RO130252A2 - Material supraconductor prelucrabil mecanic şi concentrator/stocator de câmp magnetic - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un concentrator/stocator de câmp magnetic realizat dintr-un material supraconductor pe bază de MgBprelucrabil mecanic prin aşchiere, utilizat în tomografele cu rezonanţă nucleară, limitatoare de curent, transformatoare, refrigeratoare de demagnetizare adiabatică, separatoare magnetice, sisteme de levitaţie magnetică pentru transportul feroviar, echipamente de stocare a energiei magnetice, în aplicaţii medicale, spaţiale şi în construcţia de instrumente ştiinţifice. Concentratorul/stocator de câmp magnetic, conform invenţiei, este un material compozit constituit dintr-un compus supraconductor intermetalic majoritar de MgB, şi un adaos de nitrură de bor hexagonală, consolidat prin metoda sinterizării în vid, asistată de un câmp electric intens la o temperatură de 1150°C, decupat mecanic prin aşchiere în forme dorite, decupările fiind umplute, pentru ranforsare, cu o răşină epoxidică rezistentă la temperaturi joase < 350°K, cu coeficient de dilatare asemănător materialului compozit de 0,51%, conductivitate termică bună de 1,0144 W/mK şi viscozitate scăzută la temperatura camerei cuprinsă în intervalul 0,03...0,04 Pa.s.

Description

Prezenta invenție se referă la producerea unui material supraconductor pe baza de MgB₂ prelucrabil prin mijloace mecanice de aschiere, si la un concentrator/stocator de câmp magnetic. Dispozitivul poate fi utilizat in tomografele cu rezonanta nucleara, limitatoarele de curent, transformatoare, refrigeratoare de demagnetizare adiabatica, separatoare magnetice, sisteme de levitatie magnetica pentru transportul feroviar, echipamante de stocare a energiei magnetice, in lagărele fara frecare folosite in mașini si motoare mecanice, sau in aplicații medicale, spațiale si in construcția de instrumente științifice (M. Tomsic si colab., Intern. J. Appl. Ceram. Technol. 4(3), 250 (2007)).

Comportarea supraconductorilor ca subansamble in aplicațiile implicând levitatia magnetica a fost studiata intens in domeniul de temperatura mai mic de 77 K in cazul materialului supraconductor de temperatura critica înalta (high temperature superconductorHTS) pe baza de Y(PR)Ba₂Cu₃O7.5 texturat, obtinandu-se o valoarea a câmpului retinut extrem de mare. Dar in practica s-au observat limitări in proprietățile mecanice ale supraconductorului si in producerea de obiecte mari si complexe ca forma.

Pe de alta parte dezavantajul principal al concentratoarelor/stocatoarelor bazate pe supraconductori avand temperatura critica scăzută (low temperature superconductor-LTS) este faptul ca peste 15 K aceștia nu rețin nici un câmp magnetic.

Ca alternativa, MgB₂ sub forma masiva, cu temperatura critica intermediara (39 K) celor doua clase de supraconductori menționați, prezintă mai puține probleme mecanice, când este complet densificat si are o valoare a magnetizarii mai stabila intre 10 K si 30 K (E. Perini si colab., Supercond. Sci. Technol. 22(4), art. nr. 045021 (2009)). Ca si in cazul supraconductorului Y(PR)Ba₂Cu₃O7.5 texturat, MgB₂ pur este un material ce nu poate fi produs ușor sub forma de obiecte cu forma si dimensiunile dorite.

