CC BY
22УДК 537.525.5
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКИ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО СИНТЕЗА
ДЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ*
Л. Ю. Фёдоров1' 2, А. В. Ушаков1' 2, И. В. Карпов1' 2, А. А. Лепешев1' 2, Л. А. Иртюго1' 2
1 Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук Российская Федерация' 660036' г. Красноярск' Академгородок' 50/44
2Сибирский федеральный университет Российская Федерация' 660041' г. Красноярск' просп. Свободный' 79 2Е-таЛ: sfu-unesco@mail.ru
Синтезированы образцы сверхпроводящей керамики УВа2Си307-$ и УВа2Си307-$ / наноСиО композитов. Исследовано влияние технологии приготовления образцов на степень завершенности формирования структуры ВТСП.
Ключевые слова: сверхпроводники, оксид меди, вакуумная дуга, калориметрия.
HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTORS OF VACUUM ARC SYNTHESIS
FOR SPACE TECHNOLOGY
L. Yu. Fedorov1' 2, A. V. Ushakov1' 2, I. V. Karpov1' 2, A. A. Lepeshev1' 2, L. A. Irtyugo1' 2
Krasnoyarsk Scientific Center' Siberian Branch' Russian Academy of Sciences 50' Akademgorodok' Krasnoyarsk' 660036' Russian Federation 2Siberian Federal University 79' Svobodny Av.' Krasnoyarsk' 660041' Russian Federation 2E-mail: sfu-unesco@mail.ru
Samples of superconducting ceramics YBa2Cu3O7.g and YBa2Cu3O7.g / nanoCuO composites were synthesized. The influence of the technology ofpreparation of samples on the degree of completeness of the formation of the structure of high-temperature superconductors is studied.
Keywords: superconductors, copper oxide, vacuum arc, calorimetry.
Среди возможных применений высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в устройствах космической техники можно перечислить следующие: универсальные системы бесконтактной связи между космическими объектами' герметичные вводы движения' большие космические конструкции с бесконтактными связями' бесконтактные сверхпроводящие опоры' системы причаливания и стыковки космических летательных аппаратов (КЛА)' устройства связи с переменной жесткостью' системы защиты КЛА от радиации' различные энергетические и приборные системы для работы на Луне [1].
В связи с этим' научно значимой является проблема разработки высокотемпературных сверхпроводящих материалов с высокой токонесущей способностью. Одним из направлений по улучшению функциональных характеристик ВТСП при синтезе материала' является использование порошков с повышенной реакционной способностью для интенсификации протекания твердофазных реакций [2-7].
Образцы УВа2Си307-а и композиты с содержанием наночастиц СиО были синтезированы по стандартной
керамической технологии [7]. Основные реакции твердофазного синтеза:
ВаС03 + СиО ^ ВаСи02 + С02 Т
4ВаСи02 + У203 + 2Си0+0 г * 900 °С > 2УВа2Си307_5
Определяющим фактором при формировании структуры керамики стехиометрического состава' с как можно большим содержанием сверхпроводящей фазы 1-2-3' является продолжительность отжига. Были рассмотрены образцы' подвергнутые отжигу в течение 20 и 100 часов' а также образец' модифицированный в плазмохимическом реакторе нанодисперс-ными частицами Си0' по технологии подробно описанной в [6].
Сравнительный анализ ДСК/ТГ-кривых образцов отличающихся временем отжига демонстрирует (см. рисунок) различное поведение калориметрической кривой в диапазоне температур 200-700 °С. У образца с продолжительностью отжига 100 часов отсутствуют экзотермические реакции в названном диапазоне' что обусловлено полнотой протекания твердофазной реакции.
* Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 16-19-10054).
Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли
ДТА анализ ВТСП: вверху УБа2Си307-8 (слева - полученный при времени отжига 20 часов; справа - 100 часов); внизу: композита УБа2Си307-8 /нано СиО (слева), нанопорошка СиО (справа)
Напротив, у образца, отожженного 20 часов, наблюдается значительный экзотермический эффект, достигая значения 0,4 мВт/мг. Подобное поведение свидетельствует о незавершенности твердофазных реакций при формировании структуры керамики. Это приводит к снижению доли сверхпроводящей фазы в образце и, как следствие, понижению токонесущей способности материала.
С целью сокращения времени отжига при синтезе ВТСП керамики, был рассмотрен образец, модифицированный в вакуумно-дуговом реакторе введением в сверхпроводящую керамику наночастиц СиО. Он характеризуется началом экзотермических реакций также после достижения температуры 200 °С, однако принимает меньшие значения. При этом есть основания полагать, что значительный вклад вносит собственная энергонасыщенность нанопорошка СиО.
