PL223887B1

PL223887B1 - Method for producing silver contact fields in the superconductor from YBCO ceramics

Info

Publication number: PL223887B1
Application number: PL407437A
Authority: PL
Inventors: Marcin Lebioda; Jacek Rymaszewski
Original assignee: Politechnika Łódzka
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2016-11-30
Also published as: PL407437A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania pól kontaktowych ze srebra w nadprzewodnikach z ceramiki YBCO (tlenku itru baru miedzi), do połączenia nadprzewodnika z metalicznymi wyprowadzeniami.The subject of the invention is a method of producing silver contact fields in YBCO ceramic superconductors (yttrium barium copper oxide) for connecting the superconductor with metallic leads.

Wykonanie połączenia elektrycznego między nadprzewodnikiem o strukturze ceramicznej i metalicznym wyprowadzeniem jest jednym z najważniejszych problemów technologicznych związanych ze stosowaniem materiałów nadprzewodnikowych. Większość metod wykonywania połączeń polega na nanoszeniu na powierzchnię nadprzewodnika cienkich, metalicznych pól kontaktowych, do których następnie przytwierdza się wyprowadzenia. Połączenia między polami kontaktowymi a wyprowadzeniami wykonuje się za pomocą klasycznych technik łączenia, tj. lutowania, klejenia klejami elektroprzewodzącymi, czy zgrzewania. Wykonanie takiego połączenia najczęściej wiąże się z pogorszeniem właściwości nadprzewodzących obszaru przyelektrodowego w nadprzewodniku. Dobre właściwości samego kontaktu między utworzonym polem kontaktowym i nadprzewodnikiem mogą być zdegradowane, np. w wyniku podgrzania elektrody podczas lutowania, czy na skutek reakcji chemicznych między spoiwem i nadprzewodnikiem. Ze względu na niewielką grubość tworzonych pól kontaktowych, ich pojemność cieplna i wytrzymałość mechaniczna są również bardzo małe, tym samym są zwykle podatne na uszkodzenia, zarówno w procesie łączenia, jak i eksploatacji.Making an electrical connection between a superconductor with a ceramic structure and a metallic lead is one of the most important technological problems related to the application of superconducting materials. Most of the connection methods are based on the application of thin metallic contact fields to the superconductor surface, followed by the attachment of leads. Connections between the contact pads and leads are made using classic joining techniques, i.e. soldering, gluing with electrically conductive adhesives or welding. Making such a connection is most often associated with the deterioration of the superconducting properties of the electrode area in the superconductor. The good properties of the contact itself between the formed contact field and the superconductor can be degraded, e.g. as a result of heating the electrode during soldering, or as a result of chemical reactions between the binder and the superconductor. Due to the small thickness of the created contact fields, their heat capacity and mechanical strength are also very small, therefore they are usually susceptible to damage, both in the connection process and in operation.

Do najczęściej stosowanych sposobów nanoszenia metalicznych pól kontaktowych na powierzchnię nadprzewodnika ceramicznego należy zaliczyć: nanoszenie pasty Ag połączone z wygrzewaniem, wprasowywanie folii lub proszku metalicznego (Ag, Au lub In), naparowywanie próżniowe, napylanie katodowe oraz nanoszenie plazmowe. Wymienione procesy stanowią kolejny, niezależny etap technologiczny, wydłużający proces wytwarzania elementu oraz wymagający często drogiej i specjalistycznej aparatury, np. napylarki próżniowej, plazmotronu.The most frequently used methods of applying metallic contact fields to the surface of a ceramic superconductor include: Ag paste application combined with annealing, pressing in foil or metallic powder (Ag, Au or In), vacuum deposition, cathode sputtering and plasma application. The aforementioned processes constitute another, independent technological step, extending the production process of the element and often requiring expensive and specialized equipment, e.g. a vacuum sputtering machine, a plasmatron.

Znany sposób nanoszenia metalicznych pól kontaktowych na powierzchnię nadprzewodnika ceramicznego, polegający na nanoszeniu pasty srebrnej na powierzchnię nadprzewodnika, umożliwia wykonywanie kontaktów o dowolnym kształcie, jednak o zdecydowanie ograniczonej grubości < 1 mm. Realizacja połączenia wymaga dodatkowej obróbki cieplnej (wygrzewania).The known method of applying metallic contact fields to the surface of a ceramic superconductor, which consists in applying a silver paste to the surface of the superconductor, allows to make contacts of any shape, but with a definitely limited thickness <1 mm. The implementation of the connection requires additional heat treatment (annealing).

