Αναπτυξη Και Χαρακτηρισμος Υπεραγωγιμου Υλικου Τυπου Bscco

Abstract

Η εργασία αυτή ερευνά τους υπεραγωγούς υψηλών θερμοκρασιών της σειράς Bi2Sr2CaCu2Ο8+x. Ανάμεσα στους υπεραγωγούς υψηλών θερμοκρασιών, ιδιαίτερη θέση έχει η σειρά Bi2Sr2Can-1CunΟ2n+4, για n=l,2,3 λόγω της υψηλής θερμοκρασίας μετάβασης που εμφανίζει, Tc=85K για n=2 και Tc=110K για n=3. Η παρασκευή ωστόσο της σειράς αυτής έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα δύσκολη, εφόσον μέχρι στιγμής δεν έχει παρασκευαστεί μονοφασική σκόνη της φάσης Βi-2212 (n=2). Πάντα συνυπάρχει η Βi-2201 φάση (n=1) ακόμα και σε μεγάλα ποσοστά, καθώς και άλλες ανεπιθύμητες προσμίξεις. Παρόλα τα προβλήματα όμως, η σειρά αυτή είναι σημαντική για τις εφαρμογές ισχύος, διότι η παρασκευή συρμάτων και ταινιών με τους υπεραγωγούς αυτούς μπορεί να επιτευχθεί σε μεγάλα μήκη και με αρκετά υψηλά κρίσιμα ρεύματα, ενώ δεν εμφανίζει τα προβλήματα των ασθενών συνδέσμων που παρουσιάζουν άλλοι υπεραγωγοί υψηλών θερμοκρασιών, όπως ο υπεραγωγός YBCO, υποβαθμίζοντας με αυτόν τον τρόπο τις υπεραγώγιμες ιδιότητες τους.Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας, αποτελεί η βελτίωση της διαδικασίας για την παρασκευή μονοφασικών κόνεων μεγάλης καθαρότητας της υπεραγώγιμης φάσης Bi2Sr2CaCu2O8+x (Bi-2212) με τη μέθοδο της αντίδρασης στερεάς κατάστασης και ο χαρακτηρισμός αυτών.Ειδικότερα, η εργασία κινήθηκε σε τρεις βασικούς άξονες. Ο πρώτος ήταν η σύνθεση της υπεραγώγιμης φάσης 2212 με τους συνήθεις και διαδεδομένους τρόπους παρασκευής. Τον δεύτερο άξονα αποτέλεσε η βελτίωση της μεθόδου αντίδρασης στερεάς κατάστασης, μέσω της πραγματοποίησής της σε δύο και τρία βήματα, καθώς επίσης και η βελτίωση του θερμικού κύκλου-προφίλ παρασκευής της σκόνης ως προς την θερμοκρασία και τον χρόνο πυροσυσσωμάτωσης και ανόπτησης. Τέλος, τον τρίτο άξονα, αποτέλεσε η διερεύνηση της επίδρασης του MgO (οξειδίου του μαγνησίου) στην υπεραγώγιμη φάση Bi-2212, ως προς την κρίσιμη θερμοκρασία, την κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος και την αύξηση της απόδοσης της αντίδρασης.Για την παρασκευή της σκόνης του υπεραγωγού χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της αντίδρασης στερεάς κατάστασης, η οποία στηρίζεται στην ανάμιξη των πρώτων υλών (Bi2O3, SrCO3, CaCO3 και CuO) και στην κατάλληλη θερμική κατεργασία του μίγματος. Πιο συγκεκριμένα, η μέθοδος της αντίδρασης στερεάς κατάστασης βελτιώθηκε και πραγματοποιήθηκε σε δύο και τρία βήματα, αυξάνοντας με αυτόν τον τρόπο την απόδοση της αντίδρασης ως προς την παραγωγή της 2212 φάσης. Η διαδικασία παρασκευής της υπεραγώγιμης σκόνης Bi-2212 σε δύο και τρία βήματα, δεν αναφέρεται εκτενώς στη διεθνή βιβλιογραφία. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, πραγματοποιήθηκε επίσης βελτίωση του θερμικού κύκλου παρασκευής της σκόνης (θερμοκρασία και χρόνος πυροσυσσωμάτωσης) με αποτέλεσμα την παραγωγή σκόνης Bi2Sr2CaCu2O8+x, με πολύ καλές υπεραγώγιμες ιδιότητες. Βάση του κύκλου αυτού διαπιστώθηκε ότι για την παρασκευή της υπεραγώγιμης σκόνης, δεν είναι απαραίτητο το στάδιο της ανόπτησης της σκόνης σε περιβάλλον Ar ή Ο2. Οι παραγόμενες κόνεις χαρακτηρίστηκαν με διάφορες αναλυτικές μεθόδους, όπως ανάλυση με περίθλαση ακτινών X (XRD), για την διαπίστωση της κρυσταλλικής δομής, ομοιογένειας και καθαρότητας τους, ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) για την μελέτη της κοκκομετρίας τους, μετρήσεις μαγνητικής επιδεκτικότητας και ηλεκτρικής αντίστασης για την εύρεση των υπεραγώγιμων ιδιοτήτων τους. Επίσης, η εύρεση των βέλτιστων θερμικών κύκλων για την παρασκευή των κόνεων, έγινε με τη χρήση θερμικών μεθόδων ανάλυσης (DTA,TG). Τέλος, αναπτύχθηκε μια διάταξη επίδειξης μαγνητικής ανύψωσης με υγρό άζωτο για την παρατήρηση του φαινομένου Meissner και την ποιοτική διαπίστωση της υπεραγωγιμότητας των παραχθέντων δειγμάτων.Από τα συμπεράσματα της παρούσας εργασίας, προκύπτει ότι η μέθοδος της αντίδρασης στερεάς κατάστασης οδηγεί στην παρασκευή ομοιογενών υπεραγώγιμων κόνεων Bi2Sr2CaCu2O8+x, μεγάλης καθαρότητας και με πολύ καλές υπεραγώγιμες ιδιότητες, σύμφωνα με τη βελτίωση του θερμικού κύκλου παρασκευής και με τη μέθοδο των δύο και τριών βημάτων. Επίσης η προσθήκη MgO στην φάση 2212, φαίνεται πως έχει θετικές επιδράσεις σε ποικίλα μεγέθη.