетичными ионами;

3) химическое легирование и внедрение различных добавок в ВТСП материал;

4) создание композиционных материалов.

С точки зрения повышения транспортных свойств ВТСП наибольший интерес представляют второй и третий способы, так как и радиационные дефекты и химические добавки способствуют созданию в сверхпроводнике дополнительных структурных дефектов, которые при определенных размерах могут повышать критический ток.

Идеология повышения критического тока при введении нанодобавок базируется на том, что ВТСП относятся к сверхпроводникам второго рода, в которые в широком практическом диапазоне магнитных полей магнитный поток проникает в сверхпроводник в виде квантов магнитного потока (вихрь Абрикосова). При протекании тока через сверхпроводник на систему вихрей со стороны тока действует сила Лоренца, которая вызывает движение вихрей. При движении вихрей происходит диссипация энергии и это приводит к появлению напряжения на сверхпроводнике. В тоже время, если в сверхпроводнике имеются дефекты, вихри закрепляются (пиннингуются) на них и диссипация энергии не происходит. Критический ток Jc при прочих равных условиях увеличивается. Наиболее эффективными центрами пиннинга являются нормальные области, имеющие размер, сравнимый с длиной когерентности сверхпроводника. То есть, ожидается, что структурные дефекты такого масштаба, а именно к ним относятся наноразмерные добавки, могут играть роль эффективных центров пиннинга, приводящих к повышению критического тока.

Также немаловажным фактором является расширение диапазона магнитных полей, в которых критический ток имеет конечную величину. Этот диапазон для каждого материала определяется так называемой линией необратимости H*(T). В точке необратимости при фиксированной температуре наблюдается вырождение петли намагниченности, хотя образец остается в сверхпроводящем состоянии, что подтверждается наличием диамагнетизма до значительных полей вплоть до второго критического поля. То есть, несмотря на то, что критический ток равен нулю, образец находится в сверхпроводящем состоянии. Причиной появления поля необратимости и обращения критического тока в ноль является плавление вихревой решетки в сильно анизотропных ВТСП. Таким образом, усиление пиннинга за счет введения дополнительных центров пиннинга может привести как к увеличению значения критического тока, так и к расширению диапазона магнитных полей (при заданной температуре), в которых критический ток отличен от нуля.

Одним из перспективных методов повышения плотности критического тока является внедрение неорганических тугоплавких добавок с характерными размерами частиц порошка в несколько десятков нанометров для создания искусственных центров пининга. Методика внедрения добавок наиболее оптимальна, как с точки зрения трудоемкости, так и стоимости промышленного производства, по сравнению, например, с облучением нейтронами или высокоэнергетичными ионами.

В результате широкого круга исследований было показано, что внедрение наноразмерных тугоплавких соединений карбидов, нитридов, силицидов в ВТСП (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10+x (Bi2223) приводит к значительному увеличению (2 – 3 раза) плотности критического тока jc при некоторой оптимальной концентрации добавок. В тоже время еще недостаточно изучен вопрос о влиянии на магнитные и транспортные характеристики композитного сверхпроводника такого параметра, как значение среднего размера (дисперсности) вводимых добавок.

На примере добавки NbOx мы показали, что дисперсность вводимых частиц оказывает заметное влияние на значение намагниченности, величину поля необратимости и плотность критического тока композитного сверхпроводника Bi2223/NbOx. Высокотемпературный сверхпроводник Bi2223 синтезировался методом совместного осаждения карбонатов. Для легирования применялся порошок NbOx с различной степенью дисперсности Ds=25-123 нм. Концентрация порошка всегда составляла 0,1 массовых проц. Смесь порошков фазы 2223 и добавок перемешивали во вращающемся контейнере в течение 30 часов и затем проводили прессование в таблетки. Давление прессования во всех таблетках было одинаковым и равнялось 100 кг/см2. Последующее высокотемпературное спекание таблеток разного состава, в том числе и образца без добавок, проводилось одновременно. Спекание осуществлялось при температуре 840o С в течение 10 часов.

Критический ток определялся на основе модели Бина из кривых намагниченности. Измерение намагниченности производилось с помощью вибрационного шагового магнитометра в диапазоне температур 4,2-85 К и магнитных полях до 14 Тл.

