Способ изготовления токонесущего элемента из высокотемпературного сверхпроводника

 

Использование: изобретение относится к способам получения сверхпроводников, в частности текстурированных образцов высокотемпературных сверхпроводников, и может быть использовано в сверхпроводниковой электротехнике и энергетике для создания токонесущих элементов, переключателей, ограничителей тока. Сущность изобретения: для повышения надежности контактов токонесущего элемента предлагается создавать в приконтактных участках высокоупорядоченную структуру, имеющую по сравнению с другими участами элемента более высокие значения проводимости нормального состояния и плотности критического тока. Это достигается путем формирования токонесущего элемента методом бестигельной зонной плавки с изменяющейся скоростью движения зоны: скорость движения зоны в приконтактных участках меньше, чем в остальных. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способам получения сверхпроводников, в частности текстурированных образцов высокотемпера- турных сверхпроводников, и может быть использовано в сверхпроводниковой электротехнике и энергетике для создания токонесущих элементов, переключателей, ограничителей тока.

Известны способы изготовления керамических сверхпроводников путем воздействия на поликристалл магнитным полем или током при повышенных температурах на стадии отжига [1 и 2].

Однако степень ориентации частиц по известным способам не велика, поскольку частицы в твердой фазе в поликристалле относительно малоподвижны даже при высоких температурах.

Наиболее близок к предлагаемому способу получения высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) метод бестигельной зонной плавки [3].

Однако известный способ позволяет изготовить токонесущий элемент только с одинаковой степенью анизотропии по всему объему. При нанесении контактов на такой токонесущий элемент наиболее слабым местом в смысле выхода из строя становится приконтактная область, особенно при работе в режиме токов, близких к критическому. Это обусловлено тем, что все имеющиеся в настоящее время контакты к ВТСП имеют отличное от нуля сопротивление, на котором при протекании тока выделяется джоулево тепло. Подогрев приконтактных областей сверхпроводника снижает его критические параметры, в частности плотность критического тока. В результате по достижении рабочим током (текущим через контакты по токонесущему элементу) некоторой величины в нормальное состояние начинает переходить сначала именно приконтактная область. Этот процесс сопровождается скачком тепловыделения на перешедшем в нормальное состояние материале ВТСП, удельное сопротивление которого относительно велико. Если не принять защитных мер, происходит перегрев и разрушение контактов.

Цель изобретения - улучшение эксплуатационных характеристик токонесущего элемента путем повышения надежности контактов.

Указанная цель достигается тем, что в способе изготовления токонесущего элемента из сверхпроводящей керамики методом бестигельной зонной плавки, скорость перемещения плавающей зоны расплава по длине токонесущего элемента изменяют, причем в области, предназначенной для нанесения контактов, скорость перемещения зоны меньше, чем в удаленных участках токонесущего элемента.

Для достижения указанной цели используют тот факт, что проводимость и критическая плотность тока текстурированного материала зависит от степени текстуры, которая, в свою очередь, сильно зависит от скорости перекристаллизации [3]. Следовательно, текстурируя сверхпроводящий токонесущий элемент по предложенному способу, получаем структуру, имеющую максимальный критический ток и минимальное сопротивление в области контактов, в то время как в удаленных от контактов участках значение плотности критического тока материала уменьшается, а сопротивление нормального состояния увеличивается по мере возрастания хаотичности (изотропности) расположения кристаллитов. Как известно, ограничение плотности критического тока керамики обусловлено главным образом наличием межгранулярных прослоек и вызвано разориентацией кристаллической структуры гранул по обе стороны прослойки [4]. По сути при выполнении токонесущего элемента по предложенному способу в приконтактных областях формируется сверхпроводник с более высокими критическими параметрами. Такая неоднородная по длине элемента структура может обеспечить защиту контактов, так как при нарастании тока через контакты критический ток достигает сначала в центральной части элемента, которая переходит в нормальное состояние и ограничивает появившимся сопротивлением рабочий ток. И даже при переходе в нормальное состояние приконтактных областей контакты оказываются в лучших условиях, чем в способе-прототипе, поскольку сопротивление материала около контактов, а следовательно, тепловыделений I²R снижено в несколько раз.

