RO130252B1 - MATERIAL SUPRACONDUCTOR PE BAZĂ DE MgB 2 , PRE- LUCRABIL MECANIC ŞI CONCENTRATOR DE CÂMP MAGNETIC - Google Patents

Description

Invenția se referă la un material supraconductor pe bază de MgB₂ prelucrabil prin mijloace mecanice de așchiere, și la un concentrator/stocator de câmp magnetic. Dispozitivul poate fi utilizat în tomografele cu rezonanță nucleară, limitatoarele de curent, transformatoare, refrigeratoare de demagnetizare adiabatică, separatoare magnetice, sisteme de levitație magnetică pentru transportul feroviar, echipamente de stocare a energiei magnetice, în lagărele fără frecare folosite în mașini și motoare mecanice sau în aplicații medicale, spațiale, și în construcția de instrumente științifice (M. Tomsic și colab., Intern. J. Appl. Ceram. Technol. 4(3), 250 (2007)).

Comportarea supraconductorilor ca subansamble în aplicațiile implicând levitația magnetică a fost studiată intens în domeniul de temperatură mai mic de 77°Kîn cazul materialului supraconductor de temperatură critică înaltă (high temperature superconductor-HTS) pe bază de Y(PR)Ba₂Cu₃O₇ δ texturat, obținându-se o valoare a câmpului reținut extrem de mare. Dar în practică s-au observat limitări în proprietățile mecanice ale supraconductorului și în producerea de obiecte mari și complexe ca formă.

Pe de altă parte, dezavantajul principal al concentratoarelor/stocatoarelor bazate pe supraconductori având temperatura critică scăzută (low temperature superconductor-LTS) este faptul că peste 15°K aceștia nu rețin niciun câmp magnetic.

Ca alternativă, MgB₂ sub formă masivă, cu temperatură critică (39°K) intermediară celor două clase de supraconductori menționați, prezintă mai puține probleme mecanice când este complet densificat și are o valoare a magnetizării mai stabilă, între 10°K și 30°K (E. Perini și colab., Supercond. Sci. Technol. 22(4), art. nr. 045021 (2009)). Ca și în cazul supraconductorului Y(PR)Ba₂Cu₃O₇.0 texturat, MgB₂ pur este un material ce nu poate fi produs ușor sub formă de obiecte cu forma și dimensiunile dorite.

Din documentul US 2009156410 A1 este cunoscut un produs tip sârmă superconductoare din MgB₂ obținut prin umplerea unui tub metalic, în particular - de aluminiu, cu o pulbere superconductoare din MgB₂, presarea și încălzirea acesteia până la consolidarea sârmei, iar documentul WO 02095093 A1 prezintă un cristal superconductor de MgB₂ și un procedeu de producere a acestuia prin producerea unui precursor cu cristalite de MgB₂, prin provocarea reacției între Mg și B, încălzirea și topirea precursorului menținut în contact cu nitrura de bor hexagonală (hBN), la o temperatură ridicată, în intervalul 1300...1700°C și sub o presiune de 3...6 GPa, pentru determinarea creșterii cristalului superconductor de MgB₂.

De asemenea, documentul WO 02069353 A1 prezintă un material superconductor cu formula chimică Mg₁._xA_xB₂, unde 0 <x <0,5 și A este Ca, Be, Al, Li, Zn, Cu, Ni, Cr, Ti, Zr, Gd sau orice combinație a acestora, realizat din pulberi de precursor introduse într-un tub metalic și supuse la o serie de tratamente mecanice și termice, pentru densificare și reacționare, precursorul de borură fiind separat de metalul tubului utilizând un material distanțier inert, cum ar fi nitrura de bor.

