Анотація до роботи:

Савчук Я.М. Закономірності синтезу та спікання надпровідних матеріалів на основі MgB₂ під високим тиском. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – меріалознавство. Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, Київ, 2004.

Дисертацію присвячено вивчення закономірностей структуроутворення при синтезі і спіканні MgB₂ під високим тиском, тиском гарячого пресування та атмосферним тиском, дослідженню впливу легування добавками Та або Ті на фазовий склад, надпровідні та механічні властивості матеріалів на основі MgB₂. Розроблено спосіб виготовлення високощільного (до 98 %) наноструктурного надпровідного матеріалу з найвищими, у порівнянні з літературними, значеннями густини критичного струму: j_c100 кА/см² в полях до 3 Тл, та j_c10 кА/см² в полях до 5 Тл.

Вперше встановлено позитивний вплив додавання Та або Ті на j_c при синтезі під високим тиском і показано, що збільшення j_c відбувається за рахунок зв’язування домішкового водню, з утворенням Ta₂H, TaH чи TiH₂. Показано, що присутність водню веде до погіршення надпровідних властивостей матеріалів на основі MgB₂ одержаних в умовах високих тисків. Дослідження механічних властивостей показало, що додавання Та веде до майже двократного збільшення тріщиностійкості зразків спечених в умовах високих тисків, при цьому їх твердість практично не змінювалась (при навантаженні 148,9 Н тріщиностійкість зразків до яких додавалось 10% Та досягала 7,6 МПам^1/2, твердість 10 ГПа). На основі результатів наноіндентування (визначення нанотвердості та модуля Юнга включень Mg-B (MgB₂)) показано, що MgB₂ можна віднести до класу надтвердих матеріалів. Одержаний в умовах високого тиску матеріал на основі MgB₂ перспективний для використання в надпровідних пристроях, що працюють на принципі левітації (електромоторах, генераторах, насосах для перекачування рідких газів, магнітних підшипниках, тощо.)

У роботі вирішена актуальна науково-технічна задача, яка полягає у встановлені закономірностей зміни надпровідних та механічних властивостей MgB₂ в залежності від структури матеріалу, технологічних параметрів синтезу і спікання.

В результаті проведеного комплексу досліджень із вивчення закономірностей структуроутворення у матеріалах на основі MgB₂ отримані наступні результати:

1. Розроблено спосіб виготовлення високощільного (до 98 %) наноструктурного надпровідного матеріалу, який передбачає синтез порошкоподібної суміші вихідних компонентів Mg, B та Ti при високих тисках 2 ГПа і температурах 800-900 ^оС з j_c100 кА/см² в полях до 3 Тл, та j_c10 кА/см² в полях до 5 Тл.

2. Вперше показано, що зразки, синтезовані під високим тиском з елементів Mg та B або спечені з промислових порошків MgB₂ в умовах високих тисків, які за даними рентгенофазового аналізу є практично однофазними MgB₂ з незначною (5-7%) кількістю домішки MgO, виявились багатофазними наноструктурними матеріалами, структуру яких можна визначити, як надпровідну “матрицю” Mg-B-O (у якій співвідношення між Mg та B істотно відрізняються від стехіометрії MgB₂ у бік переважної кількості Mg) з розміщеними в ній (“матриці”) дрібнодисперсними надпровідними включеннями Mg-B, що складаються з Mg та B, співвідношення між якими близьке до стехіометрії MgB₂. Це, пояснюється тим, що входження невеликої кількості кисню в структуру MgB₂ істотно не впливає на розміри елементарної комірки.

3. Встановлено, що j_c зразків на основі MgB₂, особливо у магнітних полях, істотно залежить від кількості включень, що вміщують Mg та B (у співвідношенні близькому до MgB₂) і, як правило, зростає із збільшенням кількості таких включень у “матриці”.

4. Присутність водню (гідрогену) в процесі синтезу шкідливо впливає на надпровідні властивості дибориду магнію та матеріалів на його основі оскільки, сприяє формуванню шкідливої домішкової фази MgH₂.

5. Додавання гідриду титану TiH₂ до суміші Mg та B під час синтезу під високим тиском у кількості 10 % спричиняє зменшення приблизно на два порядки j_c через те, що розкладаючись, гідрид титану вивільняє велику кількість водню, що перешкоджає формуванню щільної структури при температурах синтезу і призводить до утворення значних пор у матеріалі.

6. Вперше показано, що додавання чи присутність Ta при одержанні матеріалів на основі MgB₂ в умовах високих тисків приводить до j_c та H_irr. У випадку синтезу під високим тиском додавання 2-10 % Ta до суміші Mg та B приводило до збільшення j_c синтезованого матеріалу при температурі 20 К у 1,3-1,8 рази при збільшенні напруженості магнітного поля від 0 до 6 Тл, відповідно, та при температурі 10 К у 1,3-3,3 рази при збільшенні магнітного поля від 0 до 10 Тл, відповідно).

