FR2742001A1 - SUBSTRATE FOR A HIGH TEMPERATURE REMOVER CONDUCTIVE AND METHOD OF MANUFACTURE - Google Patents
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Abstract
Comme substrat pour l'application de films minces et de films épais de supraconducteurs à haute température conviennent des monocristaux de Mg0, qui toutefois sont de fabrication coûteuse pour les grandes la surfaces et exigent une température de frittage >= 1650 deg.C. Si à la fine poudre de départ de Mg0 on ajoute comme auxiliaire de frittage du Cu0, de sorte qu'il en résulte un substrat de composition (Mg1-x Cux )0, avec 0,06 =< x =< 0,08, on obtient une poudre de départ, qui peut être frittée à une température de frittage comprise entre 1050 deg.C à < 1350 deg.C et qui n'aggrave pas les propriétés des supraconducteurs du type Bia Srb Cac Cud 0, qui sont fabriqués en tant que couches minces ou couches épaisses suivant le procédé de fusion. La granulométrie moyenne des cristallites du substrat ainsi fabriqué se situe entre 1 mum et 3 mum. Comme matières de départ on utilise une solution aqueuse de Cu(N03 )2 et une suspension de fine poudre Mg(0H)2 dans l'eau. La forme voulue du substrat peut être réalisée par coulée en bande ou coulée en barbotine où coulée par injection ou par pressage uniaxial et isostatique.As a substrate for the application of thin films and thick films of high temperature superconductors are suitable single crystals of Mg0, which however are expensive to manufacture for large areas and require a sintering temperature> = 1650 deg. C. If Cu0 is added to the starting fine powder of Mg0 as a sintering aid, so that a substrate of composition (Mg1-x Cux) 0 results, with 0.06 = <x = <0.08, a starting powder is obtained, which can be sintered at a sintering temperature of between 1050 deg.C to <1350 deg.C and which does not worsen the properties of superconductors of the type Bia Srb Cac Cud 0, which are manufactured in as thin layers or thick layers depending on the fusion process. The average particle size of the crystallites of the substrate thus manufactured is between 1 μm and 3 μm. As starting materials an aqueous solution of Cu (NO 3) 2 and a suspension of fine powder Mg (OH) 2 in water are used. The desired shape of the substrate can be achieved by strip casting or slip casting or injection casting or by uniaxial and isostatic pressing.
Description
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Substrat pour un supraconducteur à haute S.. u................. Substrate for a high S superconductor .. u .................
.................................................... h....t..e e.mPé. tur.e.et _procédé de fabrication L'invention a pour objet un substrat pour un supraconducteur à haute température, qui contient de l'oxyde de magnésium. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un tel substrat avec une..DTD: première poudre contenant du magnésium et de l'oxygène. .................................................. .. h .... t..e e.mPé. The invention relates to a substrate for a high temperature superconductor, which contains magnesium oxide. The invention also relates to a method of manufacturing such a substrate with a DTD: first powder containing magnesium and oxygen.
Avec le substrat et le procédé du type précité l'invention se réfère à un état de la technique, tel qu'il est connu par J.R. Spann et al., Oriented BSCCO With the substrate and the method of the aforementioned type the invention refers to a state of the art, as known from J. R. Spann et al., Oriented BSCCO
thick film coatings on polycrystalline MgO, J. Mater. thick film coatings on polycrystalline MgO, J. Mater.
Res., vol. 5, n 6, juin 1990, pages 1163 à 1168. Il y est indiqué comme substrats pour la fabrication de films minces et de films épais fortement orientés de BSCCO (Bi.SrbCa.CudOx) du MgO polycristallin, des monocristaux de MgO, des feuilles de Ag et de Ni, une plaque de cuivre, SrTiO3 et du dioxyde de zirconium stabilisé, le substrat de MgO monocristallin fournissant les meilleurs films BSCCO. Sont indiqués les procédés de fabrication suivants: la cristallisation à partir de la fusion, la pulvérisation, en particulier la pulvérisation de plasma, la séparation d'une vapeur, l'épitaxie à partir d'une phase liquide et la décomposition thermique de sels complexes. Les couches de Bi (2212) de fusion ont sur ces substrats, pour 64 K, une densité de courant critique de = 2 kA/cm2. Les substrats en A1203 Res., Vol. 5, No. 6, June 1990, pages 1163-1168. It is indicated as substrates for the production of thin films and strongly oriented thick films of BSCCO (Bi.SrbCa.CudOx) polycrystalline MgO, MgO single crystals, Ag and Ni foils, a copper plate, SrTiO3 and stabilized zirconium dioxide, the monocrystalline MgO substrate providing the best BSCCO films. The following manufacturing processes are indicated: crystallisation from melting, spraying, in particular plasma spraying, vapor separation, epitaxy from a liquid phase and thermal decomposition of complex salts . The layers of Bi (2212) of fusion have on these substrates, for 64 K, a critical current density of = 2 kA / cm 2. Substrates in A1203
mouillent mal et sont irréguliers.wet poorly and are irregular.
