Механічні властивості надпровідних матеріалів на основі MgB₂
Представлено результати дослідження структури і механічних властивостей консолідованих надпровідних матеріалів на основі MgB₂, одержаних в умовах високих тисків і температур та гарячого пресування. Встановлено, що формування включень фаз вищих боридів із стехіометрією близькою до MgB₁₂ істотно вплив...
Збережено в:
| Дата: | 2019 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2019
|
| Назва видання: | Сверхтвердые материалы |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167314 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Механічні властивості надпровідних матеріалів на основі MgB₂ / А.В. Козирєв // Надтверді матеріали. — 2019. — № 3 (239). — С. 90-94. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-167314 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1673142025-02-23T17:13:45Z Механічні властивості надпровідних матеріалів на основі MgB₂ Mechanical Properties of MgB₂-Based Superconductive Materials Козирєв, А.В. Листи до редакції Представлено результати дослідження структури і механічних властивостей консолідованих надпровідних матеріалів на основі MgB₂, одержаних в умовах високих тисків і температур та гарячого пресування. Встановлено, що формування включень фаз вищих боридів із стехіометрією близькою до MgB₁₂ істотно впливає на рівень густини критичного струму та механічних властивостей надпровідних матеріалів, зокрема приводить до збільшення мікротвердості. Присутність добавок Ті і SiС (10 %), що позитивно впливають на рівень надпровідних властивостей, супроводжується зміною механічних властивостей матеріалів, що свідчить про вплив добавок на формування включень MgB₁₂. Представлены результаты исследования структуры и механических свойств консолидированных сверхпроводящих материалов на основе MgB₂, полученных в условиях высоких давлений и температур и горячего прессования. Установлено, что формирование включений фаз высших боридов со стехиометрией, близкой к MgB₁₂, существенно влияет на уровень плотности критического тока и механических свойств сверхпроводящих материалов, в частности, приводит к увеличению микротвердости. Присутствие добавок Тi и SiC (10 %), положительно влияющих на уровень сверхпроводящих свойств, сопровождается также изменением механических свойств, что свидетельствует о влиянии добавок на формирование включений MgB₁₂. Presented are the results of the investigations of the structure and mechanical properties of consolidated MgB₂-based superconducting materials produced under high pressures and temperatures and hot pressing. It is established that the formations of inclusions of higher borides of phases with stoichiometry, close to MgB₁₂, considerably influenced on the level of the density of a critical current and mechanical properties of superconductive materials, in particular, leads to increase of the microhardness. The presence of additions of the Ti and SiC (10%), which positively influences on the level of superconducting properties, accompanies by the change of mechanical properties, which are testify to the influence of the additions on the formations of MgB₁₂ inclusions. Робота виконана в рамках теми III-3-18 (0776) “Наноінженерія нових високоефективних надпровідних і магнітних керамічних композиційних матеріалів та плівкових гетеро структур”. Державний реєстраційний номер роботи 0118U000008, виконується за Постановою Бюро ВФТПМ НАН України від 5.12.2017р., протокол № 17. 2019 Article Механічні властивості надпровідних матеріалів на основі MgB₂ / А.В. Козирєв // Надтверді матеріали. — 2019. — № 3 (239). — С. 90-94. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167314 666.3:539.53 uk Сверхтвердые материалы application/pdf Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Листи до редакції Листи до редакції |
| spellingShingle |
Листи до редакції Листи до редакції Козирєв, А.В. Механічні властивості надпровідних матеріалів на основі MgB₂ Сверхтвердые материалы |
| description |
Представлено результати дослідження структури і механічних властивостей консолідованих надпровідних матеріалів на основі MgB₂, одержаних в умовах високих тисків і температур та гарячого пресування. Встановлено, що формування включень фаз вищих боридів із стехіометрією близькою до MgB₁₂ істотно впливає на рівень густини критичного струму та механічних властивостей надпровідних матеріалів, зокрема приводить до збільшення мікротвердості. Присутність добавок Ті і SiС (10 %), що позитивно впливають на рівень надпровідних властивостей, супроводжується зміною механічних властивостей матеріалів, що свідчить про вплив добавок на формування включень MgB₁₂. |
| format |
Article |
| author |
Козирєв, А.В. |
| author_facet |
Козирєв, А.В. |
| author_sort |
Козирєв, А.В. |
| title |
Механічні властивості надпровідних матеріалів на основі MgB₂ |
| title_short |
Механічні властивості надпровідних матеріалів на основі MgB₂ |
| title_full |
Механічні властивості надпровідних матеріалів на основі MgB₂ |
| title_fullStr |
Механічні властивості надпровідних матеріалів на основі MgB₂ |
| title_full_unstemmed |
Механічні властивості надпровідних матеріалів на основі MgB₂ |
| title_sort |
механічні властивості надпровідних матеріалів на основі mgb₂ |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| publishDate |
2019 |
| topic_facet |
Листи до редакції |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167314 |
| citation_txt |
Механічні властивості надпровідних матеріалів на основі MgB₂ / А.В. Козирєв // Надтверді матеріали. — 2019. — № 3 (239). — С. 90-94. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
| series |
Сверхтвердые материалы |
| work_keys_str_mv |
AT kozirêvav mehaníčnívlastivostínadprovídnihmateríalívnaosnovímgb2 AT kozirêvav mechanicalpropertiesofmgb2basedsuperconductivematerials |
| first_indexed |
2025-11-24T02:49:16Z |
| last_indexed |
2025-11-24T02:49:16Z |
| _version_ |
1849638315856232448 |
| fulltext |
http://stmj.org.ua 90
Листи до редакції
УДК 666.3:539.53
А. В. Козирєв
Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля
НАН України, м. Київ, Україна
artem.v.kozyrev@gmail.com
Механічні властивості надпровідних
матеріалів на основі MgB2
Представлено результати дослідження структури і механіч-
них властивостей консолідованих надпровідних матеріалів на основі MgB2,
одержаних в умовах високих тисків і температур та гарячого пресування.
