Ю.Д. Третьяков - Микро- и наномир современных материалов (975562), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Schmitz, Texture formation inmelt-solidified YBa2Cu3Oz thick films byartificial surface reliefs, J. Cryst. Growth, 2002,v. 241, pp. 512–5342.E.I.Givargizov,Artificialepitaxy(graphoepitaxy), // ch. 21 in: Handbook ofCrystal Growth, part 3b, ed. D.T.J.Hurle, Thinfilms and epitaxy, // Elsevier, Amsterdam, 1994,pp.941-995.3. H.O.Jacobs, A.R.Tao, A.Schwartz,D.H.Gracias, G.M.Whitesides, Fabrication of aCylindrical Display by Patterned Assembly,SCIENCE, V.296, pp.323-325Принцип «где тонко, там и рвется» суспехом используется в ограничителяхпредельно допустимого тока, сделанных изсверхпроводящих материалов.
До сих порпальму первенства в этом вопросе держали«ленточные» и «литые» устройства извисмут- содержащих ВТСП. Недавно, былапредложена идея «сверхпроводящей пены»(SuperFoam), сделанной из YBa2Cu3Oz,которая в будущем может стать практическиидеальным материалом для ограничителейопасных токов в промышленной энергетике.Действительно, такой материал обладаеточень полезными свойствами: 1. выдерживаеткритические токи при температуре жидкогоазота, значительно выше тех, что можно32Левитация магнита надохлаждаемой жидким азотомпенокерамикой ВТСП.SuperFoams – пример монодоменногоматериала, полученного с использованиемноваторскогоподхода,связанногос«бинарным» химическим синтезом припропитке заранее подготовленной преформырасплавом при 950-990°С с последующейкристаллизацией системы. Этот методпозволяет практически полностью сохранитьформу исходного образца и проводитьпроцесс при температурах ниже точкиперитектическогораспадаВТСП,конвертируя тем самым прекурсор в ВТСПматериал с близкой микроструктурой.МонодоменностьполучаемыхВТСПизделийможетбытьдостигнутастандартными методами – например, прииспользованииориентированныхсоответствующим образом затравок.«Двумерная» ткань (2D) из оксида иттрия (слева) и «трехмерная» пена (3D)из «зеленой фазы» Y2BaCuO5 (справа) перед их пропиткой расплавом –исходные заготовки для «формосохраняющей» технологии получения ВТСПСверхпроводящий образец YBa2Cu3Oz с тканевой структурой (слева) послепропитки расплавом и кристаллизации в присутствии4 четырехориентированных затравок на воздухе (транспортный ток > 10 А/см2 при77К).
Сверхпроводящая пена после подобной же обработки (справа).Е.А.Гудилин, Ю.Д.ТретьяковФото: Е.А.Гудилин, G.J.Schmitz, E.S.ReddyЛитература:1. E.Sudhakar Reddy and G.J.Schmitz,Supercond. Sci. and Technol. 15 (2002) L21.2.Ю.Д.Третьяков,E.A.Гудилин.Химическиепринципыполученияметаллоксидных сверхпроводников, УспехиХимии, 2000, т.69, н.1, с.3-40.3.Ю.Д.Третьяков,Е.А.Гудилин,Д.В.Перышков, Д.М.Иткис, Структурные имикроструктурныеособенностифункциональных материалов на основекупратов и манганитов, Успехи Химии, 73(9), 2004, pp.954-973.«Гроб Магомеда современности». Эксперимент по магнитной левитациичеловека (Human Levitation Experiment, Sapporo, Япония).Общий вид (на диске - сотрудник лаборатории неорганических материаловХимфака МГУ Гудилин Е.А.).
Уникальная фотография, запечатлевшая активностьроссийских исследователей, участвовавших в рамках международногосотрудничества в разработке технологий получения сверхпроводящейкрупнокристаллической керамики с рекордными свойствами и, как показано нафотографии, - в удачном эксперименте по магнитной левитации человека,явившемся фактически сочетанием публичной рекламной акции и«госиспытаний» полученных материалов.34Крупный план диска с постоянными самарий-кобальтовыми магнитами (вверху) итаблеток иттрий-бариевого высокотемпературного сверхпроводника составаYВa2Cu3Oz (черные таблетки, которые видны в зазоре), охлаждаемых жидкимазотом (нижняя часть рисунка, видна изморозь на емкости с жидким азотом,температура 77К). В 1996 г. в Токио, в Международном центресверхпроводимости была впервые продемонстрирована магнитная левитациячеловека.
“Подопытным кроликом” стал 142-килограммовый борец сумо(национального японского вида борьбы), а впоследствии — и все желающие,включая авторов настоящей фотографии. Борец левитировал, стоя на магнитномдиске, который плавал над сверхпроводящим «пьедесталом», охлажденнымкипящим жидким азотом (–196°С). Зазор между диском и тумбой был совсем немал — около 1 см.
Это, конечно, потрясающий успех! Даже ребенок могзаставить вращаться левитирующего гиганта, и только незаметное глазусопротивление воздуха в конце концов тормозило его свободное вращение.Сверхпроводящие блоки, над которыми висел в воздухе чемпион Странывосходящего солнца, имели сложную микроструктуру. Исследователь,вооруженный микроскопом, мог бы обнаружить много очень интересных исовсем не случайных особенностей, know-how, при различных увеличениях намакро-, мезо- и микроуровнях структуры. Именно это позволило облечь ВТСПматериал в продуманную форму и полностью реализовать потенциал физическогоявления, которое демонстрируют ВТСП-фазы.
