بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش تاثیر اضافه کردن دو نانوذره اکسید نقره و سیلیکون کاربید بر ساختار و خواص ابررسانایی ابررساناي دماي بالاي YBa2Cu3O7-x مطالعه شد.نانوذرات اکسید نقره به روش همرسوبی معکوس در محیط NaOH و آمونیاك تهیه شد. نتایج حاصل از طیف نگاري پراش پرتو ایکس و میکروسکوپ الکترونی روبشی اثر میدان - FESEM - نشان دهنده ذراتی تک فاز و با ابعاد حدودي 200 نانومتر است. ابررساناي YBa2Cu3O7-x به روش استاندارد حالت جامد تهیه شد.
نانوذرات اکسید نقره در یک نمونه با درصد وزنی 1 و در نمونه دیگر نانوذره اکسید نقره با همان درصد وزنی و سیلیکون کاربید SiC با درصد وزنی 0/5 به ابررسانا اضافه شد. نتایج حاصل از طیف نگاري اشعه ایکس نشان داد هیچ پیکی متناظر باAg2O یا SiC و یا دیگر ترکیبات آن مشاهده نمی شود. علاوه بر آن داده هاي به دست آمده از تغییرات مقاومت بر حسب دما نشان دهنده افزایش دماي بحرانی ابررسانا به ازاي اضافه شدن اکسید نقره و کاهش آن همزمان با اضافه شدن نانوذرات سیلیکون کاربید است.
کلمات کلیدي: ابررساناي YBCO، نانوذرات Ag2O، نانوذرات SiC
مقدمه
یکی از مهم ترین ملزومات به کارگیري سرامیک هاي ابررساناهاي دماي بالا در کاربردهاي مهندسی همانند تعلیق ابررسانایی، موتورها و کابل هاي ابررسانا، افزایش خواص مغناطیسی و به طور خاص افزایش چگالی جریان بحرانی است.علاوه بر آن بهبود خواص مکانیکی سرامیک هاي ابررسانا در این زمینه از اهمیتی بالا برخوردار است. افزایش چگالی جریان بحرانی در این گونه مواد با ایجاد نقاط میخکوبی شار امکان پذیر است.این نقاط یا به صورت طبیعی - مثل انواع نقص هاي شبکه اي - ویا به صورت مصنوعی - اضافه کردن و توزیع مناسب فازهاي غیرابررسانا در ماتریس ابررسانا - ایجاد می شود. در حال حاضر یکی از بهترین روش هاي ایجاد نقاط میخکوبی شار به صورت مصنوعی وارد کردن مواد نانو در قالب فازهاي غیر ابررسانا به ماتریس ابررسانا است. [1]
استفاده از نانومواد در ماتریس ابررسانا برخی پارامترهاي ابررسانا مثل دماي بحرانی را دستخوش تغییرات می کند1]و2و6و7و[9 نانوذرات مختلفی به ابررسانا اضافه شده اند که ازآن جمله می توان به NiO, Y2O3، ZrO2، ZnO، ، SnO2و Al2O3 اشاره کرد. [3] در این میان سیلیکون کاربید تاثیر بسیار خوبی در افزایش چگالی جریان بحرانی ابررساناي MgB2 داشته است. [4] علاوه بر آن اضافه کردن این نانوذره به ابررساناي دماي بالاي پایه بیسموت چگالی جریان بحرانی را تا دو برابر افزایش داده است .[5]به منظور افزایش خاصیت مکانیکی سرامیک هاي ابررسانا، معمولاً Au یا Ag یا Ag2O اضافه می کنند. نقره تا درصد معینی فضاي بین دانه اي را در سرامیک هاي ابررسانا پر می کند و به این ترتیب به افزایش خواص مکانیکی سیستم منجر می شود.
از طرفی دیگر با افزایش درصد آلایش، این نانوذرات در فضاي بین دانه اي نیز نفوذ کرده که نتیجه آن افزایش چگالی جریان بحرانی است. [6]استفاده از نقره در ابررسانا علاوه بر مزایاي گفته شده به افزایش ماندگاري ابررسانا نیز منجر خواهد شد. نمونه هاي ابررسانایی که در حین فرایند ساخت، بدان نقره اضافه شده چگالی جریان بحرانی و خواص مغناطیسی خود را چند سال پس از ساخت همچنان حفظ کرده اند.[7]در این پژوهش نانوذرات اکسید نقره به روش همرسوبی معکوس در آزمایشگاه سنتز و نانوذرات سیلیکون کاربید با خلوص بالا تهیه شد. سپس اثر اضافه کردن آن بر خواص ابررسانایی ابررساناي دماي بالاي YBa2Cu3O7-x مطالعه گردید.
کار آزمایشگاهی
الف - تولید نانوذرات اکسید نقره براي تولید نانوذرات اکسید نقره از نیترات نقره 6 آبه با خلوص99/99 استفاده شد. محلول 0/2 مولار آن در 45 میلی لیتر آب یونزدایی شده حل شد. همزمان و به صورت جداگانه محلول 0/3مولار هیدروکسید سدیم و محلول 0/1 مولار آمونیاك %25 در 200میلی لیتر آب یونزدایی شده حل شد. دو محلول اخیر را درون حمام روغن با دماي 50 درجه سانتیگراد مخلوط کرده و محلول نیترات نقره را قطره قطره به آرامی و در حضور همزن مغناطیسی ومحیط تاریک بدان اضافه کردیم. با ورود قطرات نیترات نقره رنگ محلول به زرد خردلی تفییر کرد. این فرایند تا اتمام کامل نیترات نقره ادامه پیدا کرد.