Znany sposób nanoszenia metalicznych pól kontaktowych na powierzchnię nadprzewodnika ceramicznego, polegający na klejeniu elektrody srebrnej na powierzchni nadprzewodnika, umożliwia wykonanie elektrod praktycznie o dowolnym kształcie i wielkości. Tego typu połączenia elektrody z powierzchnią nadprzewodnika charakteryzują się dużą wytrzymałością mechaniczną i nie powodują utleniania powierzchni kontaktu srebrnego, co umożliwia przyłączenie wyprowadzeń do elektrod m etodą lutowania miękkiego. Jest to sposób stosowany najczęściej do realizacji połączeń pomiarowych (elektrod napięciowych) z racji występowania warstwy o dużej rezystywności (klej elektroprzewodzący) ograniczającej parametry transportowe połączenia.The known method of applying metallic contact fields to the surface of a ceramic superconductor, consisting in gluing a silver electrode to the surface of the superconductor, enables the production of electrodes of virtually any shape and size. This type of electrode connection with the superconductor surface is characterized by high mechanical strength and does not cause oxidation of the silver contact surface, which makes it possible to connect the leads to the electrodes using the soft soldering method. This is the method most often used for the implementation of measurement connections (voltage electrodes) due to the presence of a layer of high resistivity (electroconductive adhesive) limiting the transport parameters of the connection.

Znany sposób nanoszenia warstwy metalicznej (np. srebra) na powierzchnię nadprzewodnika w drodze napylania próżniowego, katodowego, czy plazmowego umożliwia pokrycie powierzchni nadprzewodnika cienką warstwą metaliczną, przy czym geometria kontaktu wynika głównie z geometrii i jakości powierzchni nadprzewodnika. Połączenia charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami elektrycznymi, jednak sposób ten jest niezależnym, kosztownym etapem technologicznym wymagającym stosowania dodatkowej aparatury.The known method of applying a metallic layer (e.g. silver) to the surface of a superconductor by means of vacuum, cathode or plasma sputtering allows the surface of the superconductor to be covered with a thin metallic layer, the contact geometry mainly due to the geometry and quality of the superconductor surface. The connections are characterized by very good electrical properties, however, this method is an independent, costly technological step that requires the use of additional equipment.

Sposób wytwarzania pól kontaktowych ze srebra w nadprzewodnikach z ceramiki YBCO, do połączenia nadprzewodnika z metalicznymi wyprowadzeniami, według wynalazku polega na tym, że warstwę proszku ceramiki YBCO, o ziarnistości < 20 pm i o grubości > 5 mm umieszcza się w stalowej matrycy o pożądanym kształcie i wielkości przekroju, między dwoma warstwami sproszkowanego srebra, o ziarnistości < 20 pm i o grubości co najmniej 1 mm każda i całość poddaje prasowaniu pod ciśnieniem nie niższym niż 50 MPa w czasie co najmniej 1 minuty. Uzyskaną wypraskę poddaje się następnie obróbce cieplnej w atmosferze tlenu, najpierw w temperaturze 900-920°C w czasie 470 minut, następnie w czasie 30 minut obniża się temperaturę procesu do 650°C i w tej temperaturze prowadzi obróbkę w czasie 60 minut i w końcu schładza się wypraskę do temperatury pokojowej (ok. 20°C). Do tak wytworzonych kontaktów srebrnych przyłącza się wyprowadzenia metaliczne metodą klasycznego lutowania miękkiego.The method of producing silver contact fields in YBCO ceramic superconductors for connecting a superconductor with metallic leads, according to the invention, consists in placing a layer of YBCO ceramic powder with a grain size <20 µm and a thickness> 5 mm in a steel matrix of the desired shape and the size of the cross-section between two layers of silver powder, grain <20 µm and with a thickness of at least 1 mm each, and compressed at a pressure of not less than 50 MPa for at least 1 minute. The resulting compact is then subjected to heat treatment in an oxygen atmosphere, first at 900-920 ° C for 470 minutes, then the process temperature is lowered to 650 ° C during 30 minutes, treated for 60 minutes at this temperature and finally cooled down. the compact to room temperature (approx. 20 ° C). The metallic leads are connected to the silver contacts thus produced by the classic soft soldering method.