Такой материал может спокойновисеть и над, и под магнитом, а также от малейшего толчка вращаться в воздухе влюбом положении (даже сбоку от магнита), презирая силу всемирного тяготения.Ни для какого другого материала это больше не реализуется!35«Керамическая губка». Фрагмент сверхпроводящей пенокерамики составаYBa2Cu3O7 после «расплавной» обработки. (бинокулярная лупа Ломо - СтереоМХ-4, Россия). Для проведения процесса «преформу» состава Y2BaCuO5пропитывали высокотемпературным серебросодержащим кислород - фториднымкупратным расплавом (9800С), медленно охлаждали систему до температур 8808500С с последующим окислением полученного материала при температурах 3003500С в кислороде в течение недели.
Видны крупные поры и керамические«жилки», которые остались после реакции материала преформы с расплавом приохлаждении. Конечная пенокерамика тем самым сохранила исходную форму«преформы», которая была получена с использованием так называемойшликерной технологии – литья высокодисперсного керамического порошка,смешанного со связкой-клеем и пластификатором, в пластиковую матрицусложной формы. В качестве пластиковой матрицы выступала обычнаяполиуретановая губка с размерами пор, близкими к изображенным на рисунке.«Сверхпроводящая мозаика». Иерархическая дефектная структурасверхпроводящей (ВТСП) пенокерамики на основе иттрий - бариевогокупрата YBa2Cu3Oz.
(оптическая микроскопия в поляризованном свете на шлифеобразца, последовательная полировка вплоть до размеров зерна абразива 0.5микрон, металлографический микроскоп Eclipse 600pol (Nikon), Япония). Даннаяфотография представляет большой методический интерес, поскольку наглядно36демонстрирует сложную реальную структуру современных многокомпонентныхнеорганических материалов.
Почти единственный путь получения такоймикроструктуры, необходимой для рекордных сверхпроводящих характеристик,— кристаллизация расплава, так как в нем скорость диффузии компонентовгораздо выше, чем в твердом теле. Кроме того, из-за относительно малой вязкостирасплава возможна “подстройка” формирующихся анизотропных кристаллитовдруг относительно друга, как совпадающих частей мозаики. Ансамблипсевдомонокристаллических областей, размер которых может достигать 0.5 – 5см,являютсяосновныммотивоммикроструктурывслучаекрупнокристаллической ВТСП-керамики, полученной из расплава.
Каждый доменявляется агрегатом ламелей (5-50 нм) фазы RBa2Cu3Oz.Пластинки ориентированы параллельно друг другу и разделены малоугловымиграницами, что делает их проницаемыми для протекания тока (полированныеторцы пластинчатых кристаллов видны на фотографии). Микроструктура ВТСПкерамики, текстурированной с использованием расплавных методов,характеризуется существованием различных типов протяженных дефектов, такихкак двойниковые границы (они видны на фотографии как чередующиеся красныеи желто-розовые полоски на пластинчатых кристаллитах), высокодисперсныевключения несверхпроводящих фаз (в данном случае – зерна «зеленой фазы»Y2BaCuO5), дислокации, микро- и макротрещины. Таким образом, реальнаяструктура ВТСП-керамики, полученной из расплава, может быть рассмотрена каксистема с ярко выраженными «коллективными» сверхпроводящими свойствами,являющимися результатом специфических механизмов кристаллизации.Псевдомонокристаллические домены образуют макроскопические агрегаты, через37которые потенциально могут протекать большие токи (гораздо больше, чем вобычных металлах-проводниках), поскольку микроструктурно они представляютсобой систему с чистыми сверхпроводящими границами и двуоснотекстурированными кристаллитами.
Большое количество дефектов способствуетобразованию системы эффективных центров захвата так называемых вихрейАбрикосова (магнитных флюксоидов), которые необходимо «пришпилить»дефектами (pinning), чтобы они не гуляли свободно по сверхпроводнику всверхпроводящем состоянии, рассеивая энергию и приводя к возникновениюэлектрического сопротивления.«Проблемы роста».
Ростовая микроморфология прожилок пенокерамики(оптическая микроскопия в поляризованном свете). Видны островки роста наповерхности пенокерамики, а также эшелоны ступеней роста. Образец нешлифован и сохраняет естественные неровности поверхности, в которых«записана» история кристаллизации образца.38«Выживает быстрейший». Направленная кристаллизация слоя ВТСП-фазыв концентрационном градиенте ионов редкоземельных элементов(оптическая микроскопия в поляризованном свете). Данный уникальный методпозволяет осуществлять управляемое самотекстурирование растущих ВТСПкристаллов одновременно на всем протяжении ленты или поверхности, накоторой напечатан рисунок из различных по составу компонентовкристаллизующейся системы.Принцип геометрической селекции при массовой кристаллизации.39«Пиршество скелетных кристаллов».
Образование первых кристалловнеодим-бариевого ВТСП-купрата Nd1+xBa2-xCu3Oz при охлаждении расплава,содержащегоигольчатыекристаллыпроперитектическойфазыNd4Ba2Cu2O10 (оптическая микроскопия в поляризованном свете). ФормированиеВТСП-купрата происходит в условиях «голодания» (недостатка компонентов дляроста), что приводит к формированию только наиболее быстро растущих граней,поглощающих практически все доступное вещество для роста из питательнойсреды-расплава, в то время как остальные участки не имеют возможностейобразовываться со сколь либо заметной скоростью. В результате формируетсяреберная или так называемая скелетная форма кристаллов, которые при ростетребуют растворения игольчатых кристаллов, являющихся своеобразной «пищей»для скелетной формы ВТСП-купрата. Потенциально все игольчатые кристаллымогут трансформироваться в скелетные с течением времени.«Индивидуальностькристаллита».Ростовыедефектыотдельногокристаллита РЗЭ-бариевого купрата (цифровой электронный микроскоп LeoSupra 50 VP, Германия).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
