background image

MATERIA£Y CERAMICZNE 1/2006 • tom LVIII

     

21

N

AUKA

, T

ECHNOLOGIA

Z

YGMUNT

 W

OKULSKI

, N

ATALIA

 O

RLIÑSKA

Z

AK£AD

 K

RYSTALOGRAFII

, I

NSTYTUT

 N

AUKI

 

O

 M

ATERIA£ACH

,

U

NIWERSYTET

 Œ

L¥SKI

 

W

 K

ATOWICACH

Wstêp

Poszukiwanie nowych materia³ów funkcjonalnych stano-

wi  jeden  z  podstawowych  celów  wspó³czeœnie  prowadzo-
nych badañ naukowych. W badaniach tych mo¿na wyró¿niæ
dwa zasadnicze nurty. Do pierwszego nurtu nale¿y zaliczyæ
te badania, które dotycz¹ technologii otrzymywania nowych
materia³ów wraz z dog³êbnym poznaniem ich podstawowych
w³aœciwoœci  fizyko-chemicznych,  natomiast  do  drugiego
nurtu,  zwykle  biegn¹cego  równolegle  z  pierwszym,  bêd¹
zalicza³y siê te badania, które dotycz¹ aplikacji tych¿e ma-
teria³ów. Do grupy wspó³czeœnie wa¿nych materia³ów nale-
¿¹  niew¹tpliwie  materia³y  ceramiczne  bêd¹ce  zwi¹zkami
metali z tlenem (tlenki), azotem (azotki), wêglem (wêgliki),
borem (borki), siark¹ (siarczki) i krzemem (krzemki). Two-
rzywa ceramiczne, po materia³ach metalowych i polimerach,
stanowi¹ znacz¹c¹ grupê materia³ów wa¿nych dla techniki
ze wzglêdu na ich cechy funkcjonalne. Do tej klasy materia-
³ów  mo¿emy  zaliczyæ  zarówno  ceramikê  wielkotona¿ow¹,
obejmuj¹c¹  przede  wszystkim  materia³y  budowlane,  szk³o
oraz ceramikê sanitarn¹, jak i ceramikê specjaln¹ stosowa-
n¹ m.in. w elektronice, elektrotechnice, optyce, przemyœle
j¹drowym, hutniczym i narzêdziowym. Elementy wykonane
z ró¿nych typów ceramiki charakteryzuj¹ siê wysok¹ odpor-
noœci¹ na œcieranie, wysokimi temperaturami pracy, a tak¿e
nisk¹ reaktywnoœci¹ chemiczn¹. Ogromne znaczenie prak-
tyczne wœród materia³ów ceramicznych znalaz³y ferryty, które
wykorzystywane s¹ jako elementy pamiêci w komputerach,
wykonuje siê z nich rdzenie transformatorów wysokiej czê-
stotliwoœci, czy te¿ magnesy. Podobnie w przemyœle narzê-
dziowym  szerokie  zastosowanie  znalaz³y  ceramiczne  ma-
teria³y  typu  cermetali  (np.  kompozycje  typu  TiC+TiN+
NbC+Ni) na bazie, których produkowane s¹ narzêdzia skra-
waj¹ce.

Z punktu widzenia cech funkcjonalnych mo¿emy wyró¿-

niæ  kilka  podstawowych  typów  ceramiki:  termoceramika,
ceramika mechaniczna, ceramika elektrotechniczna, optycz-
na, magnetyczna, bioceramika, ceramika j¹drowa i cerami-
ka nadprzewodz¹ca.

W ostatnich dwudziestu latach obserwuje siê bardzo du¿e

zainteresowanie ceramik¹ nadprzewodz¹c¹. Do 2001 roku
znane  by³y  dwie  grupy  materia³ów  nadprzewodz¹cych,  tj.
nadprzewodniki „klasyczne” (g³ównie metale) oraz wysoko-
temperaturowe ceramiczne nadprzewodniki (HTS-High-Tem-

Metody wytwarzania MgB

2

 – nowego

ceramicznego  nadprzewodnika

perature-Superconductors)  [1].  Wysokotemperaturowe  ce-
ramiczne nadprzewodniki otrzymywane s¹ z mieszanin czy-
stych tlenków miedzi i metali ziem rzadkich oraz wêglanów:
np.  Ba  czy  K.  Zwi¹zek  YBa

2

Cu

3

O

7

  (oznaczany  skrótem

YBCO) by³ pierwszym materia³em ceramicznym, w którym
stwierdzono przejœcie w stan nadprzewodz¹cy przy tempe-
raturze krytycznej Tc wy¿szej od temperatury wrzenia cie-
k³ego azotu (77 K) [2]. Materia³y te krystalizuj¹ w strukturze
krystalicznej perowskitu, typ ABO

3

, a ich w³aœciwoœci silnie

zale¿¹ od zawartoœci tlenu. Komórka elementarna takiego
nadprzewodnika sk³ada siê z szeregu warstw Cu-O, Ba-O i
Y prostopad³ych do osi c. O ile, w przypadku klasycznych
nadprzewodników, maksymalne temperatury krytyczne przej-
œcia  w  stan  nadprzewodz¹cy  by³y  rzêdu  T

c

  @  24  K,  to  w

przypadku  nadprzewodników  ceramicznych  (HTS)  uzyski-
wane temperatury krytyczne s¹ ju¿ rzêdu T

c

 @ 125 K.