Результаты измерений показали существование оптимального значения дисперсности нанодобавки Ds=44 нм, при котором наблюдается максимальное увеличение jc. Это является неожиданным результатом, так как, согласно теории критического тока, наиболее эффективными центрами пиннинга являются дефекты, имеющие характерный размер порядка длины когерентности, которая для ВТСП на основе Bi примерно равна нескольким нанометрам. Из чего следует, что уменьшение размера добавок должно было бы приводить к монотонному росту критического тока. Однако, как было отмечено выше, критический ток при уменьшении размера добавки увеличился только для значения Ds=44 нм. Дальнейшее уменьшение дисперсности добавки привело к падению величины jc. Возможным объяснением наблюдаемой немонотонности критического тока от дисперсности добавки может быть предположение о том, что при термообработке (спекании ВТСП) добавки уменьшаются в размере за счет поверхностной диффузии атомов ниобия и кислорода. При этом добавки с начальным размером Ds=44 нм уменьшаются до величин 10 нм, проявляя максимальную эффективность как центры пиннинга. А добавки с меньшим исходным размером либо полностью растворяются, либо становятся неэффективными центрами пиннинга в силу малости конечного размера после термообработки.

Полученные результаты указывают на то, что нанодобавки с оптимальной концентрацией и дисперсностью являются эффективными центрами пиннинга.

Список основных публикаций авторов проекта по теме проекта.

1. B.P. Mikhailov, I.A. Rudnev, P.V. Bobin, Physicochemical methods of enhancing the performance of high-Tc superconductors. Inorganic Materials, 40, Suppl. 2, S91–S100(2004).

2. I.A. Rudnev, B. P. Mikhailov, P.V.Bobin, Magnetization and critical current of high- temperature superconductors with artificial pinning centers. Technical Physics Letters 2005, v.31, N4, pp.88-94.

3. I.A. Rudnev, D.V. Shantsev, T.H. Johansen, A.E. Primenko, Avalanche-driven fractal flux distributions in NbN superconducting films, Applied Physics Letters, 2005, V.87, 042502

4. I.A. Rudnev, D.S. Odintsov, V.A. Kashurnikov. Critical current suppression in high-Tc superconductors and its dependence on the defects concentration. Physics Letters A, 2008, V.372, pp. 3934–3936.

5. A. P. Menushenkov, I. A. Rudnev, I. A. Garifullin, R. V. Chernikov, O. V. Kashurnikova, B. P. Mikhailov. Local Structure of Nanopowders of Refractory Nitrides Used to Increase the Critical Current of High-Temperature Superconductors. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2008, Vol. 72, No. 8, pp. 1062–1064.

3. Описание предполагаемых результатов реализации проекта.

В результате выполнения проекта будут определены оптимальные материалы нанодобавок, оптимальные концентрации нанодобавок и оптимальные размеры частиц нанодобавок в высокотемпературные сверхпроводящие материалы 1-го и 2-го поколений, обеспечивающие максимальное повышение критического тока. Будут даны рекомендации предприятиям-изготовителям ВТСП- проводов 1-го и 2-го поколений по внедрению нанодобавок, обеспечивающих повышение критического тока в 1.5 – 2 раза за счет создания искусственных центров пиннинга.

4. Новизна, описание конкурентных преимуществ результатов.

Наиболее эффективными центрами пиннинга являются нормальные области, имеющие размер, сравнимый с длиной когерентности сверхпроводника. Предлагаемая методика создания искусственных центров пиннинга за счет внедрения нанодобавок наиболее оптимальна, как с точки зрения трудоемкости, так и стоимости промышленного производства, по сравнению, например, с облучением нейтронами или высокоэнергетичными ионами, поскольку не требует использования дорогостоящей ускорительной техники, или источников нейтронов.

5. Ожидаемый экономический эффект.

Увеличение критического тока перспективных ВТСП- материалов в 1.5 – 2 раза приводит к снижению в 1.5 – 2 раза необходимого количества ВТСП- проводов для создания единицы продукции: ВТСП- кабеля, ограничителя тока, соленоида магнито-резонансного томографа, магнитного и индукционного накопителя энергии и пр., что снижает себестоимость продукции на 20-80%. При годовом объеме продаж ВТСП- проводов $150 млн. (Из материалов Advanced Cables and Conductors Program Peer Review Including High Temperature Superconductivity Research and Development June 29 - July 1, 2010) экономический эффект от внедрения метода повышения критического тока может составлять от $30 млн. до $120 млн. в год.
6. Предполагаемые организации-участники консорциума по профилям: научные, образовательные, бизнес.

Исполнители проекта из России

  1. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», кафедра физики твердого тела и наносистем, проф. А.П.Менушенков – координатор проекта, e-mail: apmenushenkov@mephi.ru

  2. Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН, проф. Б.П.Михайлов.