Il est désavantageux dans ce cas que des monocristaux de MgO de grande surface soient de fabrication très coûteuse. Pour fabrique du MgO pur avec une densité relative voulue de _ 98 %, il faut une température de frittage ' i 650 C. Il faut pour cela des fours coûteux. Un pressage à chaud à = 1 200 C est également cher. ZrOz et A12z03 détruisent partiellement It is disadvantageous in this case that large surface MgO single crystals are very expensive to manufacture. In order to produce pure MgO with a desired relative density of 98%, a sintering temperature of 650.degree. C. is required. This requires costly furnaces. Hot pressing at = 1200 C is also expensive. ZrOz and A12z03 partially destroy
le supraconducteur à haute température à appliquer. the superconductor at high temperature to apply.
A propos de l'état de la technique pertinent il About the relevant state of the art it
est renvoyé en supplément à une publication de X.L. is returned in addition to a publication of X.L.
Wang et al., The preparation and electrical properties of Bi2SrzCaCu20O thick films with high Th on (100) MgO substrate, Supercond. Sci. Technol. 8 (1995) pages 229 à 233. Avec le procédé qui est décrit il a été atteint une température critique de 92 K. A une température de service recherchée de 77 K (azote liquide), on a avec des couches de Bi (2212) de fusion la densité de courant critique qui est de l'ordre de i kA/cm2 à Wang et al., The preparation and electrical properties of Bi2SrzCaCu20O thick films with high Th on (100) MgO substrate, Supercond. Sci. Technol. 8 (1995), pages 229 to 233. With the process which is described a critical temperature of 92 K. has been reached. At a desired service temperature of 77 K (liquid nitrogen), one has with layers of Bi (2212) of fusion the critical current density which is of the order of i kA / cm2 to
2 kA/cm2.2 kA / cm2.
Par une publication de Theodore P. Hyatt, Electronics: Tape Casting, Roll Compaction, in: The American Ceramic Society Bulletin, Volume 74, n 10, octobre 1995, pages 56 à 59, il est connu un procédé de formage pour A1203 et autres matériaux, qui peut être By a publication by Theodore P. Hyatt, Electronics: Tape Casting, Roll Compaction, in: The American Ceramic Society Bulletin, Volume 74, No. 10, October 1995, pp. 56-59, a forming process for A1203 and others is known. materials, which can be
appliqué aussi dans la présente invention. also applied in the present invention.
Les supraconducteurs à haute température réagissent aux températures supérieures avec la plupart des matériaux céramiques. Les procédés de fabrication préférés pour les supraconducteurs à haute température, pour lesquels ceux-ci fondent partiellement ou totalement, ne réussissent que sur peu de matériaux céramiques, mais au mieux sur MgO, qui ne réagit pratiquement pas chimiquement jusqu'à 900 C. En outre la céramique de MgO possède à peu près la même dilatation thermique que la phase supraconductrice BizSr2Ca1Cu2O0., (Bi2212), de sorte qu'elle convient particulièrement bien comme matériau de substrat. La fabrication de céramique de MgO utilisable est toutefois très complexe, puisqu'il faut presque i 700 C pour fritter de manière totalement dense du High temperature superconductors react at higher temperatures with most ceramic materials. The preferred manufacturing processes for high temperature superconductors, for which they partially or totally melt, only succeed on few ceramic materials, but at best on MgO, which does not react chemically up to 900 C. in addition to the MgO ceramic has about the same thermal expansion as the superconducting phase BizSr2Ca1Cu2O0., (Bi2212), so it is particularly suitable as a substrate material. The manufacture of MgO ceramics that can be used is, however, very complex, since it takes almost 700 C to sinter in a totally dense manner.
MgO pur.Pure MgO.
L'invention a pour but de développer un substrat pour un supraconducteur à haute température du type précité et un procédé pour sa fabrication de The object of the invention is to develop a substrate for a high temperature superconductor of the aforementioned type and a process for its manufacture.
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manière que le substrat soit fabriqué sur une grande way that the substrate is made on a large
surface et à un coût avantageux.surface and at an advantageous cost.
