Способ изготовления контактов к сверхпроводящей керамике

 

Сущность изобретения: способ изготовления контактов к сверхпроводящей керамике включает прессование порошка ВТСП керамики с введенными в него имплантантами из благородного металла с использованием энергии взрыва при давлении ударной волны менее 6 ГПа и температуре прессуемого материала, составляющей величину менее температуры плавления металла имплантанта и фаз, составляющих структуру - высокотемпературной сверхпроводящей керамики, и последующий обжиг в проточной окислительной атмосфере.

Изобретение относится к криогенному электромашиностроению, конкретнее к способам изготовления массивных низкоомных металлических контактов к изделиям из высокотемпературной сверхпроводящей (ВТСП) керамики для сильноточных устройств энергетического назначения.

Известен способ (Appl. Phys. Lett. 1988, vol. 52, N12, р. 1014-1016) изготовления низкоомных металлических контактов в ВТСП керамике, включающий расплавление на поверхности образца нескольких (по числу контактов) маленьких кусочков фольги из благородного металла, например, золота или серебра, формирование из расплавленных капелек металла при последующем охлаждении ВТСП керамики, прочно соединенных с ней металлических контактов в виде шариков для припаивания к ним в дальнейшем токопроводящих проводов и обжиг ВТСП керамики с металлическими контактами в атмосфере проточного кислорода.

После такой обработки контактное сопротивление соединения Au/YBa₂Cu₃O_7-X, измеренное при температуре жидкого азота, составило R 50 мкОм, а удельное контактное сопротивление ρ_c≃ 0,5 мкОм˙см²(ρ_c=R_c˙ A_c, где A_c площадь контакта, составившая ≈1˙10^-2 см².

Наиболее близким решением к предлагаемому является способ изготовления низкоомных металлических контактов к ВТСП керамике путем прессования при давлении порядка 1 ГПа порошка ВТСП керамики с введенными в него имплантантами-кусочками проволоки из благородного металла, например золота, и последующего спекания прессовки в окислительной атмосфере.

Согласно этому способу кусочки золотой проволоки диаметром 1 мм и высотой 1 мм устанавливают на дно стального контейнера (пресс-формы), последний заполняют порошком ВТСП керамики УВА₂CuO₃O_7-X, герметизируют и прессуют ВТСП порошок с имплантантами из золотой проволоки на прессе под давлением 0,8 ГПа в таблетки, которые затем спекают 6ч при 950^оС в атмосфере проточного кислорода. К запрессованным в ВТСП керамику золотым контактам подпаивают индиевым припоем медные проволочные токоподводы и измеряют контактное сопротивление R_c при криогенных температурах. Для соединения Au/УВа₂Cu₃O_7-X величина R_c составила при температуре жидкого азота ≃ 100 мкОм, удельное контактное сопротивление ρ_c ≃3мкОм˙см².

Предлагается способ изготовления низкоомных металлических контактов к ВТСП керамике путем взрывного прессования ВТСП порошка с введенными в него имплантантами из благородного металла и последующего окислительного обжига прессовки.

Прессование с использованием энергии взрыва позволяет получать прессовки с плотностью материала, близкой к теоретической.

Предлагаемый способ включает заполнение металлического контейнера порошком ВТСП керамики, размещение в нем имплантантов из благородного металла, например из золота или серебра, герметизацию контейнера, прессование и последующую термообработку в окислительной атмосфере. При этом прессование осуществляют с использованием энергии взрыва, подбирая такой режим прессования, при котором в материале прессовки не образуются трещины и поры и не происходит плавление металла имплантантов и фаз, образующих структуру ВТСР керамики, т. е. температура материала прессовки на фронте распространяющейся в ней ударной волны должна быть ниже температуры плавления металла имплантантов и фаз, образующих структуру ВТСП керамики.

Взрывное прессование весьма эффективно для изготовления плотных массивных прессовок из разнородных материалов, в том числе из ВТСП керамик и металлов. Кроме того, взрывное прессование обеспечивает дополнительные возможности повышения сверхпроводящих характеристик ВТСП материала за счет интенсивного генерирования в нем под действием ударной волны дефектов кристаллического строения, в особенности дислокаций, способствующих увеличению сил пиннинга и, соответственно, повышению критических характеристик сверхпроводимости.

