Lista publikacji naukowych
Widok zawartości stron
Centrum SOLARIS
Nawigacja okruszkowa
Widok zawartości stron
Widok zawartości stron
Związek struktury szkieletów poliuretanów z właściwościami strukturalnymi i nadprzewodzącymi pianek Y-123
Polski zespół badaczy kierowany przez dra Pawła Pęczkowskiego z Instytutu Nauk Fizycznych Wydziału Matematyczno-Przyrodniczego Uniwersytetu Kardynała Stefana Wyszyńskiego wykorzystał wiązkę PIRX do badania właściwości struktury elektronowej pianek nadprzewodzących otrzymanych na bazie pianek poliuretanowych. Wyniki badań zostały opublikowane w piśmie Journal of the European Ceramic Society wydawanym przez Elsevier.
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe (HTS) produkowane są najczęściej w jednej z trzech odmian – cienkowarstwowej, drucianej (taśmowej) i luzem. Podział ten wynika z właściwości tych nadprzewodników, które wynikają z ich mikrostruktury. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe można wytwarzać w czwartym wariancie o strukturze piankowej. Nadprzewodniki o strukturze piankowej charakteryzują się znacznie krótszym czasem chłodzenia, dlatego przejście lub powrót do stanu nadprzewodzącego ze stanu normalnego jest znacznie szybsze niż w przypadku próbek stałych wytwarzanych metodą top-seed infiltration-growth (TSIG). Dodatkowo są lekkie i wykazują mniej mikropęknięć, które są głównym czynnikiem ograniczającym krytyczną gęstość prądu w stałych próbkach nadprzewodzących. Te unikalne cechy sprawiają, że pianki nadprzewodzące są doskonałym materiałem do zastosowań kosmicznych, gdzie konieczne jest wykorzystanie silnych i lekkich źródeł pól magnetycznych do budowy np. mechanizmów dokujących dla pojazdów kosmicznych i silników jonowych. Zanim jednak zastosuje się pianki nadprzewodzące należy odpowiedzieć na kilka podstawowych pytań: jaki wpływ mają zmiany w strukturze pianki (np. wielkości i kształcie porów) na właściwości nadprzewodzące, jak płynie prąd w trójwymiarowej strukturze pianki i jaki jest jej wpływ na właściwości związane ze zdolnością do zakotwiczenia wirów (centrów unieruchamiających).
W procesie TSIG pianki prekursorowe (poliuretany o różnej gęstości, elastyczności i typie szkieletu) infiltrowano zieloną fazą (Y-211) i przekształcano termicznie w nadprzewodniki Y-123 przy użyciu zarodków monokryształu NdBCO zorientowanych w [100] kierunek (Rycina 1). Zestaw pianek poliuretanowych stanowiący szkielet do produkcji pianek nadprzewodzących dostarczyło Przedsiębiorstwo Produkcyjno-Handlowe „JAG” – wiodący producent pianek poliuretanowych w Polsce. Starannie dobrano serię pianek poliuretanowych o różnych szkieletach i różnych właściwościach mechanicznych. Przykładowe oznaczenia były następujące: T-18/30)p, (T-25/38)p, (T-30/42)p, (T-35/38)p, (T-40/50)p, ( HR-30/38)p, (CL-25/33)p i pianka melaminowa o różnej gęstości porów i stosunku grubości ścianki do wielkości porów, gdzie symbole literowe oznaczają: T - pianki tapicerskie, HR - pianki wysokoelastyczne i CL - pianki trudnopalne, a wprowadzone wartości odpowiadają kluczowym parametrom piankę jako gęstość w kg/m3 (pierwsza liczba) i elastyczność w kPa (druga liczba). Indeks „p” oznacza strukturę poliuretanową pianki.
Rycina 1. (a) Y-211 przed i (b) Y-035 po procesie infiltracji; (c) Y-123 – finalna pianka lewitująca w polu magnetycznym
W piankach Y-123 otrzymanych w procesie TSIG obecność fazy nadprzewodzącej potwierdzono za pomocą dyfrakcji promieni rentgenowskich (XRD), spektroskopii Ramana i spektroskopii absorpcji promieni rentgenowskich (XAS), a także badań magnetometrycznych i transportowych. Stwierdzono, że wzrost pianki Y-123 pozwala zachować kierunek krystalograficzny środka zarodkującego NdBCO niezależnie od początkowej orientacji szkieletu. Pianki wykazują temperaturę krytyczną zbliżoną do YBCO luzem. Szkielety o dużej gęstości i sztywności sprzyjają tworzeniu się fazy Y-123, natomiast bardziej elastyczne struktury piankowe utrudniają przemianę fazy Y-211 w fazę Y-123.
Widma absorpcji promieniowania rentgenowskiego (XAS) dla wybranych pianek przedstawiono na Rycinie 2. Dane XAS uzyskano na linii PIRX w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS w Krakowie (Polska) . Krawędź K tlenu charakteryzuje się wyraźną absorpcją przy 533 eV z kilkoma pikami wstępnymi w zakresie 527 – 529 eV, pochodzącymi z hybrydyzacji Orbitale O-2p i Cu-3d. Krawędzie O K dostarczają informacji o ruchliwości nośników w płaszczyznach CuO2 i łańcuchach Cu–O. Udział dwóch odrębnych pików wstępnych, szerokiego przy 527,5 eV i węższego przy 528 eV, jest charakterystyczny dla CL-25/33 i T-40/50. Pierwszy pik wstępny związany jest z dziurami łańcuchowymi (CH) i singletami Zhanga-Rice'a (ZRS), natomiast drugi to tzw. górne pasmo Hubbarda (UHB). Ponadto nadprzewodnictwo miedzianów podkreśla znaczny udział ZRS w odniesieniu do UHB, który dotyczy pianek CL-25/33, T-40/50 i częściowo T-30/42.
Rycina 2. Widma absorpcji promieniowania rentgenowskiego (XAS) dla pianek Y-123 (T-18/30, T-30/42, T-40/50, CL-25/33 i Melamina): (a) krawędź O-K, (b) krawędzie Ba-M4,5, (c) krawędzie Cu-L2,3. CH - otwory łańcuchowe, ZRS - singlet Zhang’a-Rice’a, UHB - górne pasmo Hubbarda
Autor: Paweł Pęczkowski
Link do publikacji: P. Pęczkowski, P. Zachariasz, R. Zalecki, J. Piętosa, J.M. Michalik, C. Jastrzębski, M. Ziętala, Ł. Gondek, Influence of poliurethane skeleton on structural and superconducting properties of Y-123 foams, Journal of the European Ceramic Society (2024), doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2024.03.039.
Data opublikowania 16/04/2024
- Dagmara Chylewska-Olech
Polecamy również