W 2001 roku pojawia siê nowa, ekscytuj¹ca informacja

dotycz¹ca  w³aœciwoœci  nadprzewodz¹cych  dwuborku  ma-
gnezu (MgB

2

). Grupa japoñskich naukowców stwierdza, ¿e

znany od lat MgB

2

 przechodzi w stan nadprzewodz¹cy przy

Tc @ 39 K [3]. Od tego momentu daje siê zaobserwowaæ
wzmo¿one zainteresowanie tym zwi¹zkiem. W wielu labo-
ratoriach na œwiecie zostaj¹ podjête intensywne badania nad
tym materia³em. Realizowane projekty dotycz¹ takich pod-
stawowych zagadnieñ jak technologia otrzymywania dobrze
zdefiniowanych próbek MgB

2

, jego struktury elektronowej czy

te¿ opisu obserwowanego zjawiska nadprzewodnictwa. Do
dzisiaj podjêto ju¿ wiele udanych prób otrzymania MgB

2

 w

postaci  monokrystalicznej  oraz  wyprodukowano  pierwsze
taœmy  i  druty  z  polikrystalicznego  MgB

2

.  Otrzymanie  rela-

tywnie  du¿ych  i  dobrej  jakoœci  monokryszta³ów  MgB

2

  po-

zwoli³o na poznanie podstawowych w³aœciwoœci fizycznych
MgB

2

, w tym w³aœciwoœci nadprzewodz¹cych. Z kolei, mo¿-

liwoœci  praktycznego  zastosowania  MgB

2

,  przyczyni³y  siê

równie¿ do realizacji licznych projektów badawczych doty-
cz¹cych otrzymywania dobrej jakoœci taœm i drutów z MgB

2

.

Pierwsze próby otrzymania takich drutów zosta³y przepro-
wadzone przez P. C. Confielda i in. [4]. Autorzy ci otrzymy-
wali MgB

2

 w wyniku oddzia³ywania par magnezu z w³ókna-

mi boru o œrednicy 100 µm. Jednak¿e technika ta nie znala-
z³a wiêkszego praktycznego zastosowania. Obecnie taœmy
i druty z nadprzewodz¹cego MgB

2

 otrzymywane s¹ techni-

k¹ PIT (Powder-In-Tube) [5, 6].

Celem obecnej pracy jest omówienie metod otrzymywa-

nia MgB

2

 w postaci monokrystalicznej oraz w postaci skon-

MatCer

M

at

C

er

background image

22

   

MATERIA£Y CERAMICZNE 1/2006 • tom LVIII

N

AUKA

, T

ECHNOLOGIA

solidowanych polikrystalicznych taœm i drutów. W przypad-
ku otrzymywania monokryszta³ów przedstawiono dwie pod-
stawowe techniki monokrystalizacji MgB

2

; tj. monokrystali-

zacjê z zastosowaniem wysokich ciœnieñ oraz monokrysta-
lizacjê w zamkniêtych metalowych ampu³ach. Z kolei w przy-
padku  otrzymywania  skonsolidowanego  polikrystalicznego
MgB

2

, omówiono technikê PIT.

Charakterystyka uk³adu fazowego Mg-B

Równowagi fazowe w uk³adzie Mg-B, by³y analizowane

przez kilku autorów [7, 8]. W oparciu o uzyskane dane oraz
przeprowadzone obliczenia termodynamiczne stwierdzono,
¿e w uk³adzie Mg-B wystêpuje kilka faz, z których dobrze
zdefiniowane s¹ tylko trzy z nich; tj. MgB

2

, MgB

4

 i MgB

7

 (Rys.

1).

Przeprowadzone badania pokaza³y, ¿e MgB

2

 jest najbar-

dziej niestabilnym zwi¹zkiem spoœród pozosta³ych borków.
Ta niestabilnoœæ wynika z faktu, i¿ w wyniku reakcji perytek-
tycznej MgB

2

 topi siê niekongruentnie powy¿ej tempera-

tury 1545

o

C. St¹d wniosek, ¿e wzrost kryszta³ów MgB

2

wprost z fazy stopionej ze stechiometrycznych nawa¿ek
jest niemo¿liwy. Aby wiêc otrzymaæ MgB

2

 w postaci mo-

nokrystalicznej  konieczne  jest  spe³nienie  odpowiednich
warunków  temperaturowych  i  ciœnieniowych,  tj.  nale¿y
prowadziæ procesy wzrostowe powy¿ej linii wrzenia Mg,
czyli na granicy obszarów: ciecz + MgB

2

 i gaz + MgB

2

.

Struktura krystaliczna MgB

2

Badania pokaza³y, ¿e MgB

2

 krystalizuje w strukturze

krystalicznej typu AlB

2

, grupa przestrzenna P6/mmm [3].

Ma on typowo warstwow¹ budowê, tj. zbudowany jest z
naprzemiennie  u³o¿onych  warstw  heksagonalnych  ato-
mów magnezu i boru (Rys. 2).

W komórce elementarnej znajduj¹ siê dwa atomy boru

i jeden atom magnezu, które zajmuj¹ nastêpuj¹ce pozy-
cje: atom Mg: 0 0 0 oraz atom B: 1/3 2/3 1/2. W tempera-
turze pokojowej MgB

2

 charakteryzuj¹ nastêpuj¹ce para-

metry sieciowe: a = b = 0,3086 nm, c = 0,3524 nm i sto-
sunek c/a = 1.142 [3]. Stwierdzono równie¿, ¿e w zale¿-
noœci od sposobu otrzymywania MgB

2

 oraz wprowadzo-

Rys. 1. Diagram równowag fazowych w uk³adzie Mg-B

Rys. 2. Charakterystyczne rozmieszczenie atomów boru i magne-
zu w strukturze krystalicznej MgB

2

B

Mg

O

z

:

nych domieszek, wartoœci parametrów sieciowych mog¹ ulec
zmianie. Z analizy danych literaturowych wynika, ¿e najbar-
dziej  interesuj¹cymi  domieszkami  s¹  te,  które  s¹  podsta-
wiane w pozycje Mg b¹dŸ B. Potwierdzaj¹ to ostatnie bada-
nia nad otrzymywaniem kryszta³ów roztworów sta³ych typu
Mg

1-x

Al

x

B

2

 [9] i MgB

2-x

C

x

 [10].