7. Додавання Ti у кількості 10% при синтезі з елементів під високим тиском приводило до збільшення j_c при температурі 20 К у 1,5- 4,6 рази при збільшенні напруженості магнітного поля від 0 до 7 Тл, відповідно, та при температурі 10 К у 1,4-4 рази при збільшенні магнітного поля від 0 до 10 Тл, відповідно). При цьому поле необоротності зростало на 1-2 Тл.

8. Встановлено, що вплив добавок Ta або Ti на j_c досягається за рахунок хемосорбції цими елементами водню з формуванням Ta₂H, TaH, TiH₂ та збільшення кількості включень Mg-B (MgB₂) і, за рахунок того, що адсорбування водню перешкоджає входженню водню в структуру матеріалу. Більш виражений ефект Ti у порівняні з Ta пояснюється більшою адсорбційною активністю Ti по відношенню до водню.

9. При підвищенні температури синтезу від 800 до 950 ^оС кількість MgH₂ в структурі зразків зменшується, але у цей же час зменшується і кількість включень Mg-B, що в цілому приводить до погіршення надпровідних властивостей (j_c, H_irr). Для одержання матеріалів з високим рівнем надпровідних властивостей процес синтезу в умовах високих тисків краще проводити при температурах 800-900^оС з додаванням добавок-адсорбентів водню Ta або Ti, причому вища j_c в полях до 2 Тл досягається при додаванні 2 % Ti або Ta і температурі синтезу 800 та 900 ^оС, відповідно, а найвищій рівень j_c у полях вищих за 2 Тл – при додаванні 10 % Ti або Ta і синтезу при температурі 800 ^оС.

10. Приналежність включень Mg-B (MgB₂), розташованих в “матриці” Mg-B-O, до надтвердих матеріалів підтверджується тим, що їх нанотвердість дещо вища за наноотвердість сапфіру, а модулі Юнга є практично однаковими. Так при навантаженні 60 мН нанотвердість включень Mg-B (MgB₂) становить 35,6±0,9 ГПа, а сапфіра 31,1±2,0 ГПа, модуль Юнга включень Mg-B (MgB₂) становить 385±14 ГПа і сапфіру – 416±22 ГПа. У той же час нанотвердісь “матриці” Mg-B-O досягає лише 17,4±1,1 ГПа, а модуль Юнга – 213±18 ГПа.

11. Нижчі значення j_c спечених зразків у порівняні зі зразками, синтезованими під високим тиском, обумовлені нерівномірністю розподілу включень Mg-B (MgB₂), що “наслідують” морфологію зерен вихідних порошків MgB₂: більше скупчення включень спостерігається по їх границям. Так густина критичного струму при температурі 10 К виявилась вищою у 2,5 – 18 разів у полях від 0 до 8 Тл , відповідно, а при 20 К у 2,9 – 14 разів у полях від 0 до 5 Тл, відповідно, для зразків, синтезованих під високим тиском, у порівнянні зі спеченими.

12. Густина критичного струму зразків, синтезованих при атмосферному тиску та при тиску гарячого пресування поступаються на порядок j_c зразків, синтезованих при високому тиску, що обумовлюється меншою щільністю матеріалу.

13. З метою вивчення ефективності застосування даного матеріалу у роторах надпровідних електромоторів за оптимальних умов шляхом синтезу з елементів (з Mg та B з додаванням 10 % Ті) виготовлено дослідну партію зразків (35 шт.) розміром 30 мм у діаметрі та висотою 10 мм.

Основні результати роботи висвітлено у наступних публікаціях:

1. T.A. Prikhna, W. Gawalek, A.B. Surzhenko, V.E. Moshchil, Ya.M. Savchuk, V.S. Melnikov, P.A. Nagorny, T. Habisreuther, S.N. Dub, M. Wendt, D. Litzkendorf, J. Dellith, Ch. Schmidt, G. Krabbes, A.V.Vlasenko. High-pressure synthesis of MgB₂ with and without tantalum addition // Physica C. –2002. –Vol.372–376.– P.1543–1545.

2. Я.М. Савчук, Т.О. Пріхна, В.Є. Мощіль, Н.В. Сергіенко, П.А. Нагорний, В.С. Мельников, С.М. Дуб, В. Гавалек, О.Б. Сурженко. Синтез надпровідного матеріалу на основі MgB₂ під високим тиском // Сверхтвердые материалы. – 2003. – №1. – C. 52–61.