На фиг. 1 показаны температурные зависимости удельного электрического сопротивления вдоль токонесущего элемента для материала приконтактного участка 1 (скорость роста 3,0 мм/c) и материала центрального участка 2 (скорость роста 33,0 мм/ч); на фиг. 2 - зависимость ширины магнитного гистерезиса М = М⁺ - М^- j_c, от магнитного поля H перпендикулярно оси образца, где 3 - приконтактный участок (скорость роста 3,0 мм/ч), 4 - центральный участок (скорость роста 9,0 мм/ч); на фиг. 3 - зависимость напряжения на парах соседних потенциальных контактов, расположенных вдоль токонесущего элемента, от величины транспортного тока I и напряженности магнитного поля, гистограмма 5-40 A/м², 3 кЭ, гистограмма 6-40 А/м³, 7 кЭ, гистограмма 7-80 А/м², 8 кЭ; на фиг. 4 - токонесущий элемент 8 с нанесенными токовыми 9 и потенциальными 10 контактами. Контакты 10 с номерами 1, 2, 3, 12, 13, и 14 расположены в зоне с более высокими критическими параметрами. Очевидно сильное ухудшение критических параметров Т, j_c, j_c^(H) при увеличении скорости роста (скорости перемещения плавающей зоны).

Способ осуществляется следующим образом.

Для изготовления образцов использовалась установка УРН-2-3П. В качестве затравки использовались поликристалличес- кие цилиндрические стержни диаметром 8 мм и длиной 90 мм, общего состава Bi_2,25Sr_1,8CaCu₂O_8+х. Указанные стержни изготавливали прессованием и затем спекали при 680^оС в течение 8 ч. Затем стержни помещали в установку. Плавающая зона расплава для данных материалов довольно легко образуется, если соединить расплавленные вершины затравки с низом питающего стержня; при этом вершины затравки и низ стержня вращаются в противоположных направлениях. Путем перемещения вниз питающего стержня через зону расплава с определенной скоростью осуществляют его перекристаллизацию в текстурированный слиток. Зонную перекристаллизацию в одном опыте проводили со следующими линейными скоростями: 3,0 мм/ч в течение первых двух часов, 9,0 мм/ч в течение последующих двух часов и 3,0 мм/ч в течение последующих четырех часов. Получен текстурированный слиток диаметром 6 мм и длиной 36 мм, состоящий из тонкопластинчатых блоков, ориентированных осью а вдоль оси роста. Температура начала сверхпроводящего перехода составляла 94 и 88 К для участков 3,0 и 9,0 мм/ч соответственно. В другом опыте центральная часть стержня проходилась со скоростью 33,0 мм/ч для получения более сильных различий в сверхпроводящих свойствах центральной и приконтактной зон. В этом случае температура перехода составила 94 и 80 К соответственно для участков 3,0 и 33,0 мм/ч. При этом первые состояли из сросшихся преимущественно плоскостями (001), лентообразных (0,2 х 1,0 х 5,0) кристаллов фазы Bi - 2212, где плоскости (001) параллельны оси стержня, а последние - из более мелких кристаллитов, не имеющих спайности. Плотность указанных участков - 6,4 и 5,4 г/см³ соответственно. Анизотропия сопротивлений при 300 К для этих же двух зон (3,0 и 33,0 мм/ч), измеренная вдоль оси токонесущего элемента и перпендикулярно к ней, составила 300 и 9,3 соответственно. На крайние участки образца, имеющего более высокие критические параметры (см. фиг. 4), наносились токовые контакты 6.

Технико-экономические преимущества предложенного способа обусловлены использованием сверхпроводящего материала с разными критическими параметрами в приконтактных и центральных областях, причем указанный материал изготавливается по заявленному способу в едином технологическом акте. Более высокие крити- ческие значения температуры и плотности тока материала приконтактных областей позволяют защитить контакты от отгорания при больших рабочих токах.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОКОНЕСУЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ИЗ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДНИКА методом бестигельной зонной плавки, отличающийся тем, что скорость перемещения плавающей зоны расплава по длине токонесущего элемента изменяют, причем в области, предназначенной для нанесения контактов, скорость перемещения зоны меньше, чем в удаленных участках токонесущего элемента.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость перемещения плавающей зоны в приконтактных областях 0,5 - 6,0 мм/ч, а в удаленных от контактов областях 9,0 - 33,0 мм/ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4