Встановлено, що формування включень фаз вищих боридів із стехіометрією
близькою до MgB12 істотно впливає на рівень густини критичного струму та
механічних властивостей надпровідних матеріалів, зокрема приводить до збі-
льшення мікротвердості. Присутність добавок Ті і SiС (10 %), що позитивно
впливають на рівень надпровідних властивостей, супроводжується зміною
механічних властивостей матеріалів, що свідчить про вплив добавок на фор-
мування включень MgB12.
Ключові слова: диборид магнію MgB2, вищі бориди магнію, ме-
ханічні властивості.
ВСТУП
Хоча надпровідні матеріали на основі дибориду магнію і не
відноситься до конструкційних матеріалів, їх механічні властивості мають
важливе значення з погляду обробки і використання у пристроях, що працю-
ють в умовах високих магнітних полів і навантажень, наприклад в роторах
надпровідних електромоторів. Авторами [1] було показано, що в структурі
надпровідних матеріалів на основі MgB2, синтезованих із суміші порошків
магнію і бору в умовах високих тисків і температур, спостерігається утворен-
ня щонайменше трьох фаз: матричної, включень чи областей, збагачених
оксигеном, а також дисперсних включень фаз вищих боридів. Включення
обох типів можуть бути центрами піннінгу, тобто місцями закріплення вихо-
рів Абрикосова, тим самим сприяючи збільшенню густини критичного стру-
му і значень критичних магнітних полів. Розмір включень, їх кількість і сте-
хіометрія залежать від параметрів синтезу, а також від присутності легуючих
добавок, зокрема Ті і SiC. Слід зазначити, що включення фаз вищих боридів
не можна визначити методом рентгенофазового аналізу через те, що вони
© А. В. КОЗИРЄВ, 2019
ISSN 0203-3119. Надтверді матеріали, 2019, № 3 91
дрібнодисперсні і їхня кристалічна ґратка містить набагато більше атомів,
ніж проста гексагональна структура MgB2. Тому рефлекси MgB2 є набагато
інтенсивніші, а рефлекси вищих боридів, зокрема MgB12, непомітні на їхньо-
му фоні, тобто зливаються з фоном рентгенограми.
Автори [2] повідомляли, що в зразках, одержаних методом інфільтрації
рідкого магнію (RLI) в дрібнокристалічний бор, мікротвердість при наван-
таженні 1,96 Н становить 6,5 ГПа, а тріщиностійкість – 2,8 МПа⋅м0,5. Вод-
ночас для зразка, одержаного з кристалічного бору, спостерігається значна
розбіжність значень у великих зернах та за їх межами: HV = 35 і 1,9 ГП, а
KIc = 1,8 і 2,6 МПа⋅м0,5 відповідно. Для зразків, одержаних в умовах високих
тисків і температур (2 ГПа, 800 °С, 60 хв) мікротвердість за Віккерсом при
навантаженні 4,9 Н становила 13,1±1,1 ГПа, а для зразка з матричною фа-
зою, що має стехіометрію, близьку до MgB12, отриманого за наступних
умов: 2 ГПа, 1200 °С, 60 хв, – 25,6±2,4 ГПа [1]. Таким чином, можна припу-
стити, що зміна механічних властивостей залежить від присутності фаз
вищих боридів. Для матеріалу на основі MgB2 з 10 % Та, що мав пористість
3–5 %, мікротвердість дорівнювала 12,8±1,1 ГПа (4,9 Н), а тріщиностійкість
при навантаженні 147 Н – 4,1 МПа⋅м0,5 [3].
