ITRM980395A1 - Substrato metallico per superconduttori ad alta temperatura e relativo procedimento di produzione - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE INDUSTRIALE dal titolo: "SUBSTRATO METALLICO NON MAGNETICO PER SUPERCONDUTTORI AD ALTA TEMPERATURA E RELATIVO PROCEDIMENTO DI PRODUZIONE"
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un substrato metallico non magnetico con tessitura cubica per la fabbricazione di nastri superconduttori ad alta temperatura, ed il relativo procedimento di produzione. Tale nastro, secondo l'invenzione è costituito da un nastro flessibile in lega metallica non magnetica Nichel-Vanadio che presenta dal’ punto di vista cristallografico tessitura cubica .
I substrati più in uso per superconduttori sono costituiti da Ni puro (purezza >99,9%). Questo perchè nel Ni puro può essere facilmente indotta la tessitura cubica con trattamento termo-meccanico, inoltre il Ni ha adeguate proprietà chimiche e meccaniche, avendo un' elevata resistenza all'ossidazione e una sufficiente flessibilità anche dopo un trattamento termico di ricristallizzazione .
Il principale svantaggio del Ni consiste nell'essere ferromagnetico, con la temperatura di Curie, di 358°C, e quindi ben al di sopra della temperatura di utilizzo dei nastri superconduttori (circa -195°C).
Un nastro superconduttore su un substrato metallico ferromagnetico avrebbe delle perdite elevate in corrente alternata dovute all'energia di magnetizzazione del substrato stesso. Quindi si avrebbe una dissipazione di energia che comporterebbe un'importante degrado delle proprietà elettriche del nastro. Nel caso di applicazioni in elevati campi magnetici (ad esempio accumulatori magnetici di energia, magneti superconduttori, ecc.) le forze magnetiche in gioco limiterebbero l'utilizzo del cavo in questo settore.
Un altro metallo che può essere facilmente dotato di tessitura cubica è il rame. Esso non è ferromagnetico, ma le sue proprietà meccaniche e chimiche, in particolare la bassa resistenza all'ossidazione, ne impediscono un semplice utilizzo.
Il nastro di Ni-V secondo l'invenzione è un supporto adatto per la fabbricazione di nastri superconduttori ad alta temperatura critica basati su film spessi biassialmente orientati, in particolare del superconduttore YBaCu3O7-x (YBCO) o ReBa2Cu3O7-x, dove Re sono terre rare. Il nastro di Ni-V conserva le proprietà chimiche, meccaniche e cristalline del nastro di Ni ed in più presenta il vantaggio che la sua temperatura Curie può essere controllata attraverso la concentrazione di vanadio. Per esempio, la lega con 12% percento atomico di vanadio la temperatura Curie è dì circa 10 K, ben al di sotto la temperatura di utilizzo del cavo superconduttore. In breve, il nastro di Ni-V riunisce le proprietà desiderate dei nastri di Ni e di Cu. In questo senso il nastro di Ni-V rappresenta un substrato metallico ideale per la crescita epitassiale dei film spessi superconduttori per la fabbricazione dei nastri SAT di seconda generazione.
I cavi superconduttori basati su film spessi di YBCO depositati su substrati metallici flessibili rappresentano la seconda generazione di nastri superconduttori ad alta temperatura critica per applicazioni di larga scala.
Un metodo per la preparazione di tali nastri prevede l'utilizzo di supporti metallici con tessitura cubica che abbiano caratteristiche magnetiche, meccaniche, termiche e chimiche adeguate. Finora il supporto utilizzato è stato il nichel; tale metallo presenta le proprietà sopra elencate, tranne il fatto che è ferromagnetico alle temperature di utilizzo del cavo superconduttore (64-80K). Quest'ultima proprietà rappresenta il principale svantaggio del supporto di nichel, perchè limita le potenziali applicazioni del cavo superconduttore di YBCO. Un altro metallo, con caratteristiche cristalline e magnetiche adeguate a tali applicazioni, è il rame, che però presenta proprietà meccaniche e chimiche assolutamente non adatte .
Secondo la presente invenzione si prevede un substrato a forma di nastro adatto per la realizzazione di nastri superconduttori avente le proprietà esposte nella parte caratterizzante delle rivendicazioni di prodotto.
Ancora secondo la presente invenzione si prevede un procedimento per la produzione di un nastro di Nichel-Vanadio a tessitura cubica utilizzando i passi come esposti nella parte caratterizzante della rivendicazione di procedimento .