Problema tehnica rezolvata de invenție

Prezenta invenție propune un material supraconductor compozit (MgB₂)i-_x(BNhexagonal)_X1 x > 0,08, prelucrabil prin aschiere. Acest material nou este folosit la obținerea si demostrarea de concentratoare/stocatoare de câmp magnetic in forme diferite, de dimensiuni variabile, cu proprietăți mecanice imbunatatite, câmpul magnetic retinut fiind mai stabil in timp. Invenția rezolva problema limitărilor in obținerea formei dorite a materialului oferind noi avantaje in construcția concentratoarelor/stocatoarelor magnetice in funcție de cerințele specifice ale

2013’00832-Î 3 -11- 2013 diferitelor aplicații ce folosesc aceste dispozitive. Alături de aspectele tipice de integrare a diferitelor piese intr-un sistem/dispozitiv pentru funcționarea acestuia, controlul formei este necesar in cazul pieselor supraconductoare ce rețin câmpul magnetic pentru a evita salturile nedorite de flux magnetic datorate efectelor termomagnetice. Pentru dimensiuni si forme caracteristice efectele termomagnetice pot fi stabilizate: piese de MgB₂ cu anumite forme au fost obținute prin metoda infiltrării [G. Giunchi si colab., Intern. J. Mod. Phys. B17(4-6), 453 (2003)] si s-a demostrat posibilitatea îmbunătățirii stabilitatii termomagnetice. Cu toate acestea, metoda infiltrării prezintă dezavantaje majore in realizarea unui uniformități mari pentru forme complexe si in volume mari si necesita folosirea unor matrite pentru definirea formei cu limitări in obținerea, procesarea sau extragerea din matrita (in cazul in care este necesara aceasta operație) a supraconductorului.

Avantajele invenției in raport cu stadiul tehnicii

Materialul pe baza de MgB₂ propus in aceasta invenție este uniform, nu necesita matrite si prelucrabilitatea sa prin aschiere oferă o flexibilitate sporita in realizarea unor forme complexe scalabile si stabile termomagnetic. De asemenea, procesul propus de preparare a corpurilor supraconductoare cu diferite forme, folosind metoda de sinterizare asistata de câmp electric intens (cunoscuta internațional sub denumirea Spark Plasma Sintering, SPS, sau Field Assisted Sintering, FAST) in combinație cu prelucrarea ulterioara prin aschiere, din aceasta invenție înlătură dezavantajele claselor de materiale supraconductoare de tip LTS (Low Temperature Superconductor) sau HTS (High Temperature Superconductor) legate de proprietățile mecanice. Metoda SPS produce corpuri masive cu densitate ridicata, apropiata de cea teoretica, rezultat ce nu se regăsește in cazul multor alte metode, dar care este de dorit pentru aplicațiile supraconductoare.

In plus, MgB₂ poate fi folosit in stare policristalina, deoarece curentii persistent! nu depind de orientarea cristalina la granițe (D.C. Larbalestier si colab., Nature 410, 6825 (2001)) asa cum este cazul HTS. Corpurile masive de MgB₂ pot fi ușor lipite, permițând obținerea de obiecte cu suprafața mare (G. Giunchi si colab., IEEE Trans. Appl. Supercond. 20, 1524 (2010)). MgB₂ este mult mai ușor decât majoritatea supraconductorilor (2.63 g/cm³), fiind de interes maxim in special in aplicațiile supraconductoare portabile.

Prezentarea pe scurt a figurilor

Se dau in continuare doua exemple de ilustrare a invenției pe baza figurilor 1-3 in care:

- Fig. 1 reprezintă fotografii ale doua concentratoare/stocatoare de câmp magnetic: (a)- model sub forma de inele concentrice (fixate in rasina epoxidica) si (b)- model sub forma plan-elicoidala (spiralata).

- Fig. 2 reprezintă diagrama de difracție a radiației X pe structura spiralata menționata la Fig. 1b; notațiile sunt următoarele : 1-MgB₂, 2-MgO, 3-BN hexagonal si 4-MgB₄.

X- 2 0 1 3 - 0 0 8 3 2 - Fig. 3 reprezintă graficul de răspuns magnetic (magnetizare reziduala, M_reziduai) a concentratorului/stocatorului cu (a)- inele concentrice si (b)- cu forma spiralata la diferite intensități ale câmpului magnetic si pentru doua temperaturi de măsură (5 si 20 K).