پس از آن براي کامل شدن فرایند رسوب، حرارت دهی همزمان با همزن مغناطیسی به مدت 2 ساعت ادامه پیدا کرد.پس از اتمام فرایند، رسوب قهوه اي پررنگی در انتهاي بشر تشکیل شد. این رسوب به کمک سانتریفیوژ - سه مرحله با آب یون زدایی شده و یک مرحله با اتانول و سرعت 7000 دور بر دقیقه - شستشو داده شد. رسوب به دست آمده در آون خلا در دماي 50 درجه سانتی گراد و به مدت 12 ساعت خشک شد.نانوذرات سیلیکون کاربید با ابعاد زیر 100 نانومتر از شرکت ایرانی نانوآویژه و با خلوص بالا تهیه و در این پژوهش به کار گرفته شد.
ب - تولید ابررساناي YBa2Cu3O7-xابررساناي YBa2Cu3O7-x به روش استاندارد حالت جامد ازپیش ماده هاي Y2O3، BaCO3 و CuO با خلوص بالا و به نسبت 1:2:3 در بال میل زیرکونیا و در حضور مقدار اندکی اتانول به مدت 6 ساعت و با سرعت 300 دور بر دقیقه آسیا شد. مخلوط به دست آمده در دماي 920 درجه سانتیگراد و به مدت 16 ساعت کلسینه شد. براي به دست آوردن ابررسانایی با کیفیت بالاترعملیات کلسینه کردن سه مرتبه تکرار شد و در هر مرحله پودر به دست آمده به دقت آسیاکاري گردید.
ج - ساخت ابررساناي آلاییده شده پودر به دست آمده در سه نمونه با مشخصات: نمونه خالص،نمونه با 1 درصد وزنی نانوذره اکسید نقره و نمونه با 1 درصدوزنی اکسید نقره به همراه 0/5 درصد وزنی نانوذره سیلیکون کاربید به دقت توزین و در هاون عقیق هر کدام به مدت 3 ساعت آسیا و مخلوط شد. پودر به دست آمده به شکل قرص هایی با قطر1/2 سانتی متر و ضخامت 2 میلی متر تهیه شد و عملیات بازپخت آن ها در دماي 930 درجه سانتی گراد به مدت 12 ساعت انجام شد.
نمونه براي جبران اکسیژن از دست رفته در دماي 460 درجه سانتی گراد و با فشار 210 میلی بار تحت فلوي گاز اکسیژن به مدت 10 ساعت انیل شد. از قرص هاي به دست آمده آنالیز اشعهایکس و اندازه گیري مقاومت بر حسب دما گرفته شد.آنالیز اشعه ایکس با دستگاه Bruker مدل D8 و با گام 0/02،تصاویر FESEM با میکروسکوپ مدل MIRA3TESCAN-XMUپژوهشگاه رازي و اندازه گیري مقاومت الکتریکی بر حسب دما باتجهیزات الکترونیکی کیستلی و کرایوستات ساخت شرکت ایرانی زمهیرسازان پیشتاز انجام شده است.
بحث و نتایج
شکل 1 الف - ، نتایج طیف پراش اشعه ایکس نانوذرات اکسیدنقره سنتز شده است. از مقایسه این طیف با کارت استاندارد به شماره - 01-1041 - مشخص شد ذرات سنتز شده اکسید نقره تک فاز با ساختار مکعبی و گروه فضایی Pm3m است. اندازه گیري ابعاد بلورك ها و کرنش سیستم با استفاده از روش ویلیامسون-هال، مقادیر حدودا 49/9 نانومتر و 0/0056 را نشان داد. از نمونه سیلیکون کاربید نیز آنالیز اشعه ایکس گرفته شد که نتایج آن در شکل 1 ب - نشان داده شده است. بر طبق این اندازه گیري نانوذرات سیلیکون کاربید در فاز مکعبی با گروه فضایی F-43mقرار دارند. آتار اندکی از وجود فاز هگزاگونال SiC با گروه فضایی P63mc در شانه پیک اصلی و پهن شدگی آن در حوالی زاویه 32 درجه مشاهده می شود. ابعاد بلورك ها در این نمونه حدود 10 نانومتر تخمین زده شد.
شکل 2 تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی اثر میدانFESEM از نمونه Ag2O است. همان طور که از این آنالیزمشاهده می شود نانوذرات با توزیعی گسترده از 50 نانومتر تامقادیر بالاي 250 نانومتر توزیع شده اند اما به صورت تقریبی درمحدوده 200 نانومتر قرار گرفته اند. با توجه به ابعاد به دست آمده از رابطه ویلیامسون-هال براي ابعاد بلورك ها، هر ذره از چندین بلورك تشکیل شده که نشان می دهد شرایط آزمایشگاهی می تواندبراي تولید ذراتی کوچکتر بهینه شود. این شرایط می تواند سرعت هم زدن محلول سود و آمونیاك، نحوه ریختن محلول نیترات نقره روي محلول، دماي نمونه حین ساخت و سرعت سانتریفیوژ باشد.از نمونه ابررساناي پس از کلسینه شدن و پس از آلایش با
نانوذرات نیز طیف پراش اشعه ایکس گرفته شد.
تغییرات محسوسی در الگوي پراش، همان طور که در شکل 3 نشان داده شده است، مشاهده نشد. ظاهراً ارتفاع پیک هاي نانومواد آلایش شده کمتر از %5 بالاترین پیک ابررسانا است و لذا در نویزهاي الگوي پراش قرار گرفته و اثري از آن دیده نمی شود. ابعاد بلورك ها در نمونه آلاییده به نقره کاهش یافت که می توان آن را به قرارگیري نقره در فضاي بین دانه اي نسبت داد [8] قرار گیري این نانوذرات از رشد بیشتر بلورك جلوگیري کرده است - جدول - 1