РЕЗУЛЬТАТИ І ОБГОВОРЕННЯ
В даній роботі було досліджено значну кількість зразків надпровідних
матеріалів на основі MgB2, одержаних із суміші порошків магнію і бору в
широкому діапазоні тисків і температур (30–2000 МПа, 800–1050 °С), в
тому числі з добавками Ті або SiC. В якості вихідних речовин використову-
вали порошок аморфного бору виробництва компанії H.C. Starck, Німеччи-
на, з розміром частинок 4 мкм, 96,4 % чистоти, 1,5 % (за масою) О, магній у
формі металевих ошурок розміром 0,1–0,5 мм, ТУ48-10-93–88 і порошок
титану фірми MaTecK з розміром частинок 1–3 мкм, 99 % чистоти. При
виготовлені зразка з добавкою SiC, використовували аморфний бор
(H.C. Starck, розмір частинок < 5 мкм, 97,5 % чистоти, 0,66 % (за масою) О)
і порошок карбіду кремнію (H. C. Starck, розмір частинок – 0,2–0,8 мкм).
Суміш вихідних речовин змішували і подрібнювали у планетарному акти-
ваторі, після чого поміщали в апарат високого тиску (2 ГПа) або у графіто-
ву прес-форму (0,03 ГПа). Синтез проводили в контакті з нітридом бору.
Фазовий склад визначали методом рентгенофазового аналізу із застосуван-
ням методу Рітвельда, а також скануючої електронної мікроскопії і мікро-
рентгеноспектрального аналізу. Для одержаних матеріалів визначали мікро-
твердість за Віккерсом, тріщиностійкість, а для окремих фаз – нанотвер-
дість (індентор Берковича) і модуль Юнга. Результати вимірювань наведено
в таблиці.
Мікротвердість за Віккерсом консолідованих надпровідних
матеріалів на основі MgB2 та їхній фазовий склад
Т,
°С
р,
ГПа
t,
хв
Фазовий склад,
% (за масою)
(за методом Рітвельда)
П,
%
Добавка,
10 % (за масою)
HV, ГПа
(при 4,9 Н),
800 2 60 MgB2 – 72
MgО – 12
Mg – 12
MgН2 – 4
3 – 16,85±0,74
http://stmj.org.ua 92
(Продовження)
1200 2 60 MgB2 – 76
MgО – 24
1 – 13,1±1,1
1050 2 60 MgB2 – 86
MgО – 6
SiC – 8
1 SiC 14,9±1,3
1050 2 60 MgB2 – 87
MgО – 13
1 – 25,04±1,98
1050 2 60 MgB2 – 83
MgО – 14
ТіB2 – 2
Ті – 1
1 Ті 14,96±0,67
900 0,03 60 MgB2 – 69
MgB4 – 23
MgО – 8
23 – 0,60±0,04
1050 0,03 60 MgB2 – 83
MgО – 10
ТіB2 – 5
Ті – 2
15 Ті 4,08±0,29
Слід відмітити, що матеріал з 10 % SiC (див. таблицю), характеризувався
рекордно високими значеннями густини критичного струму, зокрема при
температурі 20 К в полі 0 Тл вона становила 1,24⋅106 A/cм2. Для матеріалу з
10 % Ті, одержаного за тих же умов, густина критичного струму при 20 К і
0 Тл становила 7⋅105 А/см2, а без добавок – 4⋅105 А/см2.
Велика розбіжність у значеннях мікротвердості, одержаних для зразків,
виготовлених в умовах високих тисків і температур з добавками Ті або SiC,
можна пояснити присутністю в структурі матеріалів включень з високою
твердістю (НV = 52,9 ГПa). Було встановлено, що ці включення є фазами
вищих боридів зі стехіометрією, близькою до MgB12 (рисунок). В [4] було
показано, що нанотвердість таких включень фаз вищих боридів може дося-
гати 39 ГПа (при навантаженні 50 мН), а модуль Юнга – 430 ГПа
MgBx (x > 4)
10 μm
а
10 μm
б
Структура (а) і зображення відбитку індентора (б) на поверхні зразка надпровідного мате-
ріалу на основі MgB2, одержаного із суміші порошків магнію і бору (без добавок) при
2 ГПа, 1050 °С, упродовж 60 хв.
ISSN 0203-3119. Надтверді матеріали, 2019, № 3 93
(такі значення одержано при дослідженні зразка, виготовленого в умовах
високих тисків і температур із магнію і бору у співвідношенні 1:12 при
1200 °С). В одержаних зразках надпровідних матеріалів нанотвердість (при
10–60 мН) включень фаз вищих боридів становила 30–34 ГПа, а матричної
фази – 16–19 ГПа. Модуль Юнга включень фаз вищих боридів дорівнював
370–400 ГПа, а матричної фази – 200–230 ГПа.