La presente invenzione verrà ora descritta in riferimento ad una sua realizzazione attualmente preferita, riportata a titolo illustrativo e non limitativo, e facendo riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:
la figura 1 mostra le caratteristiche magnetiche di una soluzione solida di Ni-V: Temperatura di Curie (temperatura sotto la quale il materiale è ferromagnetico) del nichel, all'aumentare della concentrazione;
la figura 2 mostra un diffrattogramma a raggi X (Θ-2Θ) per un campione di Ni-V sottoposto a trattamento termo-meccanico;
la figura 3 mostra figure polari dei piani (111) e (200) ottenute mediante misura a raggi X per un campione di Ni-V sottoposto a trattamento termo-meccanico;
la figura 4 mostra un diffrattogramma a raggi X (Θ-2Θ) per un campione di Ni sottoposto a trattamento termo-meccanico;
la figura 5 mostra figure polari dei piani (111) e (200) ottenute mediante misura a raggi X per un campione di Ni sottoposto a trattamento termo-meccanico .
Secondo la presente invenzione si prevede un substrato metallico flessibile con orientazione preferenziale (100)[001] e proprietà magnetiche, chimiche e meccaniche adeguate per la fabbricazione di nastri superconduttori ad alta temperatura critica: Per una tessitura cubica (100)[001] i grani di cui è composto il materiale hanno il piano cristallino (100) parallelo alla superficie di laminazione e la direzione cristallina [100] con la direzione di laminazione, ovvero i grani sono orientati su due assi.
Tale supporto è costituito da una soluzione solida di Ni-V, con la concentrazione atomica di vanadio tra l'8% ed il 12%. Il vanadio abbassa la temperatura di Curie (temperatura sotto la quale il materiale è ferromagnetico) del nichel, all'aumentare della sua concentrazione, così come mostrato nella figura 1. Inoltre, essendo una soluzione solida, conserva in gran parte le proprietà cristalline e chimiche del nichel, migliorandone quelle meccaniche. Per semplicità, ci riferiremo nel seguito alla soluzione solida Ni-V come lega Ni-V.
Il nastro metallico in Ni-V è ottenuto tramite trattamenti termo-meccanici , come verrà esposto in seguito. Dal punto di vista cristallografico, esso esibisce una tessitura cubica (100)[001], come si evince dalle figure polari dei piani (111) e (200).
In generale, nello spettro a raggi X (Θ-2Θ) si evidenziano soltanto i picchi relativi ai piani paralleli al piano del diffrattometro, che nel caso in questione coincide con il piano di laminazione (superficie del nastro). Nella figura 2 sono presenti solamente i picchi relativi ai piani paralleli (200) e (400): questo significa che tutti i grani sono allineati con il piano (100) parallelo alla superficie (orientazione "fuori piano") .
Per quanto riguarda le figure polari, in generale esse forniscono informazioni legate alla distribuzione delle orientazioni dei grani rispetto ad una direzione arbitraria; tale direzione nel caso in questione è la direzione di laminazione: per un campione policristallino non orientato i poli sono distribuiti uniformemente sul piano della figura, mentre la figura 3 indica chiaramente che i poli del nastro secondo l'invenzione sono ben localizzati e la loro posizione coincide con quella di un cristallo cubico a facce centrate (FCC).
Questo significa che i grani del riastro sono tutti orientati con la direzione· [100] parallela alla direzione di laminazione (orientazione "in piano") .
Le misure illustrate nelle figure 2 e 3 mostrano anche che la lega Ni-V ha una tessitura confrontabile a quella dei metalli puri come nichel e rame. Per confronto, nelle figure 4 e 5 sono rappresentate rispettivamente lo spettro Θ-2Θ e le figure polari per un supporto in nichel.
Il processo secondo l'invenzione per la fabbricazione del nastro di Ni-V dotato di tessitura cubica prevede le seguenti fasi:
• durante la prima fase avviene la preparazione di una soluzione solida di nichel-vanadio, con la concentrazione atomica tra l'8% ed il 12%; i lingotti di Ni e V vengono posti in un forno fusorio (ad arco, a plasma, ecc.), ed il processo di fusione avviene in atmosfera controllata, con lingottiera raffreddata ad acqua per evitare la contaminazione della lega con il materiale della lingottiera, che tipicamente è di rame;
• nella seconda fase il materiale viene suddiviso meccanicamente mediante lavorazione alla macchina in barrette (ad esempio, di sezione di circa 4 x 4 mm2 e di lunghezza di circa 10 cm); le barrette vengono trattate per I ora a 900°C per eliminare gli effetti dell'incrudimento;
• la terza fase prevede la laminazione "a freddo" delle barrette con una conseguente riduzione dello spessore superiore al 95%; si ottengono così spessori inferiori a 200 μm; • la quarta ed ultima fase consiste in un trattamento termico di ricristallizzazione del nastro in un forno preferibilmente sotto alto vuoto (circa 5x10-7 Torr) per evitare l'ossidazione del nastro, a temperature tipicamente comprese tra 800°C e 1000°C per un tempo minimo di un'ora. Le rampe termiche in salita e discesa hanno preferibilmente una velocità di circa 1000°C/ora.