Возможные партнеры с американской стороны.

  1. Texas Center for Superconductivity at the University of Houston, Prof. V.Selvamanickam

  2. Oak Ridge National Laboratory, Prof. Amit Goyal

  3. Los Alamos National Laboratory, Superconductivity Technology Center

  4. Super Power Inc. (Schenectady, N.Y.),


7. Предварительный план подготовки и реализации проекта.

В проекте предполагается:

1) исследовать эффективность увеличения критического тока ВТСП- на основе висмута – Bi 2223 и Bi 2212 а также ВТСП- лент YBa2Cu3O7-y за счет внедрения нанодобавок тугоплавких соединений в ВТСП-матрицу в зависимости от следующих параметров:

a) типа нанодобавок: TaC, NbC, HfN, NbN, Si3N4, NbOx,

b) размера нанодобавок

c) концентрации нанодобавок.

2) исследовать характер локального окружения нанодобавок в ВТСП- матрице с помощью EXAFS-спектроскопии с использованием синхротронного излучения с целью определения реальных размеров нанодобавок в ВТСП-матрице.

3) дать рекомендации предприятиям- изготовителям ВТСП- проводов 1-го и 2-го поколений по наиболее эффективным методам увеличения критического тока.

Похожие:

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов iconПрофессиональный стандарт
Очистка и подготовка поверхности к нанесению защитных покрытий, выполнение работ по нанесению эмали, лакокрасочных материалов, различных...

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов iconПрименение магнезиально-шунгитовых строительных материалов для обеспечения электромагнитной
Показания к применению защитных экранирующих материалов в строительстве объектов и жилья

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов iconПрограмма дополнительного образования «Фото и видеосъемка»
В связи с этим становится необходимостью формирование и развитие у воспитанников способностей самостоятельного поиска, анализа и...

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов iconПравила безопасности при производстве твердых сплавов и тугоплавких металлов пб 11-523-03
Об утверждении "правил безопасности при производстве твердых сплавов и тугоплавких металлов"

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов icon1. Качество материалов и его оценка. Механические свойства материалов...
Учебные планы и программы для подготовки и повышения квалификации рабочих на производстве по профессии «Оператор электронно-вычислительных...

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов iconИнструкция по эксплуатации / паспорт изделия Назначение источника питания
Управляемый источник питания постоянного тока el-as220-035А (далее именуемый – уип) предназначен для преобразования входного напряжения...

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов iconНазвание Св01
Применение следящих, копировальных и программных систем для сварки, наплавки и резки металла

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов iconИнструкция, щупы, холстер
Данный прибор является компактным цифровым мультиметром с 4 1/2 разрядной шкалой, предназначенным для измерения постоянного и переменного...

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов iconТехнология градиента напряжения постоянного тока авторское право и патент
Все аспекты, касающиеся Градиентного геодезического оборудования потенциала постоянного тока трубопровода, находятся под защитой...

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов icon№1 Подготовка сварочного оборудования к работе, регулировка тока....
ПМ. 01 Подготовка и осуществление технологических процессов изготовления сварных конструкций

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов iconПнаэ г-7-019-89 Унифицированная методика контроля основных материалов...
Пнаэ г-7-019-89 «Унифицированная методика контроля основных материалов (полуфабрикатов), сварных соединений и наплавки оборудования...

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов iconПрограмма по учебному сбору по военно-учетной специальности «Боевое...
Закрепление знаний и совершенствование практических умений с учетом должностного предназначения

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов iconПрименение акустического метода контроля для деталей из композиционных материалов

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов iconИсходные данные для выполнения дипломный проекта
На линиях с электротягой применяется кодовая автоблокировка с рельсовыми цепями переменного тока частотой 50 Гц на участках с электротягой...

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов iconКурс повышения квалификации «Специальные компетенции в индустрии...
Курс повышения квалификации «Применение технологии e-learning при реализации образовательных программ в области инновационного предпринимательства»...

Название: Применение нанодобавок тугоплавких соединений для повышения критического тока высокотемпературных сверхпроводящих материалов iconПневмогайковерт ударный Инструкция по эксплуатации
Применение гайковёрта в быту или промышленности позволяет не только сэкономить время и силы, но и значительно повышает долговечность...


Руководство, инструкция по применению




При копировании материала укажите ссылку © 2018
контакты
rykovodstvo.ru
Поиск