Исследование микроструктурных характеристик YBa2Cu3O7-d, полученного модифицированным нитрат-мочевинным методом
Кубанский
государственный университет
Исследование
микроструктурных характеристик YBa2Cu3O7-d, полученного модифицированным
нитрат-мочевинным методом
Серков Александр Владимирович
Иванин Сергей Николаевич
Бузько Владимир Юрьевич
г.
Краснодар
Оксид иттрия-бария-меди YBa2Cu3O7−d, также
известный как YBCO, применяется в качестве высокотемпературного сверхпроводника
с критической температурой TС =93 К больше температуры кипения жидкого азота.
Нитрат-мочевинный пирохимический метод, обладающий высокой экономичностью и
простотой, широко применяется для получения различных сложных оксидов, однако
применение этого метода для получения сверхпроводящих образов YBCO не описано.
Целью данной работы являлось изучение
особенностей синтеза иттрий-бариевого купрата состава YBa2Cu3O7-d
модифицированным пирохимическим нитрат-мочевинным методом и изучение
микроструктурных характеристик полученных образцов YBa2Cu3O7-d.
Предварительно нами были получены классическим
пирохимический нитрат-мочевинным методом образцы состава YBa2Cu3O7-d и
установлено, что по причине высокой экзотермичности реакции окисления мочевины
нитратами металлов помимо желаемой сверхпроводящей орторомбической фазы
YBa2Cu3O7 наряду с несверхпроводящей фазой YBa2Cu3O6 образуются в заметном
количестве и побочная фаза Y2BaCuO5, понижающая критическую температуру
достижения сверхпроводимости. Для устранения наночастиц фазы Y2BaCuO5 требуется
окислительный отжиг образца не менее 6 часов при 8500С, при этом в образце YBCO
образуется смесь орторомбической фазы YBa2Cu3O7 и непроводящей тетрагональной
фазы YBa2Cu3O6. Для избавления от последней приходится прибегать к отжигу в
среде чистого кислорода при 5000С в течение времени не менее 2-х часов, однако
полученный образец состава YBa2Cu3O6,78 имеет TC практически на границе
температуры кипения жидкого азота.
В связи с описанной проблемой нами был
рассмотрен вариант модифицированного пирохимического нитрат-мочевинным метода,
в котором часть прекурсоров состоит из веществ снижающих температуру синтеза YBCO
за счет протекания соответствующих эндотермических реакций. Для синтеза YBCO мы
использовали: трехводный карбонат иттрия Y2(CO3)3*3H2O (х.ч.), нитрат бария
Ba(NO3)2 (х.ч.), нитрат окиси меди Cu(NO3)2*3CuO*3H2O (ч.д.а.), мочевину
(H2N)2CO квалификации (х.ч.).
Пирохимическая реакция в смеси прекурсоров
производилось при температуре выше 4500С в керамическом корундовом тигле через
некоторое время нагрева с разложением нитратов и окисления используемого
топлива - мочевины и получением черно-коричневого порошка YBCO, который затем
прокаливался в течение 30 минут при 5000С.
Характеристики полученного образца YBCO изучали
методами растровой сканирующей электронной микроскопии (РСЭМ), дериватографии
(ДТА), рентгенофазового анализа (РФА) и электронного парамагнитного резонанса
(ЭПР).
Ярко выраженный анизотропный вид спектра ЭПР
образца YBCO (g┴=2.052; g||=2.215) свидетельствует о преобладании
непроводящей тетрагональной фазы при меньшем количестве сверхпроводящей
орторомбической фазы. Этот вывод поддерживается данными ДТА в окислительной
кислородной среде, согласно которым полученный образец YBCO имеет состав
YBa2Cu3O6,26. Изучение полученного образца YBCO методом РФА показало, что
наряду с фазами YBa2Cu3O6 и YBa2Cu3O7 присутствует в малых количествах также
побочная фаза BaCuO2 и несверхпроводящая фаза Y2BaCuO5.
По данным РСЭМ полученный образец YBCO
характеризуется хорошей степенью однородности продолговатых микрочастиц со
средним размером около 6±3 μm
и средним размер кристаллитов YBa2Cu3O7-d равным 250±60 нм. Однако в полученном
описанным методом YBCO наблюдается заметное количество побочной
проперитектической волокнистой несверхпроводящей фазы (Рисунок 1) состава
Y2BaCuO5, играющей важную роль в свойствах образцов иттрий-бариевого купрата.
Эта фаза считается ключевой в образовании структурных дефектов и
соответствующих точек вихревого пиннинга в приготавливаемых керамиках
сверхпроводящего иттрий-бариевого купрата.
Рисунок 1. Микроструктура полученного
модифицированным пирохимическим нитрат-мочевинным методом образца YBCO.
С целью уменьшения количества побочной фазы
Y2BaCuO5 при изготовлении керамики YBCO нами был использован подход
окислительного химического травления полученного пирохимическим
нитрат-мочевинным методом образца YBCO в смеси с NH4NO3 (5:1) при 2500С в
течении 15 минут и дальнейшим спеканием в трубчатой печи в токе воздуха при
8500С в течении 4 часов.
Анализ микроструктуры модифицированного образца
YBCO (Рисунок 2) показал, что использование подхода химического травления
привело к заметному изменению морфологии микрочастиц в образце. В
модифицированном образце YBCO присутствуют сглаженные по форме микрочастицы
YBа2Cu3O7-d со средним размером зерен около 12±4 μм
и со средним размером кристаллитов около 330±70 нм.
бариевый купрат пирохимический
мочевинный
Последующим окислительный отжиг в среде
кислорода при 7000С в течение двух часов с последующим медленным
охлаждением до комнатной температуры позволило получить сверхпроводящий образец
состава YBа2Cu3O6,88, показывающий выраженный эффект Мейснера при азотных
температурах, который отсутствует в первоначально синтезированном
модифицированным пирохимическим нитрат-мочевинным методом YBCO, окисленном в
токе кислорода при аналогичных условиях.