Sposób według wynalazku umożliwia wykonywanie połączeń dyfuzyjnych, nierozłącznych, o bardzo dobrych właściwościach mechanicznych (trwałe połączenie między srebrem i ceramiką) oraz o bardzo dobrych właściwościach elektrycznych (liniowa omowa charakterystyka I-U połączenia). PoPL 223 887 B1 nadto, powierzchnia kontaktu srebro-ceramika, z racji przemieszania drobin na granicy warstw i niewielkiej dyfuzji srebra w głąb ceramiki, jest większa niż wynika to z przekroju poprzecznego połączenia, co korzystnie wpływa na właściwości, zarówno mechaniczne, jak i elektryczne połączenia. Otrzymywane srebrne kontakty (elektrody) mają znaczną grubość (do ok. 5 mm) i dużą pojemność cieplną. Tym samym proces łączenia tak uzyskanych warstw srebrnych z drutowymi wyprowadzeniami może być wykonany za pomocą klasycznego lutowania miękkiego przy zminimalizowanym ryzyku uszkodzenia elementu. Sposób wytwarzania kontaktów według wynalazku jest szczególnie przydatny do realizacji elektrod prądowych o dużej obciążalności (większość znanych technologii pozwala na w ytwarzanie tylko elektrod napięciowych).The method according to the invention makes it possible to make diffusion connections, inseparable, with very good mechanical properties (permanent connection between silver and ceramics) and with very good electrical properties (linear ohmic I-U characteristic of the connection). Moreover, the silver-ceramic contact surface, due to the mixing of the particles at the boundary of the layers and the slight diffusion of silver into the ceramics, is larger than it results from the cross-section of the joint, which has a positive effect on the properties, both mechanical and electrical connections . The obtained silver contacts (electrodes) are of considerable thickness (up to approx. 5 mm) and have a high heat capacity. Thus, the process of joining the thus obtained silver layers with wire leads can be performed by conventional soft soldering with a minimized risk of damage to the element. The method of producing contacts according to the invention is particularly suitable for the production of current electrodes with high load capacity (most known technologies allow the production of only voltage electrodes).

Sposób według wynalazku ilustruje poniższy przykład z powołaniem się na rysunek, na którym fig. 1 przedstawia zdjęcie próbki nadprzewodnika ze srebrnymi polami kontaktowymi i przylutowanymi srebrnymi wyprowadzeniami, otrzymanej sposobem według wynalazku, fig. 2 - przekrój metalograficzny pola kontaktu YBCO-Ag próbki otrzymanej sposobem według wynalazku, fig. 3 - charakterystykę prądowo-napięciową w temperaturze ciekłego azotu próbki nadprzewodnika ze srebrnymi polami kontaktowymi, otrzymanej sposobem według wynalazku, zaś fig. 4 - charakterystykę prądowo-napięciową w temperaturze pokojowej próbki nadprzewodnika ze srebrnymi polami kontaktowymi, otrzymanej sposobem według wynalazku.The method according to the invention is illustrated by the example below with reference to the drawing, in which Fig. 1 shows a photo of a superconductor sample with silver contact pads and soldered silver leads, obtained by the method according to the invention, Fig. 2 - metallographic cross-section of the YBCO-Ag contact area of the sample obtained by the method according to the invention. of the invention, fig. 3 - current-voltage characteristics at the temperature of liquid nitrogen of a superconductor sample with silver contact pads obtained by the method according to the invention, and fig. 4 - current-voltage characteristic at room temperature of a superconductor sample with silver contact pads obtained by the method according to the invention.

