RU2030818C1

RU2030818C1 - Method for manufacturing current-carrying part from high-temperature superconductor

Info

Publication number: RU2030818C1
Authority: RU
Inventors: А.А. Буш; А.Ю. Волков; С.Н. Гордеев; А.В. Лебедев
Original assignee: Обнинский институт атомной энергии
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1991-08-09
Publication date: 1995-03-10

Abstract

FIELD: superconductor manufacturing process. SUBSTANCE: high-ordered structure is proposed to be organized in sections near contacts whose normal-state conductivities and critical current densities are higher than those of other sections of part. This is attained by forming current-carrying part using crucible-free zone melting method with varying zone speed; zone speed at near-contact sections is higher than that at other sections. EFFECT: improved reliability of current-carrying part contacts. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к способам получения сверхпроводников, в частности текстурированных образцов высокотемпера- турных сверхпроводников, и может быть использовано в сверхпроводниковой электротехнике и энергетике для создания токонесущих элементов, переключателей, ограничителей тока. The invention relates to methods for producing superconductors, in particular textured samples of high-temperature superconductors, and can be used in superconducting electrical engineering and energy to create current-carrying elements, switches, current limiters.

Известны способы изготовления керамических сверхпроводников путем воздействия на поликристалл магнитным полем или током при повышенных температурах на стадии отжига [1 и 2]. Known methods for the manufacture of ceramic superconductors by exposing the polycrystal to a magnetic field or current at elevated temperatures at the annealing stage [1 and 2].

Однако степень ориентации частиц по известным способам не велика, поскольку частицы в твердой фазе в поликристалле относительно малоподвижны даже при высоких температурах. However, the degree of orientation of the particles by known methods is not large, since the particles in the solid phase in the polycrystal are relatively inactive, even at high temperatures.

Наиболее близок к предлагаемому способу получения высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) метод бестигельной зонной плавки [3]. Closest to the proposed method for producing high-temperature superconductors (HTSC) is the crucible-free zone melting method [3].

Однако известный способ позволяет изготовить токонесущий элемент только с одинаковой степенью анизотропии по всему объему. При нанесении контактов на такой токонесущий элемент наиболее слабым местом в смысле выхода из строя становится приконтактная область, особенно при работе в режиме токов, близких к критическому. Это обусловлено тем, что все имеющиеся в настоящее время контакты к ВТСП имеют отличное от нуля сопротивление, на котором при протекании тока выделяется джоулево тепло. Подогрев приконтактных областей сверхпроводника снижает его критические параметры, в частности плотность критического тока. В результате по достижении рабочим током (текущим через контакты по токонесущему элементу) некоторой величины в нормальное состояние начинает переходить сначала именно приконтактная область. Этот процесс сопровождается скачком тепловыделения на перешедшем в нормальное состояние материале ВТСП, удельное сопротивление которого относительно велико. Если не принять защитных мер, происходит перегрев и разрушение контактов. However, the known method allows to produce a current-carrying element with only the same degree of anisotropy throughout the volume. When applying contacts to such a current-carrying element, the contact area becomes the weakest point in the sense of failure, especially when operating in close to critical current mode. This is due to the fact that all current contacts to the HTSC have a non-zero resistance, at which the Joule heat is released during the flow of current. The heating of the contact areas of the superconductor reduces its critical parameters, in particular, the critical current density. As a result, when the working current (flowing through the contacts of the current-carrying element) reaches a certain value, the contact area starts to transition to the normal state first. This process is accompanied by a jump in heat release on the HTSC material that has returned to its normal state, the resistivity of which is relatively large. If you do not take protective measures, overheating and destruction of contacts occurs.

Цель изобретения - улучшение эксплуатационных характеристик токонесущего элемента путем повышения надежности контактов. The purpose of the invention is to improve the operational characteristics of the current-carrying element by increasing the reliability of the contacts.

Указанная цель достигается тем, что в способе изготовления токонесущего элемента из сверхпроводящей керамики методом бестигельной зонной плавки, скорость перемещения плавающей зоны расплава по длине токонесущего элемента изменяют, причем в области, предназначенной для нанесения контактов, скорость перемещения зоны меньше, чем в удаленных участках токонесущего элемента. This goal is achieved by the fact that in the method of manufacturing a current-carrying element from superconducting ceramics by the crucible-free zone melting method, the speed of movement of the floating melt zone along the length of the current-carrying element is changed, and in the area intended for the application of contacts, the speed of movement of the zone is less than in remote areas of the current-carrying element .

