بخشی از مقاله
چکیده
امروزه تهیه مواد ابررسانا با دماي گذار بالا - نزدیک به دماي محیط - همچون مواد ابررساناي پایه بیسموت در تهیه سیم ابررسانا، توجه زیادي را بخود جلب نموده است. در اینتحقیق تولید پودر سرامیکی Bi2212 جهت کاربرد در سیمابررسانا مورد مطالعه قرار گرفته و جهت این امر با استفاده از پودر هاي فلزات مس و بیسموت، و تر کیبات پراکسید استرانسیم و اکسید کلسیم، پارامترهاي موثر بر تولید آن از جمله زمان آسیاب مواد اولیه، فشار پرس جهت تهیه قرص و دماي فعل و انفعال جهت تشکیل فاز هاي مطلوب موردبررسی واقع شده و نتایج حاصل از شرایط مختلف تولید توسط آنالیز XRD و نمودار مقاومت ویژه – دما - Resistivity -Temperature - مطالعه و مورد تحلیلقرارگرفته است. نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد کهشرایط بهینه، زمان 30 دقیقه آسیاب مواد اولیه، فشار پرس150 مگاپاسکال و دماي سنتز 900 درجه سانتی گراد براي تولید پودر ابررساناي پایه بیسموت با دماي گزار 80 درجهکلوین می باشد.
واژههاي کلیدي: ابررسانا، پودر سرامیکی، پایه بیسموت ، سیم ابررسانا، دماي گذار، پراکسید استرانسیم، اکسید کلسیم
-1 مقدمه:
پدیده ابررسانایی یا محو شدن مقاومت الکتریکی با کاهش دما حاوي نتایج قابل تاملی چون ذخیره انرژي الکتریکی، کاهش گرماي اتلاف، کاهش اصطکاك و ذخیره حجمی می باشد.[1]امروزه انواع مواد ابررساناي عنصري، آلیاژي، سرامیک هايغیر اکسیدي و اکسیدي در دو دسته بندي دما بالا و دما پایین به روش هاي مختلف تهیه و جهت استفاده در موارد معین شکل داده می شوند .[2]در این میان سیم هاي ابررسانا نقش مهم تري یافته اند که ازآن جمله می توان به کابل هاي ابررسانا، فلایویل ها، موتورهاي الکتریکی، مگنت هاي ذخیره ساز انرژي، کنترل کننده هاي جریان خطا، ژنراتورها، و ترانسفورماتورها اشارهکرد.[3]کاربردهاي فوق همگی وابسته به استفاده از یک سیم ابررسانابا خواص قابل قبول می باشند و ایجاد و توزیع مناسب این مشخصات تابع تهیه پودر در شرایط بهینه و با خلوص بالاست.به همین منظور دسته بندي محدودي از پودرهاي با قابلیتتولید صنعتی و مصرف عمده در صنایع ایجاد شده است. یکیاز پرکاربردترین این پودرهاي سرامیکی از نوع ابررساناي پایهبیسموت می باشد.[4]شکل 1 تصویري از یک سیم ابررسانا را نشان می دهد.
-2 مراحل آزمایشگاهی:
مواد مورد استفاده در این تحقیق عبارت بودند از پودر هايفلزات مس و بیسموت، و ترکیبات پراکسید استرانسیم واکسید کلسیم که خواص و منابع تهیه آن در جدول 1 خلاصهشده است.مهم ترین تجهیزات و دستگاه هاي فرایندي به کار رفته در این تحقیق عبارت بودند از: ترازوي دیجیتال Shimadzu با دقت چهار رقم اعشار، دستگاه آسیاب ماهواره اي - گلوله اي - pulverisette-6 ساخت شرکت Fritch، پرس هیدرولیک 30تنی تک محور AMC و کوره لوله اي 1200 درجه سانتیگراد ساخت داخل.دستگاه هاي آنالیزي و اندازه گیري خواص نیز عبارت بودند از: دستگاه تفرق اشعه ایکس X’Pert با تابش Cu kα ودستگاه اندازه گیري مقاومت ویژه بر حسب دما - Resistivity-Temperature - با پروب چهارگانه، تماسروش اصلی تهیه این پودر پرس قرص و سنتز در یک کورهحرارتی است.[5]
گزار ش هاي منتشر شده در این زمینه نشان می دهد که اکثر محققان براي دستیابی به ترکیب مطلوب از مواد اولیه مس، استرانسیم، کلسیم و بیسموت به صورت اکسیدي استفادهنموده و تولید پودر با این ترکیب را همراه با حرارت دهی طولانی و در زمان هاي 20-60 ساعت انجام داده اند. از آنجایی که علت اصلی طولانی بودن زمان حرارت دهیبرگرفته از انتخاب اکسیدهاي پایدار عناصر سازنده اولیه است[6] در این تحقیق به جاي ترکیبات گزارش شده منابع مطالعاتی از ترکیب فعال و گرمازاي عناصر فلزي مس و بیسموت و همچنین پراکسید استرانسیم - به عنوان منبعاکسیژن داخلی - و اکسید کلسیم - به عنوان پرکننده - استفادهشد. انتخاب فوق که تاثیر قابل توجهی بر زمان سنتز داشته وآن را به میزان زیادي کاهش داده است یک کار جدید به حساب آمده و گزارشی با ترکیب فوق در بررسی ها یافت نشده است.