Metody otrzymywania

Kryszta³y MgB

2

Z chwil¹ pojawienia siê informacji o niezwyk³ych w³aœci-

woœciach MgB

2

 podjêto szereg prób otrzymania go w posta-

ci monokrystalicznej. Ju¿ pierwsze prace pokaza³y, ¿e mo-
nokrystalizacja MgB

2

 jest bardzo trudnym zadaniem. Trud-

noœci technologiczne zwi¹zane s¹ z nie-
kongruentnym  topieniem  siê  MgB

2

  oraz

bardzo du¿¹ prê¿noœci¹ i reaktywnoœci¹
par magnezu przy T > 800

o

C. St¹d po-

szukiwano nowych, niekonwencjonalnych
metod otrzymania monokryszta³ów MgB

2

.

Jedn¹  z  takich  metod  jest  krystalizacja
MgB

2

 z wysokotemperaturowych roztwo-

rów z wykorzystaniem Al i Cu jako wyso-
kotemperaturowych  rozpuszczalników.
Jak pokazano w pracy [11] równie¿ w tym
przypadku  napotkano  na  znaczne  trud-
noœci i stwierdzono, ¿e trudno jest otrzy-
maæ du¿e kryszta³y MgB

2

  z  zastosowa-

niem tej metody. Podstawowym proble-
mem jest tu fakt, ¿e wymienione metale-
rozpuszczalniki reaguj¹ zarówno z Mg jak
i MgB

2

 w wysokiej temperaturze. Powsta-

j¹ce w ten sposób nowe zwi¹zki i roztwo-
ry  sta³e  utrudniaj¹  krystalizacjê  czystej

fazy MgB

2

. W ostatnim czasie podjêto udane próby otrzy-

mywania kryszta³ów ze stopionego Mg. Niestety tak otrzy-
mane kryszta³y MgB

2

 mia³y mikrometryczne rozmiary. Z prze-

Te

mperatura 

(

o

C)

background image

MATERIA£Y CERAMICZNE 1/2006 • tom LVIII

     

23

N

AUKA

, T

ECHNOLOGIA

prowadzonych pomiarów zmian R = f(T) wynika, ¿e tempe-
ratura krytyczna przejœcia w stan nadprzewodz¹cy dla tych
mikrokryszta³ów wynosi T

c

 = 37 K [12].

Najczêœciej kryszta³y MgB

2

 otrzymywane s¹ przy zasto-

sowaniu dwóch podstawowych technik monokrystalizacji; tj.
monokrystalizacji z zastosowaniem wysokich ciœnieñ [13, 14]
oraz  monokrystalizacji  z  mieszaniny  Mg  i  B  zamkniêtej  w
metalowych ampu³ach [15, 16, 17]. W przypadku zastoso-
wania techniki wysokich ciœnieñ du¿e osi¹gniêcia maj¹ dwa
zespo³y badawcze [13, 14].

Zespó³ kierowany przez Karpiñskiego [13] do otrzymy-

wania kryszta³ów MgB

2

 wykorzystywa³ quasi-potrójny uk³ad

Mg-B-N. W tym przypadku Ÿród³em azotu by³ tygiel wykona-
ny z BN, w którym umieszczano stechiometryczne miesza-
niny proszków Mg i B. Ca³y proces odbywa³ siê w zakresie
ciœnieñ P = 10–30 kbar, temperaturze 1100–2200

o

C i czasie

1–3 godzin, po czym ca³y uk³ad by³ sch³adzany w czasie 1–
2 godzin. Badania pokaza³y, ¿e podczas wzrostu kryszta³ów
MgB

2

 w pierwszym etapie, tj. przy temperaturze T > 1100

o

C,

Mg zaczyna reagowaæ z materia³em tygla, tj. z BN. Przy tem-
peraturze T > 1300

o

C i przy ciœnieniu P < 15 kbar w quasi-

potrójnym uk³adzie tworzy siê faza MgNB

9

.  Przy  ciœnieniu

P=15  kbar  nadal  wystêpuje  faza  MgNB

9

  oraz  rozpoczyna

siê wzrost kryszta³ów MgB

2

. Przy temperaturze T = 2200

o

C

i ciœnieniach P ³ 20 kbar w ci¹gu 10–15 min. pojawia³y siê
kryszta³y MgB

2

 wewn¹trz osnowy MgNB

9

. Przy wyd³u¿onym

czasie krystalizacji obserwowano zanikanie fazy MgNB

9

 a

koñcowym produktem by³y kryszta³y MgB

2

 oraz BN. Wynika

z tego, ¿e wzrost kryszta³ów MgB

2

 polega na powstaniu fazy

poœredniej MgNB9, a nastêpnie na jej rozk³adzie przy wyso-
kiej temperaturze i ciœnieniu. Otrzymane w ten sposób krysz-
ta³y mia³y rozmiary 1,5x0,9x0,2 mm

3

. Pomiary niskotempe-

raturowe pokaza³y, ¿e kryszta³y te charakteryzuj¹ siê wyso-
kimi wartoœciami temperatur krytycznych T

c

, które zawieraj¹

siê w przedziale T

c

 = 37,0–39,0 K.

Podobne badania prowadzi³ zespó³ kierowany przez Lee

[14]. Otrzymywali oni kryszta³y MgB

2

 z quasi-potrójnego uk³a-

du Mg-MgB

2

-BN stosuj¹c ciœnienia rzêdu P = 4–6 GPa, tem-

peratury w przedziale 1400–1700

o

C i czasy od kilku minut do

godziny. Eksperymenty prowadzono u¿ywaj¹c tygli BN, wzd³u¿
których stosowano gradienty temperatur równe ok. 200

o

C/cm.