P r z y k ł a dP r z k ł a d

W celu wytworzenia próbki nadprzewodnika z ceramiki YBCO, o przekroju kołowym (r = 3,5 mm) i długości około 9 mm z kontaktami srebrnymi o grubości 1 mm, w matrycy stalowej umieszczono 0,8 g sproszkowanej ceramiki YBCO między dwoma warstwami proszku srebrnego po 0,4 g każda. Po sprasowaniu mechanicznym warstw pod ciśnieniem 50 MPa w czasie 60 sekund, otrzymaną wypraskę poddano obróbce cieplnej, najpierw w temperaturze 900-920°C w czasie 470 minut, następnie w czasie 30 minut obniżono temperaturę procesu do 650°C i w tej temperaturze prowadzono obróbkę w czasie 60 minut i w końcu schłodzono wypraskę do temperatury pokojowej.In order to produce a YBCO ceramic superconductor sample, with a circular cross section (r = 3.5 mm) and a length of about 9 mm with silver contacts 1 mm thick, 0.8 g of YBCO ceramic powder was placed in the steel matrix between two layers of silver powder after 0.4 g each. After the layers were mechanically pressed under a pressure of 50 MPa for 60 seconds, the obtained molding was subjected to heat treatment, first at 900-920 ° C for 470 minutes, then the process temperature was reduced to 650 ° C during 30 minutes, and at this temperature it was processed for for 60 minutes, and finally the compact is cooled to room temperature.

Do srebrnych pól kontaktowych otrzymanej próbki przyłączono, metodą lutowania miękkiego, srebrne elektrody drutowe o średnicy 0,5 mm (fig. 1 rysunku).Silver wire electrodes with a diameter of 0.5 mm were connected to the silver contact fields of the obtained sample (Fig. 1 of the drawing).

Właściwości elektryczne połączenia srebrne pole kontaktowe otrzymanej próbki - srebrne wyprowadzenia drutowe przebadano klasyczną metodą trój- i czterosondową. Wyniki badania właściwości elektrycznych w temperaturze ciekłego azotu (77 K) i w temperaturze pokojowej (292 K) przedst awiono w postaci charakterystyk prądowo-napięciowych odpowiednio na fig. 3 i fig. 4 rysunku.Electrical properties of the connection - silver contact area of the obtained sample - silver wire leads were tested by the classic three- and four-probe method. The results of testing the electrical properties at liquid nitrogen temperature (77 K) and room temperature (292 K) are shown in the form of current-voltage characteristics, respectively, in Fig. 3 and Fig. 4 of the drawing.

Połączenie srebrne pole kontaktowe otrzymanej próbki - srebrne wyprowadzenia drutowe charakteryzowały się liniową zależnością I-U (fig. 3 i 4), co potwierdziło bardzo dobre ich właściwości elektryczne. Nieliniowość pojawiła się jedynie w wyniku utraty właściwości nadprzewodzących w samej ceramice YBCO (fig. 3). Z wyników badań właściwości elektrycznych wynikało, iż pola kontaktowe próbki można łączyć z elektrodami drutowymi za pomocą prostej metody lutowania miękkiego nie uszkadzając przy tym struktury połączenia YBCO/Ag. Bardzo dobre właściwości elektryczne i mechaniczne wynikają między innymi z dużej i niejednorodnej powierzchni kontaktu uzyskanej w wyniku zastosowania półproduktów w postaci proszków (fig. 2 rysunku).The connection of the silver contact field of the obtained sample - the silver wire leads were characterized by a linear I-U relationship (Figs. 3 and 4), which confirmed their very good electrical properties. The nonlinearity appeared only as a result of the loss of superconducting properties in the YBCO ceramic itself (Fig. 3). The results of the electrical properties tests showed that the sample contact pads can be connected with wire electrodes using a simple method of soft soldering without damaging the YBCO / Ag connection structure. The very good electrical and mechanical properties result, inter alia, from the large and heterogeneous contact surface obtained as a result of using semi-finished powders (Fig. 2 of the figure).

Claims

A method of producing silver contact fields in YBCO ceramic superconductors, for connecting a superconductor with metallic leads, characterized in that a layer of YBCO ceramic powder with a grain size <20 µm and a thickness> 5 mm is placed in a steel matrix of the desired shape and cross-section size, between two layers of powdered silver with a grain size <20 µm and a thickness of at least 1 mm each, and the whole is pressed under a pressure of not less than 50 MPa for at least 1 minute, then the resulting compact is heat treated in an oxygen atmosphere, first at a temperature 900-920 ° C for 470 minutes, then the temperature of the process is lowered to 650 ° C in 30 minutes, working at this temperature for 60 minutes and finally cooling the compact to room temperature.