Для достижения указанной цели используют тот факт, что проводимость и критическая плотность тока текстурированного материала зависит от степени текстуры, которая, в свою очередь, сильно зависит от скорости перекристаллизации [3]. Следовательно, текстурируя сверхпроводящий токонесущий элемент по предложенному способу, получаем структуру, имеющую максимальный критический ток и минимальное сопротивление в области контактов, в то время как в удаленных от контактов участках значение плотности критического тока материала уменьшается, а сопротивление нормального состояния увеличивается по мере возрастания хаотичности (изотропности) расположения кристаллитов. Как известно, ограничение плотности критического тока керамики обусловлено главным образом наличием межгранулярных прослоек и вызвано разориентацией кристаллической структуры гранул по обе стороны прослойки [4]. По сути при выполнении токонесущего элемента по предложенному способу в приконтактных областях формируется сверхпроводник с более высокими критическими параметрами. Такая неоднородная по длине элемента структура может обеспечить защиту контактов, так как при нарастании тока через контакты критический ток достигает сначала в центральной части элемента, которая переходит в нормальное состояние и ограничивает появившимся сопротивлением рабочий ток. И даже при переходе в нормальное состояние приконтактных областей контакты оказываются в лучших условиях, чем в способе-прототипе, поскольку сопротивление материала около контактов, а следовательно, тепловыделений I²R снижено в несколько раз.To achieve this goal, use the fact that the conductivity and critical current density of the textured material depends on the degree of texture, which, in turn, is highly dependent on the recrystallization rate [3]. Therefore, texturing the superconducting current-carrying element according to the proposed method, we obtain a structure having a maximum critical current and a minimum resistance in the contact region, while in the areas remote from the contacts, the critical current density of the material decreases, and the resistance of the normal state increases with randomness ( isotropy) arrangement of crystallites. As is known, the limitation of the critical current density of ceramics is mainly due to the presence of intergranular interlayers and is caused by disorientation of the crystal structure of granules on both sides of the interlayer [4]. In fact, when performing a current-carrying element according to the proposed method, a superconductor with higher critical parameters is formed in the contact areas. Such a structure nonuniform along the length of the element can provide protection for the contacts, since when the current increases through the contacts, the critical current first reaches the central part of the element, which goes into a normal state and limits the operating current to the resistance that appears. And even upon the transition to the normal state of the contact areas, the contacts are in better conditions than in the prototype method, since the resistance of the material near the contacts, and therefore, the heat release of I ² R, is reduced several times.

На фиг. 1 показаны температурные зависимости удельного электрического сопротивления вдоль токонесущего элемента для материала приконтактного участка 1 (скорость роста 3,0 мм/c) и материала центрального участка 2 (скорость роста 33,0 мм/ч); на фиг. 2 - зависимость ширины магнитного гистерезиса Δ М = М⁺ - М^- ≈ j_c, от магнитного поля H перпендикулярно оси образца, где 3 - приконтактный участок (скорость роста 3,0 мм/ч), 4 - центральный участок (скорость роста 9,0 мм/ч); на фиг. 3 - зависимость напряжения на парах соседних потенциальных контактов, расположенных вдоль токонесущего элемента, от величины транспортного тока I и напряженности магнитного поля, гистограмма 5-40 A/м², 3 кЭ, гистограмма 6-40 А/м³, 7 кЭ, гистограмма 7-80 А/м², 8 кЭ; на фиг. 4 - токонесущий элемент 8 с нанесенными токовыми 9 и потенциальными 10 контактами. Контакты 10 с номерами 1, 2, 3, 12, 13, и 14 расположены в зоне с более высокими критическими параметрами. Очевидно сильное ухудшение критических параметров Т, j_c, j_c ^(H) при увеличении скорости роста (скорости перемещения плавающей зоны).In FIG. 1 shows the temperature dependences of the electrical resistivity along the current-carrying element for the material of the near-contact region 1 (growth rate 3.0 mm / s) and the material of the central region 2 (growth rate 33.0 mm / h); in FIG. 2 - dependence of the width of the magnetic hysteresis Δ M = M ⁺ - M ^- ≈ j _c , on the magnetic field H perpendicular to the axis of the sample, where 3 is the contact area (growth rate 3.0 mm / h), 4 - the central area (growth rate 9 , 0 mm / h); in FIG. 3 - dependence of the voltage across pairs of neighboring potential contacts located along the current-carrying element on the magnitude of the transport current I and magnetic field strength, a histogram of 5-40 A / m ² , 3 kOe, a histogram of 6-40 A / m ³ , 7 kOe, a histogram 7-80 A / m ² , 8 kOe; in FIG. 4 - current-carrying element 8 with printed current 9 and potential 10 contacts. Contacts 10 with numbers 1, 2, 3, 12, 13, and 14 are located in the zone with higher critical parameters. Obviously, a strong deterioration of the critical parameters T, j _c , j _c ^(H) with an increase in the growth rate (floating zone velocity).