Un avantage de l'invention réside dans le fait qu'il est possible de fabriquer des surfaces de substrats > 10 cm. 10 cm par un pressage à sec usuel, An advantage of the invention lies in the fact that it is possible to manufacture substrate surfaces> 10 cm. 10 cm by a usual dry pressing,
d'un coût avantageux ou par coulée en bande. cost-effective or by strip casting.
Dans le cas de l'ajout de CuO comme auxiliaire de frittage pour donner du MgO, aucun gaz nuisible n'est dégagé; en même temps de basses températures de frittage de l'ordre de i 100 C à 1 200 C sont possibles, de sorte que l'on peut utiliser des fours à un prix plus avantageux, qui présentent en outre une In the case of adding CuO as a sintering aid to give MgO, no noxious gas is released; at the same time low sintering temperatures of the order of 1100 ° C. to 1200 ° C. are possible, so that it is possible to use ovens at a more advantageous price, which also have a lower
durée de vie relativement longue.relatively long life.
A une première matière de départ pulvérulente, qui contient du magnésium et de l'oxygène, on ajoute comme auxiliaire de frittage un deuxième matériau de départ pulvérulent, qui contient du cuivre et de l'oxygène. Il est ainsi formé un troisième matériau de départ pulvérulent, qui est fritté à une température de frittage < 1 350 C. La proportion du deuxième matériau de départ dans le troisième matériau de départ est de 1 mole % à 25 moles %, de préférence de 4 moles % à 12 To a first powdery starting material, which contains magnesium and oxygen, a second powdery starting material which contains copper and oxygen is added as a sintering aid. A third powdery starting material is thus formed, which is sintered at a sintering temperature <1350 C. The proportion of the second starting material in the third starting material is 1 mole% to 25 mole%, preferably 4 moles% to 12
moles %.moles%.
Il a été trouvé de manière surprenante que l'oxyde de cuivre CuO est un auxiliaire de frittage particulièrement actif et non dégradant pour un substrat de MgO, qui diminue sensiblement la température de frittage du MgO. Ce faisant aucun gaz agressif qui pourrait réduire la durée de vie d'un four utilisé pour le frittage, n'est dégagé. Pour le frittage complet à densité maximale d'une fine poudre de départ de MgO avec un ajout de CuO des températures inférieures à 1 350 C suffisent déjà. L'ajout de moles % à 10 moles % de CuO dans la poudre de MgO avec un diamètre de particules < i pm conduit aux It has surprisingly been found that copper oxide CuO is a particularly active and non-degrading sintering aid for an MgO substrate, which substantially decreases the MgO sintering temperature. In doing so no aggressive gas that could shorten the life of an oven used for sintering, is released. For the complete sintering at maximum density of a fine starting powder of MgO with addition of CuO, temperatures lower than 1350 ° C are already sufficient. The addition of moles% to 10 mole% CuO in the MgO powder with a particle diameter <i pm leads to
meilleurs résultats.best results.
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Le substrat fini a la composition chimique (Mg,-xCu)0 avec 0,01 < x _ 0,01, de préférence avec The finished substrate has the chemical composition (Mg, -xCu) 0 with 0.01 <x 0.01, preferably with
0,06 ' x _ 0,08.0.06 x 0.08.
Pour la fabrication du substrat voulu on ajoute à une solution aqueuse de Cu(N03)z, une suspension d'une poudre de Mg(OH)2 dans l'eau. Il se produit dans ce cas la réaction suivante: For the production of the desired substrate, a suspension of an Mg (OH) 2 powder in water is added to an aqueous solution of Cu (NO 3) 3. In this case, the following reaction occurs:
Cu(NO3)2 + Mg(OH)2 Cu(OH)z + Mg(NO3)2. Cu (NO 3) 2 + Mg (OH) 2 Cu (OH) 2 + Mg (NO 3) 2.
A cause du grand excès de Mg(OH)2, la réaction Because of the large excess of Mg (OH) 2, the reaction
1O se déroule quantitativement vers la droite. 10 goes quantitatively to the right.
La suspension est ensuite séchée et la poudre The suspension is then dried and the powder
ainsi obtenue est chauffée à une température ' 600 C. thus obtained is heated to a temperature of 600 C.
Mg(OH)2 et Mg(NO3)2 se décompose en MgO; H20 et NOX s'échappent sous forme de gaz. Cu(OH)2 se décompose en CuO + H20; ce dernier s'échappe sous forme de gaz. Le CuO formé est très fin; le diamètre de particules moyen est ' 1 pm. Cette poudre très fine de MgO/CuO peut être compactée par pressage uniaxial et est frittée déjà à une température de 1 150 C en un Mg (OH) 2 and Mg (NO3) 2 is decomposed into MgO; H20 and NOX escape as a gas. Cu (OH) 2 is decomposed into CuO + H20; the latter escapes in the form of gas. The CuO formed is very fine; the average particle diameter is 1 μm. This very fine powder of MgO / CuO can be compacted by uniaxial pressing and is sintered already at a temperature of 1 150 C in one
substrat avec > 95 % de densité théorique. substrate with> 95% theoretical density.