Pentru dimensiuni și forme caracteristice, efectele termomagnetice pot fi stabilizate: piese de MgB₂ cu anumite forme au fost obținute prin metoda infiltrării [G. Giunchi și colab., Intern. J. Mod. Phys. B17(4-6), 453 (2003)], și s-a demonstrat posibilitatea îmbunătățirii stabilității termomagnetice. Cu toate acestea, metoda infiltrării prezintă dezavantaje majore în realizarea unei uniformități mari pentru forme complexe și în volume mari, și necesită folosirea unor matrițe pentru definirea formei cu limitări în obținerea, procesarea sau extragerea din matriță (în cazul în care este necesară această operație) a supraconductorului.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în obținerea unui material supraconductor compus preponderent din MgB₂, concentrator/stocatorde câmp magnetic, prelucrabil prin așchiere.

RO 130252 Β1

Materialul supraconductor pe bază de MgB₂, conform invenției, rezolvă această pro- 1 blemă tehnică prin aceea că reprezintă un material supraconductor compozit având compoziția chimicăîn conformitate cu formula: (MgB₂)₁._x(BN-hexagonal)_x, x>0,08, prelucrabil prin așchiere. 3 Acest material este utilizabil la obținerea și demonstrarea de concentratoare/stocatoare de câmp magnetic în forme diferite, de dimensiuni variabile, cu proprietăți mecanice îmbunătățite, 5 câmpul magnetic reținut fiind mai stabil în timp. Invenția rezolvă problema limitărilorîn obținerea formei dorite a materialului, oferind noi avantaje în construcția concentratoarelor/stocatoarelor 7 magnetice în funcție de cerințele specifice ale diferitelor piese într-un sistem/dispozitiv pentru funcționarea acestuia, controlul formei fiind necesarîn cazul pieselor supraconductoare ce rețin 9 câmpul magnetic, pentru a evita salturile nedorite de flux magnetic, datorate efectelor termomagnetice. 11

Avantajele invenției în raport cu stadiul tehnicii sunt următoarele:

- materialul pe bază de MgB₂ conform invenției este uniform, nu necesită matrițe și 13 prelucrabilitatea acestuia prin așchiere oferă o flexibilitate sporită în realizarea unor forme complexe scalabile și stabile termomagnetic; 15

- procesul de preparare a corpurilor supraconductoare cu diferite forme, folosind metoda de sinterizare asistată de câmp electric intens (cunoscută internațional sub denumirea Spark 17 Plasma Sintering, SPS, sau Field Assisted Sintering, FAST) în combinație cu prelucrarea ulterioară prin așchiere, înlătură dezavantajele claselor de materiale supraconductoare de tip 19 LTS (LowTemperatura Superconductor) sau HTS (High Temperatura Superconductor), legate de proprietățile mecanice, prin faptul că metoda SPS produce corpuri masive cu densitate 21 ridicată, apropiată de cea teoretică, rezultat ce nu se regăsește în cazul multor alte metode, dar care este de dorit pentru aplicațiile supraconductoare; 23

- aliajul MgB₂ conform invenției poate fi folosit în stare policristalină, deoarece curenții persistenți nu depind de orientarea cristalină la granițe (D.C. Larbalestier și colab., Nature 25 410, 6825 (2001)), așa cum este cazul HTS, astfel încât corpurile masive de MgB₂ pot fi ușor lipite, permițând obținerea de obiecte cu suprafața mare (G. Giunchi și colab., IEEE Trans. 27 Appl. Supercond. 20, 1524 (2010));

- aliajul de MgB₂ conform invenției este mult mai ușor decât majoritatea supraconduc- 29 torilor (2,63 g/cm³), fiind de interes maxim în special în aplicațiile supraconductoare portabile.

Invenția este prezentată pe larg în continuare, prin două exemple de realizare, în 31 legătură și cu fig. 1...3, ce reprezintă:

- fig. 1, fotografii ale două concentratoare/stocatoare de câmp magnetic: (a) model sub 33 formă de inele concentrice (fixate în rășină epoxidică), și (b) model sub formă plan-elicoidală (spiralată); 35

- fig. 2, diagrama de difracție a radiației X pe structura spiralată menționată la fig. 1 b, cu notațiile: 1-MgB₂, 2-MgO, 3-BN hexagonal și 4-MgB₄; 37

- fig. 3, graficul de răspuns magnetic (magnetizare reziduală, M_rezidua,) al concentratorului/stocatorului, (a) cu inele concentrice, și (b) cu formă spiralată, la diferite intensități ale 39 câmpului magnetic și pentru două temperaturi de măsură (5 și 20°K).