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Для изготовления образцов использовалась установка УРН-2-3П. В качестве затравки использовались поликристалличес- кие цилиндрические стержни диаметром 8 мм и длиной 90 мм, общего состава Bi_2,25Sr_1,8CaCu₂O_8+х. Указанные стержни изготавливали прессованием и затем спекали при 680^оС в течение 8 ч. Затем стержни помещали в установку. Плавающая зона расплава для данных материалов довольно легко образуется, если соединить расплавленные вершины затравки с низом питающего стержня; при этом вершины затравки и низ стержня вращаются в противоположных направлениях. Путем перемещения вниз питающего стержня через зону расплава с определенной скоростью осуществляют его перекристаллизацию в текстурированный слиток. Зонную перекристаллизацию в одном опыте проводили со следующими линейными скоростями: 3,0 мм/ч в течение первых двух часов, 9,0 мм/ч в течение последующих двух часов и 3,0 мм/ч в течение последующих четырех часов. Получен текстурированный слиток диаметром 6 мм и длиной 36 мм, состоящий из тонкопластинчатых блоков, ориентированных осью а вдоль оси роста. Температура начала сверхпроводящего перехода составляла 94 и 88 К для участков 3,0 и 9,0 мм/ч соответственно. В другом опыте центральная часть стержня проходилась со скоростью 33,0 мм/ч для получения более сильных различий в сверхпроводящих свойствах центральной и приконтактной зон. В этом случае температура перехода составила 94 и 80 К соответственно для участков 3,0 и 33,0 мм/ч. При этом первые состояли из сросшихся преимущественно плоскостями (001), лентообразных (0,2 х 1,0 х 5,0) кристаллов фазы Bi - 2212, где плоскости (001) параллельны оси стержня, а последние - из более мелких кристаллитов, не имеющих спайности. Плотность указанных участков - 6,4 и 5,4 г/см³ соответственно. Анизотропия сопротивлений при 300 К для этих же двух зон (3,0 и 33,0 мм/ч), измеренная вдоль оси токонесущего элемента и перпендикулярно к ней, составила 300 и 9,3 соответственно. На крайние участки образца, имеющего более высокие критические параметры (см. фиг. 4), наносились токовые контакты 6.For the manufacture of samples, the installation URN-2-3P was used. Polycrystalline cylindrical rods with a diameter of 8 mm and a length of 90 mm and a total composition of Bi _2.25 Sr _1.8 CaCu ₂ O _{8 + x were} used as seeds. These rods were manufactured by compression and then sintered at 680 ^{° C} for 8 hours. Then the rods were placed in the installation. The floating melt zone for these materials is quite easily formed if the melted tops of the seed are connected to the bottom of the supply rod; while the tops of the seed and the bottom of the rod rotate in opposite directions. By moving down the feed rod through the melt zone at a certain speed, it is recrystallized into a textured ingot. Zone recrystallization in one experiment was carried out with the following linear speeds: 3.0 mm / h for the first two hours, 9.0 mm / h for the next two hours and 3.0 mm / h for the next four hours. A textured ingot with a diameter of 6 mm and a length of 36 mm was obtained, consisting of thin-plate blocks oriented with the a axis along the growth axis. The onset temperature of the superconducting transition was 94 and 88 K for sections 3.0 and 9.0 mm / h, respectively. In another experiment, the central part of the rod was passed at a speed of 33.0 mm / h to obtain stronger differences in the superconducting properties of the central and contact zones. In this case, the transition temperature was 94 and 80 K, respectively, for sections 3.0 and 33.0 mm / h. In this case, the former consisted mainly of Bi (221) crystals, ribbon-like (0.2 x 1.0 x 5.0) crystals that were fused together (0.2 x 1.0 x 5.0), where the (001) planes are parallel to the axis of the rod, and the latter are composed of smaller crystallites, not having cleavage. The density of these sections is 6.4 and 5.4 g / cm ^3, respectively. The resistance anisotropy at 300 K for the same two zones (3.0 and 33.0 mm / h), measured along the axis of the current-carrying element and perpendicular to it, was 300 and 9.3, respectively. Current contacts 6 were applied to the extreme sections of the sample having higher critical parameters (see Fig. 4).

Технико-экономические преимущества предложенного способа обусловлены использованием сверхпроводящего материала с разными критическими параметрами в приконтактных и центральных областях, причем указанный материал изготавливается по заявленному способу в едином технологическом акте. Более высокие крити- ческие значения температуры и плотности тока материала приконтактных областей позволяют защитить контакты от отгорания при больших рабочих токах. The technical and economic advantages of the proposed method are due to the use of a superconducting material with different critical parameters in the contact and central areas, and this material is manufactured according to the claimed method in a single technological act. Higher critical values of temperature and current density of the material in the contact areas allow protecting contacts from burning out at high operating currents.

Claims

1. METHOD FOR PRODUCING A CURRENT-CARRYING ELEMENT FROM A HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR by a crucible-free zone melting method, characterized in that the speed of movement of the floating zone of the melt along the length of the current-carrying element is changed, and in the region intended for applying contacts, the speed of movement of the zone is lower than in the remote parts of the current.

2. The method according to claim 1, characterized in that the speed of movement of the floating zone in the contact areas of 0.5 - 6.0 mm / h, and in areas remote from the contacts of 9.0 - 33.0 mm / h.