Avec des liquides aprotiques (éthanol, cétone, octane) et des auxiliaires appropriés, par exemple triéthanolamine ou de l'huile de poisson menhaden, on peut préparer directement à partir de cette poudre de bonnes barbotines et par coulée par injection, coulée en barbotine ou par coulée en feuilles, on peut fabriquer au besoin des pièces de forme, par exemple des plaques, des creusets, des tubes, etc., qui sont frittés à densité maximale également entre i 150 C et 1 350 C, suivant la densité verte obtenue lors du formage. Les plaquettes de substrat ainsi réalisées ont été essayées avec succès comme substrat pour des couches de supraconducteurs à haute température Bi (2212) de fusion avec des valeurs de densité de courant critique > 1 kA/cm2. Le substrat suivant l'invention convient tout particulièrement pour la fabrication de With aprotic liquids (ethanol, ketone, octane) and appropriate auxiliaries, for example triethanolamine or menhaden fish oil, it is possible to prepare directly from this powder good slips and by injection casting, slip casting or by sheet-casting, it is possible to manufacture, if necessary, shaped pieces, for example plates, crucibles, tubes, etc., which are sintered at maximum density also between 150 ° C. and 1350 ° C., depending on the green density obtained during forming. The resulting substrate wafers have been successfully tested as a substrate for high temperature fusion superconductor layers Bi (2212) with critical current density values> 1 kA / cm 2. The substrate according to the invention is particularly suitable for the manufacture of
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films minces et de films épais de supraconducteurs à Thin films and thick films of superconductors to
haute température.high temperature.
Avec des substrats de céramique de MgO + 6 moles % CuO, frittés à densité maximale à 1 200 C, on a obtenu avec Bi (2212) de fusion, qui contenait des ajouts différents de Ag, les valeurs suivantes pour la densité de courant critique: N de couche Matériau du Densité de courant supraconducteur critique en kA/cm2 i Bi (2212) 1,15 2 Bi (2212) + i M % Ag 1,3 3 Bi (2212) + 5 M % Ag 1,6 4 Bi (2212) + 10 M % Ag 1,45 Par comparaison, un matériau supraconducteur Bi (2212) sans ajout d'argent a fourni sur un substrat fait d'une surface de MgO monocristallin (100) une densité de courant critique de 2,15 kA/cm2. Un matériau supraconducteur Bi (2212) sans ajout d'argent sur un substrat de MgO de qualité commerciale avec composition With ceramic substrates of MgO + 6 mole% CuO, sintered at maximum density at 1200 ° C., the following values for the critical current density were obtained with Bi (2212) of fusion, which contained additions different from Ag. : Layer N Material critical superconducting current density in kA / cm2 i Bi (2212) 1.15 2 Bi (2212) + i M% Ag 1.3 3 Bi (2212) + 5 M% Ag 1.6 4 Bi (2212) + 10M% Ag 1.45 By comparison, a non-silver-addling superconducting material Bi (2212) provided on a substrate made of a monocrystalline MgO surface (100) a critical current density of 2 15 kA / cm 2. Bi (2212) superconducting material without silver addition to a commercial grade MgO substrate with composition
au silicate n'était pas supraconducteur. silicate was not superconducting.
Exemple de réalisation: On a mélangé 227 g de poudre de Mg(OH)2 avec 300 ml d'eau distillée. On a en outre dissout 72,3 g de Cu(NO3)z. 6 H20 cristallin dans 300 ml d'eau distillée. Les deux préparations ont ensuite été réunies et mélangées pendant 60 mn à 80 C. Ensuite le produit a été filtré, lavé trois fois avec de l'eau distillée, séché dans l'étuve de séchage à vide à C, puis tamisé à travers un tamis d'ouverture de Embodiment: 227 g of Mg (OH) 2 powder was mixed with 300 ml of distilled water. In addition, 72.3 g of Cu (NO3) z were dissolved. 6 H 2 O crystalline in 300 ml of distilled water. The two preparations were then combined and mixed for 60 minutes at 80 ° C. Then the product was filtered, washed three times with distilled water, dried in the C 4 vacuum drying oven and then sieved through a filter. sieve opening
maille de 100 pm et calciné pendant 3 heures à 650 C. mesh of 100 pm and calcined for 3 hours at 650 C.