U¿ywano mieszanin Mg+MgB

2

+BN w proporcjach 1:3:15, a ja-

ko prekursory stosowano proszki Mg i B. Otrzymane kryszta-
³y mia³y rozmiary od 0,3 do 0,7 mm i  charakteryzowa³y siê
temperaturami krytycznymi przejœcia do stanu nadprzewodz¹-
cego zawartymi w przedziale T

c

 = 38,1–38,3 K.

Innym  sposobem  otrzymywania  kryszta³ów  MgB

2

  jest

wykorzystanie  techniki  wygrzewania  stechiometrycznych
mieszanin  Mg+2B  umieszczanych  wewn¹trz  zamkniêtych
metalowych ampu³ wykonanych, np. z Mo, Nb czy stali nie-
rdzewnej [15, 16, 17]. Autorzy tych prac podaj¹, ¿e nape³-
nianie ampu³ substratami odbywa³o siê w atmosferze ochron-
nej argonu. Zamkniête ampu³y umo¿liwia³y, mimo du¿ej prê¿-
noœci par Mg, zabezpieczenie stechiometrii substratów pod-
czas  procesu  wygrzewania.  Procesy  wygrzewania  prowa-
dzono w temperaturowym przedziale 1050–1400

o

C i w cza-

sie od kilku godzin do kilku dni. W ka¿dym przypadku otrzy-
mywano wysokiej jakoœci kryszta³y MgB

2

, które charaktery-

zowa³y  siê  temperaturami  krytycznymi  przejœcia  do  stanu
nadprzewodz¹cego z przedzia³u T

c

 = 38,0–38,6 K.

Taœmy i druty

Równolegle  do  licznych  prac  nad  monokrystalizacj¹

MgB

2

, w wielu oœrodkach naukowych realizowane s¹ inten-

sywne prace eksperymentalne, których celem jest otrzyma-
nie  skondensowanego  MgB

2

  w  postaci  polikrystalicznych

taœm i drutów. Poszukiwania te maj¹ czêsto czysto aplika-
cyjny charakter.

Udane próby otrzymania MgB

2

 w postaci litej przepro-

wadzono stosuj¹c technikê SHS (Self-propagating High-Tem-
perature Synthesis) [18]. W takich eksperymentach wyko-
rzystuje siê syntezê zachodz¹c¹ w wyniku samorzutnej re-
akcji egzotermicznej w mieszaninie Mg+2B. Metoda ta po-
lega na sprasowaniu w pastylki (pod odpowiednim ciœnie-
niem)  mieszaniny  proszków  materia³u  wyjœciowego,  a  na-
stêpnie na ich syntezie. Synteza zostaje zainicjowana w tem-
peraturze rzêdu 650

o

C, przy czym ca³kowity czas reakcji jest

rzêdu kilku sekund. W tym czasie temperatura przygotowa-
nego wsadu mo¿e wzrosn¹æ do 1000

o

C.

Jednak jak wynika z analizy danych literaturowych, z apli-

kacyjnego punktu widzenia, jednym z najbardziej obiecuj¹-
cych sposobów otrzymywania skondensowanego MgB

2

 jest

technika PIT. Technika ta umo¿liwia w otrzymywanie w szybki
sposób nie tylko jedno- ale i  wielow³óknowych kompozycji
taœm i drutów z polikrystalicznego MgB

2

. W zale¿noœci od

sk³adu mieszanin wyjœciowych, takie taœmy i druty mog¹ byæ
otrzymywane przy pomocy dwóch procesów: procesu in-situ
lub procesu ex-situ.

W  przypadku  procesu  in-situ  (Rys.  3)  jako  substratów

u¿ywa  siê  mieszaniny  sk³adników  wchodz¹cych  w  sk³ad
zwi¹zku MgB

2

. Zwykle u¿ywane mieszaniny maj¹ sk³ad ste-

chiometryczny, tj. Mg+2B [19].
Autorzy  pracy  [20]  podaj¹,  ¿e
u¿ywali równie¿ mieszanin typu
MgB

2

+(Mg+2B).  W  dalszych

pracach  eksperymentalnych
ujawniono, ¿e w procesie kon-
solidacji  mieszanin  czêœæ  Mg
ulega³a odparowaniu b¹dŸ utle-
nieniu do MgO. St¹d celem za-
pewnienia  sk³adu  stechiome-
trycznego otrzymywanych taœm
b¹dŸ drutów, do mieszanin wyj-
œciowych  zwykle  dodaje  siê
pewne  nadmiarowe  iloœci  Mg
[21].  Podobnie  dodanie  pew-

Rys. 3. Schemat uk³adu do otrzymywania taœm i drutów MgB

2

 technik¹ PIT z zastosowaniem

procesu in-situ

Metalowy

pojemnik

Walcowanie

Druty

Taœmy

Obróbka

cieplna

Proces in-situ

Proszek Mg+2B

background image

24

   

MATERIA£Y CERAMICZNE 1/2006 • tom LVIII

N

AUKA

, T

ECHNOLOGIA

nych iloœci domieszek do sub-
stratów  umo¿liwia  otrzymanie
koñcowego  produktu  (taœm
b¹dŸ  drutów)  o  zmodyfikowa-
nych w³aœciwoœciach nadprze-
wodz¹cych.

Z kolei proces ex-situ (Rys.

4.) polega na spiekaniu polikry-
stalicznego proszku MgB

2

 [22].

Podobnie jak w przypadku pro-
cesu in-situ, tak i w tym proce-
sie MgB

2

 mo¿e byæ dodatkowo

domieszkowany poprzez mody-
fikacjê  sk³adu  materia³u  wyj-
œciowego.  Opieraj¹c  siê  na  danych  literaturowych  mo¿na
stwierdziæ, ¿e problemy zwi¹zane z otrzymywaniem dobrej
jakoœci  taœm  i  drutów  MgB

2

  dotychczas  rozwi¹zywane  s¹

g³ównie na drodze eksperymentalnej.

