СПОСОБ БЕЗТИГЕЛЬНОГО ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ YBaCuO Российский патент 1995 года по МПК C30B13/02 C30B9/06 C30B29/22 

Описание патента на изобретение RU2038430C1

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<196>>>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.

Похожие патенты RU2038430C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ПЛЕНОК 1990
  • Паньков Владимир Васильевич[By]
  • Шамбалев Виктор Николаевич[By]
  • Каланда Николай Александрович[By]
  • Гременок Валерий Феликсович[By]
RU2054212C1
АМОРФНОЕ МАГНИТОМЯГКОЕ ПОКРЫТИЕ КОБАЛЬТ-ФОСФОР-МАРГАНЕЦ 1992
  • Федосюк Валерий Михайлович[By]
  • Козич Надежда Николаевна[By]
  • Малюш Мария Максимовна[By]
  • Дмитриева Алла Эдуардовна[By]
RU2069400C1
АМОРФНОЕ МАГНИТОМЯГКОЕ ПОКРЫТИЕ КОБАЛЬТ-ФОСФОР-АЛЮМИНИЙ 1992
  • Федосюк Валерий Михайлович[By]
  • Козич Надежда Николаевна[By]
  • Малюш Мария Максимовна[By]
  • Дмитриева Алла Эдуардовна[By]
RU2069401C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА В ТОНКИХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНКАХ 1991
  • Алиновская Лина Александровна[By]
  • Ковалева Лариса Васильевна[By]
  • Бухтеева Людмила Николаевна[By]
  • Фоменко Раиса Степановна[By]
RU2025719C1
СПОСОБ ВОЛОЧЕНИЯ НАГРЕВОСТОЙКОГО КАБЕЛЯ 1992
  • Клубович Владимир Владимирович[By]
  • Рубаник Василий Васильевич[By]
  • Царенко Юрий Валентинович[By]
RU2060852C1
ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА 1991
  • Шипило В.Б.
  • Гамеза Л.М.
RU2034642C1
МНОГОСЛОЙНОЕ АМОРФНОЕ МАГНИТОМЯГКОЕ ПОКРЫТИЕ 1991
  • Шелег Михаил Устинович[By]
  • Федосюк Валерий Михайлович[By]
  • Касютич Оксана Ивановна[By]
RU2069913C1
ГИБКИЙ АБРАЗИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ 1989
  • Клубович В.В.
  • Луцко В.Ф.
  • Еремеев А.С.
  • Чарковский А.В.
  • Кукушкин Л.М.
RU2030285C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ МЕТОДОМ ВЕРТИКАЛЬНО НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ 1985
  • Белевич Н.Н.
  • Груцо С.А.
  • Маковецкая Л.А.
SU1332886A1
Способ получения сегнетоэлектрической керамики 1980
  • Луцевич Альфреда Болеславовна
  • Исупов Владислав Александрович
SU908775A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 038 430 C1

Реферат патента 1995 года СПОСОБ БЕЗТИГЕЛЬНОГО ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ YBaCuO

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.

Формула изобретения RU 2 038 430 C1

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1995 года RU2038430C1

Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1
Ronaka T
et al
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1
Growtk
Механическая топочная решетка с наклонными частью подвижными, частью неподвижными колосниковыми элементами 1917
  • Р.К. Каблиц
SU1988A1

RU 2 038 430 C1

Авторы

Шамбалев Виктор Николаевич[By]

Каланда Николай Александрович[By]

Паньков Владимир Васильевич[By]

Бухтеева Людмила Николаевна[By]

Езерская Тамара Васильевна[By]

Даты

1995-06-27Публикация

1991-06-21Подача