Значительного деформационного нагрева прессовки при взрывном прессовании не происходит, ее средняя температура обычно не превышает 100^оС, что очень существенно для ВТСП керамики, например для керамики УBa₂Cu₃O_7-X сверхпроводящие характеристики заметно ухудшаются при нагреве до 400^оС.

Вместе с тем при взрывном прессовании наблюдается уменьшение содержания кислорода в кристаллической решетке, для восстановления которого до исходного уровня после взрывного прессования прессовки подвергают окислительному обжигу.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом. Металлический контейнер заполняют порошком ВТСП керамики, механически уплотняя порошок по мере заполнения контейнера. После заполнения последнего порошком ВТСП керамики в нее запрессовывают короткие стержни или проволоки из благородного металла, например серебра, контейнер герметизируют и проводят взрывное прессование ВТСП порошка, затем извлекают из контейнера прессовку с серебрянными имплантантами и подвергают окислительному обжигу.

П р и м е р. Порошком сверхпроводящей керамики YBA₂Cu₃O_7-Xзаполняли прямолинейную стальную трубку длиной 100 мм, диаметром 8 мм с толщиной стенки 1 мм. После заполнения трубки порошком в него с обоих концов трубки запрессовывали стержни из чистого серебра длиной 10 мм, диаметром 2 мм, трубку герметизировали стальными заглушками и проводили взрывное прессование трубки с ВТСП порошком во взрывной камере, снабженной электродетонатором для подрыва заряда взрывчатого вещества, в качестве которого использовали, например, аммонит, аммиачную селитру и их смеси.

Взрывное прессование осуществляли по осесимметричной схеме при давлении ударной волны ≈1,5 ГПа. Средняя расчетная температура ВТСП прессовки при таком давлении не превышает 100^о. После окончания взрывного прессования прессовку в виде стержня диаметром 4 мм с серебрянным контактами, заглубленными в ВТСП керамику с обоих торцов стержня вдоль его длинной оси, извлекали из контейнера и обжигали 24 ч при 920^оС в потоке кислорода, обеспечивая таким образом насыщение прессовки кислородом до исходного уровня, поскольку после взрывного прессования содержание кислорода в ВТСП керамике было понижено, обуславливая ухудшение сверхпроводящих характеристик прессовки.

Материал прессовки из ВТСП керамики имел высокую плотность (≈6,0 г/см³) по всей длине стержня, что составляло 94% от теоретической плотности. Прессовка имела гладкую поверхность и не содержала трещин и пор. В структуре прессовки отсутствовали признаки плавления в результате повышения температуры при взрывном прессовании. По данным рентгеноструктурного фазового анализа структура керамики полностью состояла из сверхпроводящей фазы YBa₂Cu₃O_7-X.

Измерения температурной зависимости электросопротивления четырехточным методом показали, что температура перехода материала прессовки в сверхпроводящее состояние составляла T_К=91,5 К при ширине перехода Δ T_K=5 K. Эти данные подтверждают, что изготовленное предложенным способом контактное соединение Ag/ВТСП содержит сверхпроводящую керамическую составляющую YBa₂Cu₃O_7-X.

Измерение контактного сопротивления R_c образцов по четырехточечной схеме при температуре жидкого азота показало, что R_c=1˙10^-8 Ом, а удельное контактное сопротивление ρ_c<1˙10^-8Ом см² при площади контакта ≈ 1 см², что на два порядка ниже величины ρ_c для контактов, изготовленных известным способом (прототипом).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет изготавливать массивные низкоомные контакты к ВТСП керамике с удельным контактным сопротивлением ρ_c<1˙10^-8Ом см² при площади контакта 1 см², обеспечивая высокий уровень сверхпроводящих характеристик ВТСП керамики.

Способ прошел лабораторные испытания.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНТАКТОВ К СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ КЕРАМИКЕ, включающий прессование порошка высокотемпературной сверхпроводящей керамики с введенными в него имплантантами из благородного металла и термическую обработку, отличающийся тем, что прессование проводят с использованием энергии взрыва при давлении ударной волны менее 6 ГПа и температуре прессуемого материала, составляющей величину менее температуры плавления металла имплантата и фаз, составляющих структуру высокотемпературной сверхпроводящей керамики, а термическую обработку проводят в проточном режиме окислительного обжига.