Pentru producerea aliajului supraconductor pe bază de MgB₂ conform invenției, se 41 prepară un amestec format din pulbere de borură de magneziu și pulbere de nitrură de bor (hexagonală, notată în continuare h-BN) în proporție de 90:10% în greutate. Pulberile se 43 amestecă manual, circa 15 min, și amestecul de 3 g se încarcă într-o matriță de grafit de 20 mm diametru. Matrița cu pulbere se etanșeizează cu două poansoane din grafit. în jurul pulberii 45 există folii de grafit separatoare față de elementele de grafit ale matriței și ale poansoanelor.

în etapa următoare se introduce matrița într-o presă hidraulică și se presează la 5 kN, 47 câteva zeci de secunde. După depresare se plasează ansamblul într-o instalație de sinterizare asistată de câmp electric (SPS), precum cea produsă de FCT Systeme GmbH, Germania. 49

RO 130252 Β1

Proba masivă se obține urmând un ciclu de încălzire-răcire după cum urmează:

- viteza de încălzire este de 110°C/min, durata desinterizare pe palierul de 1150°C este de 3 min, iar răcirea se face exponențial, prin oprirea bruscă a alimentării electrice;

- în timpul încălzirii se aplică o presiune crescătoare ce atinge o valoare maximă de 90 MPa, care este menținută și pe palierul de la temperatura maximă de procesare;

- în continuare, la răcire presiunea este scăzută treptat aproape de zero în 5 min.

Atmosfera de sinterizare este vacuum (ce variază în timpul procesului între 35 și 60 Pa) realizat dintr-o atmosferă de argon, gaz ce a fost introdus în cuptorul SPS la temperatura camerei și înainte de a porni încălzirea. încălzirea se realizează folosind curenți electrici foarte intenși (peste 1300 A), ce au o componentă continuă peste care se suprapune o componentă pulsată, formată din trenuri de 12 pulsuri de 40 ms cu o pauză de 2 ms între ele. Intensitatea trenurilor pulsate este comparabilă cu intensitatea componentei continue.

Prelucrarea mecanică a discului este precedată de scoaterea prin depresare a acestuia din matrița de grafit, și eliminarea mecanică prin răzuire și șlefuire a resturilor din foliile de grafit. Discul sinterizat prin SPS se introduce într-o mașină automată de frezat (Wabeco CC-F1410 LF hs). Prin așchiere, folosindu-se o freză (Proxton) cu doi dinți având un diametru de 1 mm, se obține forma dorită a concentratorului/stocatorului magnetic (fig. 1). Prelucrarea prin așchiere a fost efectuată cu următorii parametri: viteza de rotație a frezei 2000...2500 rpm, avans în plan 1 mm/s și avansul vertical 0,1 mm/trecere. Răcirea materialului în timpul prelucrării a fost făcută cu alcool etilic tehnic.

După prelucrarea mecanică, în spațiile decupate prin frezare s-a introdus (opțional sau pentru ranforsare mecanică) o rășină epoxidică Stycast 2850 FT (catalyst 24 LV), rezistentă, conform producătorului, la temperaturi scăzute, cu un coeficient de dilatare (0,51%) asemănător probei, și având o conductivitate termică bună (1,0144 W/m-K) și viscozitate scăzută la temperatura camerei (0,03...0,04 Pa-s).

înaintea operației de umplere cu rășină a spațiilor decupate, piesele sinterizate și prelucrate mecanic au fost caracterizate structural prin difracție de raze X (Bruker-AXS D8 ADVANCE, radiația CuK_a1 λ = 1.5406 Â). Conform fig. 2, materialul este compus din supraconductorul MgB₂, h-BN și faze reziduale (MgO, MgB₄).

