Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ БЕЗТИГЕЛЬНОГО ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ YBa2Cu3O 7-δ
СПОСОБ БЕЗТИГЕЛЬНОГО ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ YBa2Cu3O 7-δ

СПОСОБ БЕЗТИГЕЛЬНОГО ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ YBa2Cu3O 7-δ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к металлургии высокотемпературных сверхпроводников. Целью изобретения является увеличение линейных размеров монокристаллов и повышение процента их выхода. Изобретение сводится к тому, что используется безтигельный способ получения монокристаллов YBa2Cu3O7-δ с применением диффузионных пар состава: смесь Y2BaCuO5+Ba3Cu5O8-<δ> - смесь Y2BaCuO5+xBa3Cu5O8-<δ> , где x ∈ 1,0-1,3, при этом происходит непосредственный прямой синтез сверхпроводящего соединения из жидкой фазы L и твердого Y2BaCuO5 по суммарной перетектической реакции Y2BaCuO5+L_→ YBa2Cu3O7-δ. 3 ил., 1 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2038430
Класс(ы) патента: C30B13/02, C30B9/06, C30B29/22
Номер заявки: 4947690/26
Дата подачи заявки: 21.06.1991
Дата публикации: 27.06.1995
Заявитель(и): Институт физики твердого тела и полупроводников АН Республики Беларусь (BY)
Автор(ы): Шамбалев Виктор Николаевич[BY]; Каланда Николай Александрович[BY]; Паньков Владимир Васильевич[BY]; Бухтеева Людмила Николаевна[BY]; Езерская Тамара Васильевна[BY]
Патентообладатель(и): Институт физики твердого тела и полупроводников АН Республики Беларусь (BY)
Описание изобретения: Изобретение относится к металлургии высокотемпературных сверхпроводников, в частности к выращиванию монокристаллов высокотемпературных сверхпроводников (BTСП) YBa2Cu3O7-б.
Известен способ получения монокристаллов YBa2Cu3O7-б путем медленного охлаждения раствора-расплава в тигле из окиси иттрия [1] Так как оксид иттрия является одним из компонентов соединения YBa2Cu3O7-б, то при данной методике синтеза монокристаллов не происходит внедрение примесей из тигля в получаемый материал.
Однако получение монокристаллов раствор-расплавным способом требует поддержания точного соотношения между количеством компонентов кристаллообразующих. Обогащение же жидкой фазы оксидом иттрия из материала тигля дает возможность выращивать монокристаллы с размером только 4х4х0,1 мм. Данное обстоятельство объясняется отклонением от равновесных условий процесса синтеза. С другой стороны, в раствор-расплавном способе крайне низок процентный (от общего количества использующихся кристаллообразующих) выход получаемого материала (монокристаллов).
Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ получения монокристаллов YBa2Cu3O7-б, представляющий водоизменение расплавного способа [2] Он заключается в синтезе монокристаллов в многослойной таблетке, состоящий из последовательно чередующихся слоев двух компонентов: 1 компонент YBa2Cu3Ox, 2 компонент смесь YBa8Cu9Oxи YBa8Cu9FwOz. Температура плавления второго компонента ниже первого. Многослойная таблетка, составленная из слоев различных компонентов, выдерживалась при температуре частичного плавления 2-го компонента (1233 К) до 20 ч и затем медленно охлаждалась. Монокристаллы вырастали в пустотах, образовавшихся в слоях второго компонента.
Общими существенными признаками предлагаемого способа и способа-прототипа являются следующие технологические операции: использование для синтеза монокристаллов конфигурации диффузионных пар, выдержка при температуре плавления одного из компонентов и использование кислородной атмосферы в процессе синтеза.
Недостатком способа-прототипа является получение малых размеров кристаллов с малым процентом их выхода.
Целью изобретения является увеличение размеров монокристаллов и повышение процентов их выхода.