La poudre ainsi obtenue a été mise en suspension pour désagglomération avec de l'isopropanol sans eau dans une bouteille de polyéthylène, par addition de 2 kg de billes de broyage d'un diamètre de 5 mm en céramique à ZrO2, stabilisée avec de l'yttrium et roulée pendant 24 heures sur un banc à rouleaux. Il a été ajouté à la The powder thus obtained was suspended for disagglomeration with isopropanol without water in a polyethylene bottle, by addition of 2 kg of grinding balls with a diameter of 5 mm ceramic ZrO2, stabilized with water. yttrium and rolled for 24 hours on a roller bench. It was added to the
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suspension, comme fluidifiant, une amine. De la poudre désagglomérée il a été extrait ensuite l 'isopropanol, sous vide partiel La poudre sèche ainsi obtenue a ensuite été tamisée à travers un tamis d'une largeur de maille de 50 pm et, après ajout d'un auxiliaire de pressage, elle a été pressée au moyen d'un outil en acier, uniaxialement, en disques d'un diamètre de 25 mm et d'une hauteur de 3 mm. Ces disques ont ensuite été frittés à l'air dans un four à moufle pendant 3 heures à i 200 C. Après refroidissement, la céramique ainsi obtenue a une densité de 3,71 g/cm3, c'est-à-dire 98 % de la densité théorique de MgO avec 6 moles % de CuO, suspending, as a fluidifier, an amine. From the deagglomerated powder, the isopropanol was then extracted under partial vacuum. The dry powder thus obtained was then sieved through a sieve with a mesh width of 50 μm and, after adding a pressing aid, it was was pressed by means of a steel tool, uniaxially, in discs with a diameter of 25 mm and a height of 3 mm. These discs were then air-sintered in a muffle furnace for 3 hours at 1200.degree. C. After cooling, the ceramic thus obtained had a density of 3.71 g / cm.sup.3, that is to say 98%. the theoretical density of MgO with 6 mole% CuO,
c'est-à-dire de 3,79 g/cm3.that is, 3.79 g / cm3.
Avec ce procédé de fabrication on obtient une poudre de départ avec laquelle on peut fritter à densité maximale des pièces de céramique, déjà même entre 1 100 C et i 200 C; de manière qu'il n'y ait plus aucune porosité ouverte (94 % à 98 % de densité théorique). Le matériau céramique a donc une structure 0 extrêmement fine; la granulométrie moyenne des With this manufacturing process, a starting powder is obtained with which ceramic pieces can be sintered at maximum density, even between 1100.degree. C. and 1200.degree. C.; so that there is no more open porosity (94% to 98% theoretical density). The ceramic material therefore has an extremely fine structure 0; the average particle size of
cristallites se situe entre i pm et 3 pm. crystallites is between 1 pm and 3 pm.
Par pressage à sec uniaxial, on peut réaliser By uniaxial dry pressing, we can realize
des couches d'une superficie de 15 cm. 15 cm. layers with an area of 15 cm. 15 cm.
Est particulièrement avantageuse la fabrication de substrats en céramique de (Mg, Cu)0 avec le procédé de formage qui est désigné par coulée en bande ou coulée en feuille et qui est usuel entre autres pour Particularly advantageous is the production of (Mg, Cu) 0 ceramic substrates with the forming process which is referred to as strip casting or sheet casting and which is customary among other things for
les substrats de A1203.the substrates of A1203.
Il est important que le substrat d'oxyde de magnésium fini, contenant de l'oxyde de cuivre, présente une composition (Mg. -xCu)O avec 0,01 - x _ 0,25. Pour la fabrication convient tout particulièrement une poudre de MgO avec un diamètre de grains ' 5 mm, qui est mélangée avec de la poudre d'oxalate de Cu (II), CuC24O. 1/2 H20, dans une proportion de mélange de i mole % à 25 moles %, dans un broyeur à boules. Le mélange est ensuite calciné à une It is important that the finished magnesium oxide substrate, containing copper oxide, has a composition (Mg-xCu) O with 0.01-x 0.25. Particularly suitable for manufacture is a MgO powder with a grain diameter of 5 mm, which is mixed with Cu (II) oxalate powder, CuC24O. 1/2 H 2 O, in a mixing ratio of from 1 mole% to 25 mole%, in a ball mill. The mixture is then calcined at a
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température a 600 C puis amené à la forme voulue par pressage à sec ou coulée en barbotine ou coulée en bande. temperature at 600 C then brought to the desired shape by dry pressing or slip casting or strip casting.
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Publication number | Publication date |
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DE19544698C1 (en) | 1997-06-05 |
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