W obu przypadkach ca³y proces konsolidacji rozpoczy-

na  siê  od  wyboru  wysokiej  jakoœci  i  czystoœci  substratów.
Z wczeœniejszych  prac  wynika,  ¿e  zarówno  czystoœæ  jak
i wielkoœæ cz¹stek substratów maj¹ istotny wp³yw na warto-
œci uzyskiwanych temperatur krytycznych Tc i pr¹dów kry-
tycznych Jc otrzymanych taœm i drutów [23, 24]. Stwierdzo-
no, ¿e w celu uzyskania odpowiedniego rozmiaru cz¹stek
nale¿y wybraæ w³aœciwy proces przygotowywania proszków
Mg, B i MgB

2

. Obecnie stosuje siê dwa sposoby, tj. kulowe

mielenie w izopropanowym œrodowisku z odpowiednim do-
borem czasu i energii mielenia [25] albo przed³u¿one wyso-
koenergetyczne mielenie w gazie ochronnym [26]. Jak po-
kazano w pracy [27] taœmy i druty otrzymywane z proszków
o rozmiarach cz¹stek oko³o 3 µm charakteryzowa³y siê naj-
wy¿szymi  wartoœciami  pr¹dów  krytycznych  Jc.  Dalsze
zmniejszanie wielkoœci tych cz¹stek powodowa³o obni¿enie
wartoœci Jc. Przyjmuje siê, ¿e za obni¿enie wartoœci pr¹du
krytycznego  Jc  odpowiada  tworzenie  siê  tlenku  MgO  na
powierzchni cz¹stek substratów.

W procesie wykonywania nadprzewodz¹cych taœm i dru-

tów MgB

2

 du¿e znaczenie ma równie¿ dobór odpowiednie-

go materia³u metalowych rurek, w których umieszczane s¹
proszki MgB

2

 b¹dŸ (Mg+2B). Takie rurki powinny zapewniæ

mechaniczn¹ i termiczn¹ stabilnoœæ wymagan¹ w procesie
wykonywania  taœm  lub  drutów  MgB

2

.  Z  danych  literaturo-

wych  wynika,  ¿e  prowadzono  szereg  prób  otrzymywania
skonsolidowanego MgB

2

  z  wykorzystaniem  rurek  wykona-

nych z nastêpuj¹cych materia³ów: Fe [28], Ni [29], Cu, Ag
[30], Nb [31], Ta [32], SS [33, 34]. Jeœli chodzi o w³aœciwoœci
otrzymanych taœm i drutów MgB

2

 i ich reaktywnoœci¹ z ma-

teria³ami rurek stwierdzono, ¿e najlepiej zadanie to spe³nia-
j¹ rurki wykonane z Fe i jego stopów [35, 36]. Z drugiej jed-
nak strony wa¿ne jest by materia³ rurki by³ ³atwy w obróbce
plastycznej. Cechy takie wykazuj¹ rurki wykonane z Ag, Cu
oraz Ni i jego stopów. Istotnym jednak mankamentem tych
metali jest ich du¿a zdolnoœæ do reagowania z MgB

2

 w tem-

peraturach 900–1000

o

C, w których prowadzone s¹ procesy

spiekania otrzymywanych taœm i drutów. Mimo to, z punktu
widzenia  odkszta³ceñ  plastycznych  materia³u  tych  rurek,
nadal pozostaj¹ one interesuj¹c¹ mo¿liwoœci¹ konsolidacji
w  nich  MgB

2

.  Natomiast  problem  reaktywnoœci  materia³u

rurek z wsadem MgB

2

 b¹dŸ (Mg+2B) z powodzeniem mo¿e

byæ  ominiêty  poprzez  zastosowanie  ni¿szych  temperatur

Rys. 4. Schemat uk³adu do otrzymywania taœm i drutów MgB

2

 technik¹ PIT z zastosowaniem

procesu ex-situ

Proszek MgB

 

Proces ex-situ

Metalowy

pojemnik

Walcowanie

Druty

Taœmy

Obróbka

cieplna

konsolidacji  [37].  Czêsto  problem  doboru  odpowiedniego
materia³u  rurki  rozwi¹zywany  jest  równie¿  poprzez  u¿ycie
dwóch wspó³osiowych rurek. Rozwi¹zanie tego typu ma na
celu zapewnienie mechanicznej stabilnoœci otrzymywanych
taœm b¹dŸ drutów.

Rurki z umieszczonymi w nich MgB

2

 lub Mg+2B formo-

wane s¹ za pomoc¹ przeci¹gania oraz prasowania (walco-
wania). Taki tok postêpowania ma na celu uzyskanie na dro-
dze  mechanicznej  maksymalnie  skonsolidowanego  mate-
ria³u wyjœciowego, znajduj¹cego siê wewn¹trz rurki o gêsto-
œci zbli¿onej do wartoœci teoretycznej. Ca³y proces trwa tak
d³ugo, a¿ zostan¹ osi¹gniête okreœlone rozmiary poprzecz-
ne  dla  taœm  lub  odpowiednie  œrednice  dla  drutów  MgB

2

.