ВИСНОВКИ
В результаті проведених досліджень експериментально підтверджено, що
процеси формування фаз в процесі синтезу MgB2 із суміші порошків магнію і
бору мають вплив на надпровідні властивості одержаного матеріалу і супро-
воджуються зміною його механічних властивостей. Зокрема, показано, що
додавання Ті дозволяє одержати більш однорідний матеріал, а у випадку син-
тезу в умовах гарячого пресування (30 МПа) значно підвищити рівень меха-
нічних властивостей.
Робота виконана в рамках теми III-3-18 (0776) “Наноінженерія нових ви-
сокоефективних надпровідних і магнітних керамічних композиційних мате-
ріалів та плівкових гетеро структур”. Державний реєстраційний номер роботи
0118U000008, виконується за Постановою Бюро ВФТПМ НАН України від
5.12.2017р., протокол № 17.
Представлены результаты исследования структуры и механических
свойств консолидированных сверхпроводящих материалов на основе MgB2, полученных в
условиях высоких давлений и температур и горячего прессования. Установлено, что фор-
мирование включений фаз высших боридов со стехиометрией, близкой к MgB12, сущест-
венно влияет на уровень плотности критического тока и механических свойств сверхпро-
водящих материалов, в частности, приводит к увеличению микротвердости. Присутст-
вие добавок Тi и SiC (10 %), положительно влияющих на уровень сверхпроводящих
свойств, сопровождается также изменением механических свойств, что свидетельству-
ет о влиянии добавок на формирование включений MgB12.
Ключевые слова: диборид магния MgB2, высшие бориды магния, меха-
нические свойства.
Presented are the results of the investigations of the structure and mechani-
cal properties of consolidated MgB2-based superconducting materials produced under high
pressures and temperatures and hot pressing. It is established that the formations of inclusions of
higher borides of phases with stoichiometry, close to MgB12, considerably influenced on the level
of the density of a critical current and mechanical properties of superconductive materials, in
particular, leads to increase of the microhardness. The presence of additions of the Ti and SiC
(10%), which positively influences on the level of superconducting properties, accompanies by
the change of mechanical properties, which are testify to the influence of the additions on the
formations of MgB12 inclusions.
Keywords: magnesium diboride MgB2, higher borides of magnesium, me-
chanical properties.
1. Prikhna T., Gawalek W., Savchuk Ya., Tkach V., Danilenko N., Wendt M., Dellith J., We-
ber H., Eisterer M., Moshchil V., Sergienko N., Kozyrev A., Nagorny S., Shapovalov A.,
Melnikov V., Dub S., Litzkendorf D., Habisreuther T., Schmidt C., Mamalis A., Soko-
lovsky V., Sverdun V., Karau F., Starostina A. Higher borides and oxygen-enriched Mg–B–O
inclusions as possible pinning centers in nanostructural magnesium diboride and the influence
of additives on their formation. Physica C. 2010. Vol. 470. P. 935–938.
2. Giunchi G., Cavallin T., Bassani P.,Guicciardi S. The mechanical properties of the MgB2 bulk
materials obtained by reactive liquid Mg infiltration. AIP Conf. Proc. 2008. Vol. 986. P. 396–
404.
http://stmj.org.ua 94
3. Prikhna T., Gawalek W., Surzhenko A., Moshchil V., Savchuk Ya., Melnikov V., Nagorny P.,
Habisreuther T., Dub S., Wendt M., Litzkendorf D., Dellith J., Schmidt Ch., Krabbes G.,
Vlasenko A. High-pressure synthesis of MgB2 with and without tantalum addition. Physica C.
2002. Vol. 372–376. P. 1543–1545.
4. Prikhna T., Gawalek W., Tkach V., Danilenko N., Savchuk Ya., Dub S., Moshchil V.,
Kozyrev A., Sergienko N., Wendt M., Melnikov V., Dellith J., Weber H., Eisterer M.,
Schmidt Ch., Habisreuther T., Litzkendorf D., Vajda J., Shapovalov A., Sokolovsky V., Na-
gorny P., Sverdun V., Kosa J., Karau F., Starostina A. Effect of higher borides and inho-
mogeneity of oxygen distribution on critical current density of undoped and doped magne-
sium diboride. J. Physics: Conf. Ser. 2010. Vol. 234. P. 012031.
Надійшов до редакції 27.03.19
Після доопрацювання 27.03.19
Прийнятий до опублікування 29.03.19
|