3. T.A. Prikhna, W. Gawalek, Ya.M. Savchuk, V.E. Moshchil, N.V. Sergienko, A.B. Surzhenko, M. Wendt, S.N. Dub, V.S. Melnikov, Ch. Schmidt, P.A. Nagorny. High-pressure synthesis of a bulk superconductive MgB₂-based material // Physica C.–2003.–Vol.386.– P.565–568.

4. T.A. Prikhna, W. Gawalek, Ya.M. Savchuk., A.B. Surzhenko, M. Zeisberger, V.E. Moshchil, S.N. Dub, V.S. Melnikov, N.V. Sergienko, T. Habisreuther, D. Litzkendorf, S. Abell and P.A. Nagorny. High pressure synthesis and sintering of MgB₂ // Applied Superconductivity.–2003.–Vol.13.– P.3506–3509.

5. T.A. Prikhna, W. Gawalek, Ya.M. Savchuk, V.E. Moshchil, N.V. Sergienko, T. Habisreuther, M. Wendt, R. Hergt, Ch. Schmidt, J. Dellith, V.S. Melnikov, A. Assmann, D. Litzkendorf, P.A. Nagorny. High-pressure synthesis of MgB₂ with addition of Ti // Physica C.–2004.–Vol.402.– P.223–233.

6. T.A. Prikhna, W. Gawalek, T. Habisreuther, V. Moshchil, A.B. Surzhenko, V.S. Melnikov, S.N. Dub, P.A. Nagorny, N.V. Sergienko, G. Krabbes, Ya.M. Savchuk, Ch. Schmidt, J. Dellith, and A.V.Vlasenko. Нigh pressure-high temperature treatment of MT-MeBCO (Me = Y, Nd, Sm), high-pressure sintering of Y123 and synthesis of MgB₂ // Proceedings of the International Cryogenic Materials Conference (ICMC 2001). - Advances in Cryogenic Engineering Materials. –2002.–Vol.48b. – P.398–404.

7. Prikhna T.A., Gawalek W., Savchuk Ya.M., Sergienko N.V., Moshchil V.E., Melnikov V.S., Dub S.N., Surzhenko A.B., Nagorny P.A., Abell S., Habisreuther T., Wendt M., Herdt R., Schmidt Ch., Dellith J. High-pressure synthesis and sintering of MgB₂ // Proceedings of Second International Conference “Materials and Coatings for Extreme Performances: Investigations, Applications, Ecologically Safe Technologies for Their Production and Utilization”. – Katsiveli-town (Ukraine). – 16-20 September, 2002. – P. 271–272.

8. Prikhna T.A., Gawalek W., Savchuk Ya.M., Sergienko N.V., Moshchil V.E., Dub S.N., Wendt M., Melnikov V.S., Surzhenko A.B., Litzkendorf D., Nagorny P.A., Schmidt Ch. High-pressure synthesized MgB₂ with high critical current density and irreversible field, positive influence of Ta on superconductive characteristics // Proceedings of International Conference “Science for Material in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges”. - Kyiv (Ukraine). – 4-8 November, 2002. – P.406–407.

9. T.A. Prikhna, Ya.M. Savchuk, N.V. Sergienko, V.E. Moshchil, S.N. Dub, P.A. Nagorny, W. Gawalek, T. Habisreuther, M. Wendt, A.B. Surzhenko, D. Litzkendorf, Ch. Schmidt, J. Dellith, V.S. Melnikov Synthesis and Sintering of MgB₂ Under High Pressure // High Temperature Supercondactors.–2002.–Vol. 140.– P.365–374.

10. Prikhna Т.А., Novikov N.V., Gawalek W., Savchuk Ya., М., Moshchil V.Е., Sergienko N.V., Nagorny P.A., Herdt R., Wendt М., Habisreuther T., Schmidt Ch., Dellith J., Litzkendorf D., Melnikov V.S., Vlasenko A.V. High-pressure synthesis of magnesium diboride with titanium addition // 4^th International Workshop on Processing and Applications of Superconducting (RE)BCO Large Grain Materials (PASREG2003). - Jena (Germany). – 2003.– P.63.

11. Деклараційний патент на винахід № 49480 А. Надпровідний матеріал і спосіб його виготовлення. Пріхна Т.О., Гавалек В., Новіков М.В., Савчук Я.М., Мощіль В.Е., Сергієнко Н.В., Боримський О.І., Нагорний П.А. та інші. – Пріоритет від 14.12 2001 р., опубл. Бюл. № 9 від 16.09.2002.

12. Деклараційний патент на винахід № 68888 А. Надпровідний матеріал. Пріхна Т.О., Гавалек В., Новіков М.В., Савчук Я.М., Мощіль В.Е., Сергієнко Н.В., Боримський О.І., Нагорний П.А. та інші. – Пріоритет від 14.11.2003 р., опубл. Бюл. № 8 від 16.08.2004.