Проведённые исследования обнаруживают качественные изменения продолжительности отжига для образца композита УБа2Си307-8/наноСи0. Благодаря энергонасыщенности свежеосажденных наночастиц формирование структуры материала ВТСП происходит наиболее полно при меньшем времени отжига.
Таким образом, использование метода вакуумно-дугового синтеза ВТСП композитов позволяет значительно сократить время отжига, требуемое для формирования структуры, что позволяет улучшить электротехнические характеристики сверхпроводников.
Библиографические ссылки
1. Применение объемных высокотемпературных сверхпроводников в перспективных космических системах / В. А. Матвеев, В. А. Маевский, В. В. Асеев и др. // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2016. № 1. C. 15-32.
2. Механизмы ионизации в катодном пятне вакуумной дуги / А. В. Ушаков, И. В. Карпов, А. А. Лепе-шев // Вестник СибГАУ. 2015. № 16 (4). С. 983-989.
3. Высокотемпературные сверхпроводники ваку-умно-дугового синтеза для космической техники / А. А. Лепешев, А. В. Ушаков, И. В. Карпов и др. // Решетневские чтения : материалы XXI Междунар. науч.-практ. конф. (08-11 ноября 2017, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2017. С. 624-625.
4. Particularities of the magnetic state of CuO nanoparticles produced by low-pressure plasma arc discharge / A. A. Lepeshev, A. V. Ushakov., I. V. Karpov et al. // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, 2017. Vol. 30. No. 4. Р. 931-936.
5. Ushakov A. V., Karpov I. V., Lepeshev A. A., Fedorov L. Yu. Copper Oxide of Plasma-Chemical Synthesis for Doping Superconducting Materials // International Journal of Nanoscience, 2017. Vol. 16, No. 4. Р. 1750001.
6. Устройство для увеличения пиннинга магнитного потока в гранулярных нанокомпозитах на основе высокотемпературной сверхпроводящей керамики / И. В. Карпов, А. В. Ушаков, А. А. Лепешев и др. // Журнал технической физики. 2018. № 88 (2). С. 238-242.
7. Ushakov A. V., Karpov I. V., Lepeshev A. A., Petrov M. I. Enhancing of magnetic flux pinning in YBa2Cu3O7-x/CuO granular composites // J. Appl. Phys., 2015. Vol. 118, No. 2. P. 023907.
References
1. Matveev V. A., Maevsky V. A., Aseev V. V. et al. [The use of bulk high-temperature superconductors in promising space systems]. Vestnik MGTU im. N. E. Baumana. Ser. Priborostroyeniye. 2016. No. 1. P. 15-32. (In Russ.)
2. Ushakov A. V., Karpov I. V., Lepeshev A. A. [Mechanisms of ionization in a cathode spot of a vacuum arc]. Vestnik SibGAU. 2016. No. 4. P. 983-989. (In Russ.)
3. Lepeshev A. A. Ushakov A. V., Karpov I. V. et al. [Modeling of ionization processes in a cathode spot of a vacuum arc]. Materialy XXI Mezhdunar. nauch. konf.
"Reshetnevskie chteniya" [Materials XXI Intern. Scientific. Conf "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2017. P. 624-625. (In Russ.)
4. Lepeshev A. A., Ushakov A. V., Karpov I. V. et al. Particularities of the magnetic state of CuO nanoparticles produced by low-pressure plasma arc discharge. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. 2017. Vol. 30, No. 4. P. 931-936.
5. Ushakov A. V., Karpov I. V., Lepeshev A. A. Copper Oxide of Plasma-Chemical Synthesis for Doping Superconducting Materials. International Journal of Nanoscience, 2017. Vol. 16, No. 4. P. 1750001.
6. Karpov I. V., Ushakov A. V., Lepeshev A. A. et al. Device for Increasing the Magnetic Flux Pinning in Granular Nanocomposites Based on the High-Temp Supercond Ceramic. Techn Phys, 2018. Vol. 63. P. 230-234.
7. Ushakov A. V., Karpov I. V., Lepeshev A. A., Pet-rov M. I. Enhancing of magnetic flux pinning in YBa2Cu3O7-x/CuO granular composites. J. Appl. Phys., 2015. Vol. 118, No. 2. P. 023907.
© Фёдоров Л. Ю., Ушаков А. В., Карпов И. В., Лепешев А. А., Иртюго Л. А., 2018