Prezentarea in detaliu a cel puțin a unui mod de realizare a invenției cu referire la figuri

Potrivit invenției de fata, se prepara un amestec format din pulbere de borura de magneziu si pulbere de nitrura de bor (hexagonala, notata in continuare h-BN) in proporție de 90 :10% in greutate. Pulberile se amesteca manual, cca. 15 minute, si amestecul de 3 g se incarca intr-o matrita de grafit de 20 mm diametru. Matrita cu pulbere se etaseizeaza cu doua poansoane din grafit. In jurul pulberii exista folii de grafit separatoare fata de elementele de grafit ale matriței si a poansoanelor.

în etapa următoare se introduce matrita intr-o presa hidraulica si se presează la 5 kN, cateva zeci de secunde. După depresare se plaseaza ansamblul intr-o instalație de sinterizare asistata de câmp electric (SPS) produsa de FCT Systeme GmbH, Germania. Proba masiva se obține urmând un ciclu de incalzire-racire după cum urmeaza: viteza de încălzire este de 110 °C /min, durata de sinterizare pe palierul de 1150 °C este de 3 minute, iar racirea se face exponențial prin oprirea brusca a alimentarii electrice. In timpul încălzirii se aplica o presiune crescătoare ce atinge o valoare maxima de 90 MPa care este menținută si pe palierul de la temperatura maxima de procesare. In continuare, la răcire presiunea este scăzută treptat aproape de zero in 5 minute. Atmosfera de sinterizare este vacuum (ce variaza in timpul procesului intre 35 si 60 Pa) realizat dintr-o atmosfera de argon, gaz ce a fost introdus in cuptorul SPS la temperatura camerei si înainte de a porni încălzirea. încălzirea se realizează folosind curenti electrici foarte intensi (peste 1300 A), ce au o componenta continua peste care se suprapune o componenta pulsata, formata din trenuri de 12 pulsuri de 40 ms cu o pauza de 2 ms intre ele. Intensitatea trenurilor pulsate este comparabila cu intensitatea componentei continue.

Prelucrarea mecanica a discului este precedată de scoaterea prin depresare a acestuia din matrita de grafit si eliminarea mecanica prin razuire si șlefuire a resturilor din foliile de grafit. Discul sinterizat prin SPS se introduce intr-o mașina automata de frezat (Wabeco CC-F1410 LF hs). Prin aschiere, folosindu-se o freza (Proxton) cu doi dinți avand un diametru de 1 mm, se obține forma dorita a concentratorului/stocatorului magnetic (Fig. 1). Prelucrarea prin aschiere a fost efectuata cu următorii parametrii: viteza de rotatie a frezei 2000-2500 rpm, avans in plan 1 mm/s si avansul vertical 0,1 mm/trecere. Racirea materialului in timpul prelucrării a fost făcută cu alcool etilic tehnic.

După prelucrarea mecanica in spatiile decupate prin frezare s-a introdus (opțional sau pentru ranforsare mecanica) o rasina epoxidica Stycast 2850 FT (catalyst 24 LV), rezistenta, conform producătorului, la temperaturi scăzute, cu un coeficient de dilatare (0.51 %) asemanator probei si avand o conductivitate termica buna (1,0144 W/m-K) si viscozitate scăzută la temperatura camerei (0,03-0,04 Pa-s).

<- 2013-00832f 3 -11- 2013 înaintea operației de umplere cu rasina a spatiilor decupate, piesele sinterizate si prelucrate mecanic au fost caracterizate structural prin difracție de raze X (Bruker-AXS D8 ADVANCE, radiația CuK_a1 λ = 1.5406 A). Conform Fig. 2, materialul este compus din supraconductorul MgB₂, h-BN si faze reziduale (MgO, MgB₄).