Для этого в предлагаемом способе безтигельного получения монокристаллов YBa2Cu3O7-б, включающий обжиг в атмосфере кислорода при температуре плавления одного из компонентов с последующим медленным охлаждением, в котором используется диффузионная пара в виде нижней таблетки Y2BaCuO5 + Ba3Cu5O8-б и верхней таблетки Y2BaCuO5 + xBa3Cu5O8-б, где x ∈ 1,0-1,3.
Известно, что в способе-прототипе изначально используется большое количество первичных центров кристаллизации на межфазовых границах раздела, которые представляют собой предварительно синтезированную поликристаллическую фазу YBa2Cu3O7-б.
В способе-прототипе в качестве более легкоплавкого компонента диффузионной пары используется смесь YBa8Cu9Ox YBa8Cu9FwOz, плавление которой, как обнаружено, происходит при 1233 К и, скорее всего, способствует образованию монокристаллов YBa2Cu3Ox только за счет рекристаллизации приграничных участков поликристаллической фазы YBaxCu3Ox. На это указывает и тот факт, что мелкие монокристаллы образуются не в поликристаллическом слое смесей YBa8Cu9Ox YBaxCu9FwOz. Такого рода рекристаллизационные процессы не могут привести к росту крупных монокристаллов, а сам процесс синтеза является крайне неконтролируемым: только в 50% можно добиться удачного эксперимента, т.е. роста монокристаллов. Кроме того, в способе-прототипе указывается, что монокристаллы могут образовываться лишь в нескольких участках "диффузионного сэндвича". Следовательно, подавляющая часть исходных компонентов просто не участвует в синтезе, что приводит к большому расходу исходных компонентов в ходе эксперимента и крайне малому выходу продукта реакции монокристаллов.
В отличие от способа-прототипа в предлагаемом способе происходит не перекристаллизация уже имевшегося изначально поликристаллического соединения YBa2Cu3Ox, а непосредственный прямой синтез сверхпроводящего соединения из жидкой фазы L и твердого Y2BaCuO5 по суммарной перетектической реакции: Y2BaCuO5 + L->>YBa2Cu3O7-б. Температурный интервал этой реакции составляет 1252-1303 К. Жидкая фаза образуется, главным образом, в верхней таблетке смеси Y2BaCuO5 + x˙Ba3Cu5O8-бдиффузионной пары за счет превышения температуры плавления эвтектики BaCuO2 CuO, плавления соединения BaCuO2 и образования равновесной твердожидкофазной системы: Y2BaCuO5 L. Жидкая фаза в указанном температурном диапазоне состоит из раствора YBa2Cu3O7-б в расплаве эвтектики. Падение температуры ниже 1293 К приводит к кристаллизации из жидкой фазы YBa2Cu3O7-б. Существующий в отличие от способа-прототипа поток жидкости вокруг синтезируемого монокристалла осуществляет доставку новых порций исходных компонентов для реакции. После кристаллизации YBa2Cu3O7-б из жидкой фазы ее состав должен измениться и обедниться кристаллообразующими компонентами, поэтому в способе-прототипе кристаллизация прекращается, а размер монокристаллов не увеличивается. В предлагаемом способе взаимодействие жидкой фазы с твердой фазой Y2BaCuO5приводит к разложению последней на раствор YBa2Cu3O7-б в расплаве эвтектики BaCuO2 CuO, что обеспечивает постоянное пересыщение (при соответствующих термодинамических условиях) раствора YBa2Cu3O7-б в расплаве эвтектики и интенсификацию процессов роста монокристаллов YBa2Cu3O7-б.
Меньшая доля жидкой фазы, в отличие от способа-прототипа, присутствует и в нижней таблетке диффузионной пары. Она образуется там в соответствии с аналогичными процессами плавления в верхней таблетке. Наличие гомогенного распределения жидкости в нижней таблетке ускоряет процесс образования монокристаллов и способствует за счет проникновения жидкости из верхней таблетки в нижнюю направленной кристаллизации в наиболее дефектной плоскости монокристаллов YBa2Cu3O7-б.
Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".
В отличие от способа-прототипа возникающие путем протекания твердожидкофазной реакции первичные монокристаллы из-за наличия всего лишь нескольких потоков жидкости из верхней таблетки начинают кристаллизоваться на первоначальной границе раздела между таблетками. Условия эксперимента, осуществляемые в предлагаемом способе, создают лишь крайне ограниченное число кристаллообразующих зародышей. Последующий рост монокристаллов происходит за счет кристаллизации материала из потока жидкой фазы. Данный процесс уменьшает число образующихся в диффузионной паре монокристаллов до двух-трех. Естественно их размер становится достаточно большим и сопоставим с размерами используемых для диффузионных пар таблеток.
Рост ограниченного числа больших монокристаллов YBa2Cu3O7-б из раствора в расплаве за счет постепенного возникновения новых кристаллообразующих в ходе синтеза, а также использование приблизительно стехиометрического соотношения исходных компонентов позволяет рационально расходовать реактивы и синтезировать монокристаллы почти с 80%-ным выходом основного вещества.
Сравнение предлагаемого способа с другими способами получения монокристаллов YBa2Cu3O7-б показало отсутствие подобного метода безтигельного синтеза крупных монокристаллов. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".
На фиг. 1 показана схема получения монокристаллов YBa2Cu3O7-б по способу-прототипу; на фиг.2 и 3 образование монокристаллов YBa2Cu3O7-бв диффузионной паре (Y2BaCuO5 + Ba3Cu5O8-б) (Y2BaCuO5 + x˙Ba3Cu5O8-бдо синтеза и после синтеза соответственно.
В таблице представлены технические характеристики монокристаллов, полученных известными и предлагаемым способом.
П р и м е р. Составы Y2BaCuO5 и Ba3Cu5O8-б синтезировали из соответствующих смесей Y2O3, BaCO3 и CuO по обычной керамической технологии на воздухе при 1223 и 1133 К соответственно. Из полученных порошков Y2BaCuO5 и Ba3Cu5O8-б прессовали механические смеси (Y2BaCuO5 + +Ba3Cu5O8-б) нижняя таблетка и (Y2BaCuO5 + 1,2˙Ba3Cu5O8-б) верхняя таблетка. Размеры таблеток: 10 мм, высота 5 мм. Уложенные друг на друга таблетки в виде диффузионной пары помещают на подложке из окиси магния в трубчатую печь с давлением кислорода PO2<MV> 2˙105 Па, снабженную высокоточным терморегулятором РИФ-101, и быстро нагревают до 1303 К. Через 2-3 мин после достижения указанной температуры начинают охлаждение со скоростью 0,6 К/ч до 1253 К, охлаждение до 873 К со скоростью 50 К/ч. На последнем этапе процесса температуру снижают в режиме выключенной печи. Из синтезированной диффузионной пары механически выделяют монокристаллы YBa2Cu3O7-б размером не менее 5х5х2 мм3. Индуктивным и резистивным методами измеряют критическую температуру перехода монокристаллов в сверхпроводящее состояние, которая равна Тс 93 К, при ширине перехода ΔТc < 1 К.
Формула изобретения: СПОСОБ БЕЗТИГЕЛЬНОГО ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ YBa2Cu3O7-б путем взаимодействия твердая фаза жидкость в диффузионной зоне двух контактирующих таблеток, содержащих исходные компоненты и растворитель, при нагреве в атмосфере кислорода с последующей выдержкой и охлаждением, отличающийся тем, что, с целью увеличения размеров кристаллов и повышения процента их выхода, используют таблетку состава Y2BaCuO5 - Ba3Cu5O8-б и размещенную на ней таблетку состава Y2BaCuO5 xBa3Cu5O8-б, где x 1,0 1,3, и нагрев ведут до температуры перитектики.