Măsurătorile magnetice pentru testarea concentratorilor/stocatorilor din fig. 1 au fost efectuate la 5 și 20°K, folosind un sistem de măsură PPMS (Quantum Design, SUA). Pe una dintre suprafețele mari ale concentratorului/stocatorului a fost fixată pe centru sonda Hali calibrată (LHP-MU, Arepoc, Slovacia). Câmpul magnetic de 2 T a fost aplicat perpendicular pe suprafețele mari la o temperatură de 45°K (peste temperatura critică a supraconductorului, de 38,8°K). După răcirea în câmp magnetic la o temperatură de 20°K sau 5°K, câmpul magnetic a fost scăzut continuu la zero cu o viteză de 0,0005 T/s, înregistrându-se semnalul sondei Hali corespunzător câmpului aplicat și a câmpului generat de dispozitiv. în fig. 3 este reprezentată magnetizarea reziduală, M_rezidua| în tesla în funcție de câmpul magnetic aplicat descrescător, μ₀Η (fig. 3). Pentru stocatorul/concentratorul magnetic cu inele concentrice din fig. 1a răcit, câmpul rezidual reținut după scăderea la zero a câmpului magnetic aplicat a fost de 0,15 T (5°K) și 0,929 T (20°K), iar pentru cel cu formă plan-elicoidală din fig. 1 b, M_rezidua, a fost de 0,209 T (5°K) și 0,196 T (20°K).

Folosirea concentratorului/stocatorului se face prin alegerea temperaturii de lucru, fixarea unui câmp magnetic și scăderea acestuia cu o viteză optimă, mișcarea liniilor de câmp magnetic depinzând de dinamica acestora în supraconductorul aflat în stare mixtă. După cum se observă, există o stabilitate bună a acestor linii la temperatura de 20°K, dar apar salturi de flux magnetic la temperaturi scăzute (5°K) la o viteză de 0,0005 T/s, mai ales în cazul concentratorului cu inele circulare (și ranforsat cu rășină epoxidică).

RO 130252 Β1

Exemple de utilizare a fenomenului de retenție a liniilor de câmp magnetic într-un con- 1 centrator/stocator magnetic sunt exemplificate mai jos. Forțele de levitație pot fi obținute între un magnet permanent (MP) și un supraconductor masiv. Acestea sunt limitate de intensitatea 3 câmpului magnetic produs de MP. Supraconductorii cu retenția unor câmpuri magnetice mari, cum este MgB₂, pot fi folosiți în locul MP în sisteme tip: supraconductor masiv - supraconductor 5 masiv. Supraconductorul masiv pe bază de MgB₂, sub formă de inele concentrice (fig. 1), este util ca element pasiv la dezvoltarea rotoarelor (F. Marignetti și colab., IEEE Trans. Appl. 7 Supercond., 23(4), 8002506 (2013)), iar cel sub formă elicoidală (fig. 2) este aplicabil drept componentă activă a magneților de excitare a rotorului pentru mașinile electrice (lagărele cu 9 levitație magnetică pentru sistemele de stocare a energiei fly wheel, motoare etc.) (F.

Marignetti și colab., IEEE Trans. Appl. Supercond., 23(4), 8002606 (2013)). 11

Claims (2)

1 Revendicări

3 1. Material supraconductor pe bază de MgB₂, prelucrabil mecanic, și concentrator de câmp magnetic, constituit preponderent din pulbere de MgB₂ compactată și consolidată termic,

5 caracterizat prin aceea că este realizat ca material compozit cu formula (MgB₂).,._x(hBN)_x, cu x > 0,08, din o masă omogenă de pulbere sinterizată de MgB₂ și hBN în proporție masică de 7 circa 9/1.

2. Concentrator de câmp magnetic, constituit preponderent din pulbere de MgB₂

9 compactată și consolidată termic, caracterizat prin aceea că este alcătuit dintr-un material activ magnetic supraconductor, cu compoziția conformă revendicării 1, din pulbere sinterizată 11 de MgB₂ și hBN în proporție masică de circa 9/1, prelucrat prin așchiere mecanică într-o formă prestabilită, și o parte ranforsată cu rășină epoxidică rezistentă la temperaturi joase, T < 350°K.