Măsurătorile magnetice pentru testarea concentatorilor/stocatorilor din Fig. 1 au fost efectuate la 5 si 20 K, folosind un sistem de măsură PPMS (Quantum Design, SUA). Pe una din suprafețele mari ale concentratorului/stocatorului a fost fixata pe centru sonda Hali calibrata (LHP-MU, Arepoc, Slovacia). Câmpul magnetic de 2 T a fost aplicat perpendicular pe suprafatele mari la o temperatura de 45 K (peste temperatura critica a supraconductorului de -38,8 K). După racirea in câmp magnetic la o temperatura de 20 K sau 5 K, câmpul magnetic a fost scăzut continuu la zero cu o viteza de 0,0005 T/sec, inregistrandu-se semnalul sondei Hali corespunzător câmpului aplicat si a câmpului generat de dispozitiv. In Fig. 3 este reprezentata magnetizarea reziduala, M_reziduai in tesla funcție de câmpul magnetic aplicat descrescător, μ₀Η (Fig. 3). Pentru stocatorul/concentratorul magnetic cu inele concentrice din Fig. 1a răcit, câmpul rezidual retinut după scăderea la zero a câmpului magnetic aplicat a fost de 0,15 T (5 K) si 0,929 T (20 K), iar pentru cel cu forma plan-elicoidala din Fig. 1b M_reZi_dUai a fost de 0,209 T (5 K) si 0,196 T (20 K).

Folosirea concentratorului/stocatorului se face prin alegerea temperaturii de lucru, fixarea unui câmp magnetic si scăderea acestuia cu o viteza optima, mișcarea liniile de câmp magnetic depinzând de dinamica acestora in supraconductorului aflat in stare mixta. După cum se observa exista o stabilitate buna a acestor linii la temperatura de 20 K, dar apar salturi de flux magnetic la temperaturi scăzute (5 K) la o viteza de 0,0005 T/secunda, mai ales in cazul concentratorului cu inele circulare (si ranforsat cu rasina epoxidica).

Modul in care invenția este susceptibila a fi aplicata industrial

Exemple de utilizare a fenomenului de retentie a liniilor de câmp magnetic intr-un concentrator/stocator magnetic sunt exemplificate mai jos. Forțele de levitatie pot fi obținute intre un magnet permanent (MP) si un supraconductor masiv. Acestea sunt limitate de intensitatea câmpului magnetic produs de MP. Supraconductorii cu retentia unor câmpuri magnetice mari, cum este MgB₂, pot fi folosiți in locul MP in sisteme supraconductor masiv - supraconductor masiv. Supraconductorul masiv pe baza de MgB₂ sub forma de inele concentrice (Fig. 1) este util ca element pasiv la dezvoltarea rotoarelor (F. Marignetti si colab., IEEE Trans. Appl. Supercond., 23(4), 8002506 (2013)), iar cel sub forma elicoidala (Fig. 2) este aplicabil drept componenta activa a magneților de excitare a rotorului pentru mașinile electrice (lagărele cu levitatie magnetica pentru sistemele de stocare a energiei “fly wheel”, motoare, etc.) (F. Marignetti si colab., IEEE Trans. Appl. Supercond., 23(4), 8002606 (2013)).

Claims (2)

1. Revendicările invenției

   1. Materialul prelucrabil mecanic caracterizat prin aceea ca este un compozit format dintr-un compus supraconductor intermetalic majoritar de borura de magneziu si un adaos de nitrura de bor hexagonala, consolidat prin metoda sinterizarii asistata de câmp electric intens (SPS sau FAST) la 1150 °C, in vid;
2. 2. Concentratorul/stocatorul de câmp magnetic caracterizat prin aceea ca este alcătuit din : -materialul activ magnetic (supraconductor) prelucrabil mecanic de la revendicarea 1, decupat prin aschiere mecanica in forme dorite si cunoscute,

   -si din o alta parte ranforsata cu rasina epoxidica rezistenta la temperaturi joase (< 350 K).