جهت تهیه این پودر ابر رسانا از ترکیب پودري Bi-SrO2-CaO-Cu به نسبت 2-2/7-2-2/4 استفاده شد. این مخلوطپودري سپس به مدت زمانهاي 10، 20 ، 30 و 40 دقیقه دریک آسیاب گلوله اي ماهواره اي که از محفظه و گلوله هاي زیرکنیایی تشکیل شده بود آسیاب شده و تحت فشار هاي50، 100، 150 و 200 مگاپاسکال به شکل قرص به قطر 10 وضخامت 4 میلی متر درآمده و قرص ها در کوره لوله اي دردماهاي 800، 850 و 900 درجه سانتی گراد جهت انجام فرایند هاي واکنشی قرار گرفتند تا فاز مطلوب Bi2212 بهدست آید. در نهایت به کمک آنالیز تفرق اشعه ایکس - XRD - و منحنی مقاومت ویژه بر حسب دما، تاثیر پارامترهاي مختلف بر تشکیل فازهاي مورد نظر انجام گرفت.
-3 نتایج و بحث:
در شکل 2 تاثیر زمان آسیاب 10، 20، 30 و 40 دقیقه بر فازهاي تشکیل شده در فشار پرس ثابت 100 مگاپاسکال و دماي ثابت 850 درجه سانتیگراد دیده می شود.چنانچه در شکل مشاهده می شود اگر چه در زمان هايمختلف فاز هاي مطلوب تشکیل شده به همراه ناخالصی هاییدیده می شوند اما ترکیب آسیاب شده به مدت زمان 30 دقیقه - نمونه - A نسبت به بقیه زمان ها به نتایج دقیقتر و تقریبا حذف ناخالصی ها منجر شده است. علت این امر را می توان در یکنواختی بیشتر و ریزتر شدن ذرات دانست. همان طورکه می دانیم نقش اصلی آسیاب ریز تر کردن مواد است اما دراین فرآیند توام با ریز تر شدن ذرات احتمال قرار گرفتن مواد چهار گانه اولیه - عناصر فلزي مس، بیسموت، و ترکیباتپراکسید استرانسیم، و اکسید کلسیم - در کنار هم بیشتر میشود و بنابر این احتمال تشکیل فاز هاي مطلوب نیز بیشترگشته و همین امر سبب بهتر و با کیفیت شدن نتایج در زمان30 دقیقه آسیاب نسبت به زمان هاي دیگر شده است.
نکتهقابل تامل و قابل بحث اینجاست که در زمان بالاتر تغییر عمده اي در نتایج مشاهده نشده است. دلیل این موضوعکاهش راندمان آسیاب پس از یک دوره ریز کردن ذرات می
باشد.درشکل 3 اثر فشار پرس 50، 100، 150 و 200 مگاپاسکال در دماي ثابت 850 درجه سانتی گراد و زمان آسیاب 30 دقیقهبر روي فازهاي تشکیل شده مشاهده می شود.چنانچه در شکل دیده می شود ترکیب تهیه شده در فشارپرس 150 مگاپاسکال - نمونه - B به ترکیب ابررساناي مورد نظر نزدیکتر است و فشار هاي پرس کمتر و یا بیشتر شرایط بهینه را فراهم ننموده است.شکل 2 نمودار تفرق اشعه ایکس نمونه هاي آسیاب شده در زمان هاي 10، 20، 30 و 40 دقیقه، پرس شده تحت فشار 100 مگاپاسکال، و دماي کوره 850 درجه سانتیگراد