II nastro così ottenuto esibisce una superficie con un grado di pulizia sufficiente per essere utilizzato come substrato per la deposizione del superconduttore YBCO, senza che necessiti di ulteriori processi di pulizia speciali.
L'innovazione principale dell'invenzione consiste quindi nella diminuzione della temperatura di Curie, tramite allegazione di nichel con elementi non magnetici (il vanadio), conservando contemporaneamente tutte le proprietà dell'analogo supporto in nichel.
Applicabilità industriale
L'invenzione è necessaria per la fabbricazione di film spessi, dotati di tessitura cristallina. Il presente substrato metallico non magnetico con tessitura cubica è stato sviluppato in particolare per la crescita epitassiale di film spessi (d≡l÷5 pm) di ReBa2Cu3O7-x (Re = Y, Nd, Sm, ecc.) per la fabbricazione di nastri superconduttori ad alta temperatura: La tessitura cubica del substrato viene trasmessa, attraverso il processo di crescita epitassiale, al film superconduttore. In questo modo, si ottiene un film superconduttore con bordo grano controllato, che può portare una densità di corrente di circa 106 A/cm2 alla temperatura dell'azoto liquido (77 K) ed in campo magnetico nullo. Film superconduttori con bordo a grano controllato depositati su un substrato metallico sono denominati in leOteratura come "nastri superconduttori ad alta temperatura (SAT) di seconda generazione".
Le potenziali applicazioni dei nastri SAT di seconda generazione sono molteplici: magneti superconduttori, linee di trasporto di energia elettrica, trasformatori superconduttori, limitatori di correnti elettriche di cortocircuito, accumulatori magnetici di energia (SMES), ecc. Il substrato metallico "quasi-cristallo" potrebbe essere anche una alternativa ai substrati monocristallini per la crescita di film ferroelettrici orientati come PbTiO3 e PbZr,;Ti1-xO3, e film di materiali ferromagnetici.
L'importanza dell'invenzione risiede, quindi, essenzialmente nella possibilità di avere a disposizione un supporto metallico non magnetico dotato di tessitura cristallina con enormi potenzialità, in particolare, nella fabbricazione di nastri superconduttori ad alta temperatura critica, film piezoelettrici e ferroelettrici.
Claims (7)
- RIVENDICAZIONI 1. Substrato metallico non magnetico, caratterizzato dal fatto di essere costituito da una lega Nichel-Vanadio con percentuale in concentrazione atomica di Vanadio tra 8 e 12%, e dal fatto che detta lega possiede una tessitura cubica ed una temperatura di Curie inferiore alla temperatura di lavoro dei superconduttori cosiddetti ad alta temperatura.
- 2. Substrato metallico non magnetico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di costituire un supporto per superconduttori cosiddetti ad alta temperatura.
- 3. Substrato secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti superconduttori ad alta temperatura sono del genere ReBCU3O7-x dove Re indica terre rare.
- 4. Substrato secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto superconduttore ad alta temperatura è costituito da YBa2Cu3O7-x.
- 5. Substrato secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di possedere una struttura quasi cristallina atta alla crescita di film piezoelettrici o ferroelettrici orientati della classe dei titanati, quali PbTiO3 e PbZrxTii-xO3.
- 6. Procedimento per la fabbricazione del nastro o substrato di Ni-V dotato di tessitura cubica, secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, prevedente le seguenti fasi: a) una prima fase in cui avviene la preparazione di una soluzione solida di Nichel-Vanadio, con la concentrazione atomica tra 1'8% ed il 12%; i lingotti di Ni e V essendo posti in un forno fusorio (ad arco, a plasma, ecc.), ed il processo di fusione avvenendo in atmosfera controllata, con lingottiera raffreddata ad acqua per evitare la contaminazione della lega con il materiale della lingottiera, che tipicamente è di rame; b) una seconda fase nella quale il materiale viene suddiviso meccanicamente mediante lavorazione alla macchina in barrette; le barrette essendo trattate per circa 1 ora a 900°C per eliminare gli effetti dell'incrudimento; c) una terza fase nella quale si prevede la laminazione "a freddo" delle barrette con una conseguente riduzione dello spessore superiore al 95% ottenendo così spessori inferiori a 200 μm; d) una quarta ed ultima fase consistente in un trattamento termico di ricristallizzazione del nastro m un forno preferibilmente sotto alto vuoto (circa 5 x 10-7 Torr) per evitare l'ossidazione del substrato o nastro, a temperature tipicamente comprese tra 800°C e 1000°C per un tempo minimo di un'ora; le rampe termiche in salita e discesa avendo preferibilmente una velocità di circa 1000°C/ora.
- 7. Substrato metallico non magnetico per superconduttori ad alta temperatura e relativo procedimento di produzione secondo una o più delle precedenti rivendicazioni e sostanzialmente come illustrato e descritto in riferimento ai disegni allegati.
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