Twardoœæ i kruchoœæ MgB

2

 stanowi tu dodatkowy problem,

znacznie  utrudniaj¹c  uzyskanie  odpowiednich  wymiarów
taœm i drutów. W dalszym etapie uformowane taœmy b¹dŸ
druty MgB

2

 podlegaj¹ obróbce cieplnej. Procesy spiekania

prowadzone  s¹  zwykle  w  pró¿ni  b¹dŸ  w  atmosferze  gazu
ochronnego, np. w azotu [38], argonu [39] lub argonu z do-
datkiem  wodoru  [40]  w  celu  unikniêcia  tworzenia  siê  tlen-
ków.  Jeœli  czas  spiekania  jest  krótki  wówczas  proces  taki
mo¿e byæ przeprowadzony w powietrzu. Procesy spiekania
zwykle prowadzi siê w czasie od kilku minut do kilku godzin.
W  procesie  in-situ  ju¿  po  kilku  minutach  zaobserwowano
pojawienie  siê  czystej  fazy  MgB

2

.  Z  praktycznego  punktu

widzenia  istotnym  staje  siê  fakt,  ¿e  przy  krótkich  czasach
procesów spiekania nie jest konieczne stosowanie wysokiej
czystoœci  gazów  ochronnych,  a  to  z  kolei  ma  zasadnicze
znaczenie w obni¿eniu kosztów produkcji taœm i drutów. Do-
datkowo z analizy danych literaturowych wynika, ¿e otrzy-
mywane taœmy b¹dŸ druty bezpoœrednio po wyjêciu z pieca
mog¹ byæ ch³odzone zarówno w powietrzu [41], w wodzie
[5], jak równie¿ w ciek³ym azocie [38].

Opanowanie  technologii  wytwarzania  taœm  i  drutów

z MgB

2

 umo¿liwi³o wyprodukowanie pierwszych kabli nad-

przewodz¹cych [42]. W szczególnoœci opanowanie procesu
produkcji wielow³óknowych kompozycji taœm i drutów MgB

2

ma bardzo du¿e znaczenie praktyczne (Rys. 5).

W  chwili  obecnej  mo¿na  wyró¿niæ  dwie  podstawowe

metody otrzymywania takich wielow³óknowych kompozycji
taœm i drutów MgB

2

 [43]. Pierwsza z nich polega na umiesz-

czeniu wewn¹trz metalowej rurki pojedynczych drutów b¹dŸ
taœm MgB

2

 przygotowanych technik¹ PIT (Rys. 6).

Druga  metoda  polega  na  wykorzystaniu  metalowych

(zwykle  ¿elaznych)  prêtów  z  symetrycznie  nawierconymi
otworami w ich wnêtrzach, w których umieszcza siê proszek
MgB

2

 (Rys. 7).

background image

MATERIA£Y CERAMICZNE 1/2006 • tom LVIII

     

25

N

AUKA

, T

ECHNOLOGIA

Rys. 5. Schemat wielow³óknowej taœmy otrzymanej technik¹ PIT, gdzie: 1 – koñco-
wa postaæ mikrotaœm MgB

2

, 2 – metalowa rurka, np. z Fe



 

W pierwszym przypadku we wnêtrzu metalowej rurki (np.

Cu) umieszcza siê wi¹zkê pojedynczych taœm b¹dŸ drutów
MgB

2

, a nastêpnie poddaje siê j¹ dalszej obróbce mecha-

nicznej, w tym przeci¹ganiu. W wyniku przeci¹gania mo¿na
uzyskaæ wielow³óknowy kompozyt (kabel) o okreœlonej licz-
bie drutów MgB

2

 o ¿¹danym przekroju poprzecznym.

W  drugim  przypadku  metalowy  prêt  w  pierwszej  fazie

podlega wstêpnemu przeci¹ganiu. Po tym procesie, w za-
le¿noœci od tego czy chcemy otrzymaæ druty czy taœmy, prêt
zostaje  przeci¹gniêty  b¹dŸ  sprasowany  celem  uzyskania
odpowiednich wymiarów poprzecznych.

Z przeprowadzonych badañ wiadomo, ¿e jakoœæ otrzy-

manych wielow³óknowych kompozytów (kabli), podobnie jak
w przypadku jednow³óknowych taœm i drutów zale¿y od ca-
³ego  procesu  przygotowania  oraz  obróbki  mechanicznej.

Rys. 6. Schemat produkcji wielow³óknowych taœm b¹dŸ drutów technik¹ PIT z wykorzystaniem
metalowej rurki. 1 – mikrodruty MgB

2

 otrzymane technik¹ PIT, 2 – metalowa rurka, 3 – MgB

2

Poza tym wiadomo, ¿e proces wygrzewa-
nia jednow³óknowych tworzyw MgB

2

 znacz-

nie zwiêksza ich gêstoœæ, a tym samym pro-
wadzi do uzyskania wy¿szych wartoœci kry-
tycznych gêstoœci pr¹dów. Dlatego dodat-
kowo, oprócz obróbki mechanicznej, zarów-
no w przypadku wielow³óknowych taœm jak
i drutów, warto w koñcowym etapie zasto-
sowaæ proces wygrzewania.

W  ostatnim  czasie  podjêto

tak¿e kilka udanych prób otrzy-
mania drutów MgB

2

 zmodyfiko-

wan¹  technik¹  PIT  z  zastoso-
waniem  metody  wybuchowej
[44]. Metoda ta umo¿liwia ogra-
niczenie obróbki mechanicznej
do minimum przy jednoczesnej
eliminacji etapu wysokotempe-
raturowego spiekania. Konsoli-
dacja  proszku  MgB

2

  metod¹

wybuchow¹ [45] jest procesem
zagêszczania  i  ³¹czenia  cz¹-
stek. Dokonuje siê ona podczas
przejœcia  fali  uderzeniowej
przez  porowate  medium.

W eksperymencie  wykorzystano  proces
ex-situ otrzymywania drutów nadprzewo-
dz¹cego  MgB

2

.  Celem  mechanicznego

wzmocnienia  uk³adu,  w  eksperymencie
materia³  wyjœciowy  umieszczany  by³
w dwóch wspó³osiowych metalowych rur-
kach.  Proces  konsolidacji  MgB

2

  zosta³

przeprowadzony w dwóch ró¿nych warian-
tach u¿ytych rurek. W pierwszym przypad-
ku proszek MgB

2

 umieszczano w ¿elaznej

rurce,  któr¹  nastêpnie  wspó³osiowo
umieszczono  wewn¹trz  rurki  z  miedzi.
W drugim  przypadku  proszek  MgB

2

umieszczony  zosta³  w  miedzianej  rurce,
a nastêpnie  rurka  ta  zosta³a  ulokowana
w rurce  stalowej.  Nastêpnie  rurki  z  tak
umieszczonym proszkiem MgB

2

 by³y za-

mykane metalowymi korkami. Tak przygo-
towane  uk³ady  rurek  umieszczano  we-
wn¹trz  uk³adu  wybuchowego,  w  którym
detonacjê  ³adunku  wybuchowego  pobu-

dzano detonatorem generuj¹cym falê p³ask¹. Jak pokazano
na rys. 8 i 9 tak otrzymane próbki skonsolidowanego poli-
krystalicznego MgB

2

 charakteryzuj¹ siê dobrym zagêszcze-

niem oraz równomiernym rozk³adem materia³u we wnêtrzu
ka¿dej rurki.

Podsumowanie

W artykule scharakteryzowano uk³ad fazowy Mg-B oraz

strukturê  krystaliczn¹  MgB

2

.  Omówiono  sposoby  otrzymy-

wania MgB

2

 w postaci mono- jak i polikrystalicznej. Zwróco-

no  uwagê  na  mo¿liwoœæ  otrzymania  dobrej  jakoœci  mono-
kryszta³ów  przy  u¿yciu  dwóch  technik:  techniki  z  zastoso-
waniem wysokich temperatur i wysokich ciœnieñ oraz techniki
wygrzewania materia³ów wyjœciowych w metalowych ampu-

Rys. 8. Fotografia drutów MgB

2

 otrzymanych technik¹ PIT z zastosowaniem kon-

solidacji metod¹ wybuchow¹: 1 – skonsolidowany polikrystaliczny MgB

2

, 2 – ¿ela-

zna rurka, 3 – miedziana rurka

background image

26

   

MATERIA£Y CERAMICZNE 1/2006 • tom LVIII

N

AUKA

, T

ECHNOLOGIA

Rys. 9. Fotografia drutów MgB

2

 otrzymanych technik¹ PIT z zastosowaniem kon-

solidacji metod¹ wybuchow¹: 1 – skonsolidowany polikrystaliczny MgB

2

, 2 – mie-

dziana rurka, 3 – stalowa rurka

³ach.  Omówiono  preparatykê  zwi¹zan¹
z otrzymywaniem jedno- i wielow³óknowych
taœm i drutów MgB

2

 technik¹ PIT. Przedys-

kutowano dwa procesy: proces in-situ i pro-
ces ex-situ. Pokazano, ¿e jakoœæ otrzyma-
nego materia³u zale¿y od wielu czynników,
tj. jakoœci i wielkoœci ziaren materia³u wyj-
œciowego, wyboru procesu, procesu formo-
wania, temperatury i czasu obróbki ciepl-
nej oraz materia³u u¿ytych rurek.

Podziêkowania

Autorzy pragn¹ podziêkowaæ Panu dr

in¿. Józefowi M. Paszuli z Wojskowej Aka-
demii Technicznej w Warszawie za skon-
solidowanie próbek MgB

2

 metod¹ wybu-

chow¹.

Literatura

[1] M. Cyrot, D. Pavuna, Wstêp do nadprze-

wodnictwa;  Nadprzewodniki  wysokotemperaturowe,  Wyd.

PWN, Warszawa, (1996) str. 19.

[2] J.G. Bednorz, K.A. Müller, Z. Physik B., 64, 189 (1986).

[3] J. Nagamatsu, N. Nakagawa, T. Muranaka, Y. Zenitani, J. Aki-

mitsu, Nature, 410, 63 (2001).

[4] P.C. Confield, D.K. Finnemore, S.L. Bud'ko, J.E. Ostenson, G.

Lapertot, Phys. Rev. Lett., 86, 2423 (2001).

[5] C.E. Cunningham, C. Petrovic, G. Lapertot, S.L. Bud'ko, F. La-

abs, W. Straszheim, D.K. Finnemore, P.C. Canfield, Physica

C, 353, 5 (2001).

[6] C. Buzea T. Yamashita, Superconductors, Science & Techno-

logy, 14, No. 11, 115 (2001).

[7] M.E. Jones, R.E. Marsh, J. Am. Chem. Soc., 76, 1434 (1953).

[8] V. Russell, R. Hirst, F.A. Kanda, A.J. King, Acta Cryst., 6, 870

(1953).

[9] J.S. Slusky, N. Rogado, K.A. Regan, M.A. Hayward, P. Khali-

fah, T. He, K. Inumarus, S. Loureiro, M.K. Haas, H.W. Zand-

bergen, R.J. Cava, Nature (London), 410, 343 (2001)

[10] Z.H. Cheng, B.G. Shen, J. Zhang, S.Y. Zhang, T.Y. Zhao, H.W.

Zhao, J. Appl. Phys., 91, 7125 (2002).

[11] D. Souptel, G. Behr, W. Löser, W. Kopylov, M. Zinkevich, J.

Alloys Compounds, 349, 193 (2003).

[12] W. Du, D. Xu, H. Zhang, X. Wang, G. Zhang, X. Hou, H. Liu, Y.

Wang, J. Crystal Growth, 268, 123 (2004).

[13] J. Karpiñski, S.M. Kazakow, J. Jun, M. Angst, R. Puzniak, A.

Wisniewski, P. Bordet, Physica C, 385, 42 (2003).

[14] S. Lee, Physica C, 385, 31 (2003).

[15] M. Xu, H. Kitazawa, Y. Takano, J. Ye, K. Nishida, H. Abe, A.

Matsushita, N. Tsujii, G. Kido, Appl. Phys. Lett., 9, 2779 (2001).

[16] Kijoon H. P. Kim, Jae-Hyuk Choi, C.U. Jung, P. Chowdhury,

Hyun-Sook Lee, Min-Seok Park, Heon-jung Kim, J.Y. Kim, Z.

Du,  Eun-Mi  Choi,  Mun-Seog  Kim,  W.N.  Kang,  Sung-Ik  Lee,

G.Y. Sung, J.Y. Lee, Phys. Rev. B., 65, 100510 (2002).

[17] Y.  Machida,  S.  Sasaki,  H.  Fujii,  M.  Furuyama,  I.  Kakeya,  K.

Kadowaki, Phys. Rev. B., 67, 094507 (2003).

[18] K. Przybylski, L. Stobierski, J. Christ, A. Ko³odziejczyk, Physi-

ca C, 387, 148 (2003).

[19] B. A. Glowacki, M. Majors, M. Vickers, J E. Evetts, Y. Shi, I.

McDougall, Supercond. Sci. Technol., 14, 193 (2001).

[20] A.V. Pan, S. Zhou, H. Liu, S.X. Dou, Supercond. Sci. Technol.,

16, 639 (2003).

[21] E. Martinez, R. Navarro, cond-mat/0306090.

[22] W. Pachla, A. Presz, R. Diduszko, P. Kováè, I. Hušek, Super-

cond. Sci. Technol., 15, 1281 (2002).

[23] P. Kováè, I. Hušek, T. Melišek, J.C. Grivel, W. Pachla, V. Štrbik,

R. Diduszko, J. Homeyer, N.H. Andersen, Supercond. Sci. Tech-

nol., 17, L41 (2004).

[24] H.L. Suo, P. Lezza, D. Uglietti, C. Beneduce, V. Abächerli, R.

Flükiger, Appl. Supercond., 13, 3265 (2002).

[25] H.L. Suo, C. Beneduce, M. Dhallé, N. Musolino, J.Y. Genoud,

R. Flükiger, Appl. Phys. Lett. 79 3116 (2001).

[26] A.  Gümbel,  J.  Eckert,  G.  Fuchs,  K.  Nenkov,  K.H.  Müller,  L.

Schultz, Appl. Phys. Lett. 80, 2725 (2002).

[27] R. Flükiger, H.L. Suo, N. Musolino, C. Beneduce, P. Toulemon-

de, P. Lezza, Physica C, 385, 286 (2003).

[28] P. Kovac, I. Husek, Ch. Grovenor, Ch. Salter, Supercond. Sci.

Technol. 16, 292 (2003).

[29] G. Grasso, A. Malagoli, D. Marré, E. Bellingeri, V. Braccini, S.

Roncallo, N. Scati, A.S. Siri, Physica C, 378-381, 899 (2002).

[30] S. Soltanian, X.L. Wang, J . Horvat, A.H. Li, H.K. Liu, S.X. Dou,

Physica C, 382, 187 (2002).

[31] G. Giunchi, S. Ceresara, G. Ripamonti, A.Di Zenobio, S. Ros-

si, S. Chiarelli, M. Spadoni, R. Wesche, P.L. Bruzzone, Super-

cond. Sci. Technol., 16 285 (2003).

[32] W. Goldacker, S.I. Schlachter, S. Zimmer, H. Reiner, Super-

cond. Sci. Technol., 14, 787 (2001).

[33] H.  Kitaguchi,  A.  Matzumoto,  H.  Hatakeyama,  K.  Kumakura,

Supercond. Sci. Technol., 17, 486 (2004).

[34] K.J. Song, N.J. Lee, H.M. Jang, H.S. Ha, D.W. Ha, S.S. Oh,

M.H. Sohn, Y.K. Kwon, K.S. Ryu, cond-mat/0106124.

[35] S. Jin, H. Mavoori, C. Bower, R.B. van Dover, Nature, 411, 563

(2001).

[36] H. Kumakura, A. Matsumoto, H. Fujii, K. Togano, Appl. Phys.

Lett., 79, 2435 (2001).

[37] B.A. Glowacki, M. Majoros, M.E. Vickers, B. Zeimetz, Physica

C, 372-376, 1254 (2002).

[38] X.L.  Wang,  S.  Soltanian,  J.  Horvat,  M.J.  Qin,  H.K.  Liu,  S.X.

Dou, Physica C, 361, 149 (2001).

[39] A. Serquis, L. Civale, D.L. Hammon, J.Y. Coulter, X.Z. Liao,

Y.T.  Zhu,  D.E.  Peterson,  F.M.  Mueller,  Appl.  Phys.  Lett.,  82,

1754 (2003).

[40] S.I. Schlachter, W. Goldacker, J. Reiner, S. Zimmer, B. Liu, B.

Obst, IEEE Transactions of Appl. Supercond., 13, 3203 (2003).

[41] E. Martinez, L.A. Angurel, R. Navarro, Supercond. Sci. Tech-

nol., 15, 1043 (2002).

[42] B.A. Glowacki, M. Majoros, M. Vicker, M. Eisterer, S. Toenies,

H. W. Weber, M. Fukutomi, K. Komori, K. Togano, Supercond.

Sci. Technol., 16, 297 (2003).

[43] H.L. Suo, C. Beneduce, X.D. Su, R. Flükiger, Supercond. Sci.

Technol., 15, 1058 (2002).

[44] N. Orliñska, Z. Wokulski, J. M. Paszula, G. Dercz: "Modyfika-

cja techniki PIT w otrzymywaniu skonsolidowanego MgB2" -

XXXIII  Szko³a  In¿ynierii  Materia³owej  -  SIM  2005,  Kraków-

Ustroñ 4.X-7.X. 2005, str. 281-286.

[45] E. Szewczak, J. Paszula, A. V. Leonov, H. Matyja, Mater. Sci.

Engineering. A., 226-228, 115 (1997).

¨