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Sep 03, 2023

Optimierung der Eigenschaften und Mikrostruktur von Massensupraleitern

6. Juni 2023 Dieser Artikel

6. Juni 2023

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vom Shibaura Institute of Technology

Supraleiter finden zunehmend Anwendung in verschiedenen Bereichen, beispielsweise in medizinischen Bildgebungstechniken, Medikamentenverabreichungssystemen, Energiespeichersystemen, Levitationsprozessen und Wasserreinigungsverfahren. Dies lässt sich auf ihre beeindruckende Fähigkeit zurückführen, keinen Widerstand zu leisten, was den Durchgang einer hohen Strommenge durch sie gewährleistet, wodurch sie sich für die Revolutionierung der Energieübertragung und des Transports eignen.

Magnetische Supraleiter werden üblicherweise mit der „Top-Seed-Melt-Growth-Technik“ (TSMG) synthetisiert. Dieses Verfahren hat jedoch gewisse Nachteile, wie zum Beispiel den enormen Verlust an flüssigem Ausgangsmaterial während der Produktion. Die Folge sind Veränderungen der Materialzusammensetzung, Risse in der Matrix des umgeformten Materials, mechanische Mängel und sogar eine geringe Wärmeleitfähigkeit.

Als Alternative wurde das Infiltrationswachstumsverfahren entwickelt, bei dem Sekundärphasenpellets auf Flüssigphasenpellets gestapelt werden, um die Effizienz in Produktion und Anwendungen zu steigern. Zur Herstellung solcher Massensupraleiter wurden verschiedene Zusammensetzungen einer flüssigen Phase verwendet. Allerdings ist die Synthese großer, einkörniger Massenmaterialien der Seltenen Erden (SE) wie RE-123 mithilfe des Infiltrationswachstumsprozesses immer noch schwierig.

Jetzt konzentrieren sich Forscher aus Japan jedoch auf die Verwendung schwerer Elemente wie Gadolinium (Gd), Yttrium (Y) und Erbium (Er), um Einzelkorn-Bulk- und ternäre Supraleiter mit flüssiger Ausgangszusammensetzung und Infiltrationswachstumstechnik zu synthetisieren. Sie analysieren außerdem genau die Mikrostruktur und die Eigenschaften (supraleitend und elektromagnetisch) des gebildeten supraleitenden Materials (Gd, Y, Er)-123.

Ihre Ergebnisse zeigen eine enorme Leistungsverbesserung dieser ternären Massen im Vergleich zu den derzeit auf dem Markt verfügbaren Materialien. Die Studie wurde von Professorin Miryala Muralidhar vom Shibaura Institute of Technology geleitet und online im Journal of Alloys and Compounds verfügbar gemacht.

Zunächst bewerteten die Forscher die Leistung mehrerer flüssiger Ausgangsmaterialien beim Züchten einer (Gd, Y, Er)-123-Einzelkornmasse. Nachdem festgestellt wurde, dass Er123 und Ba3Cu5O8 im Verhältnis 1:1 das beste Flüssigphasen-Ausgangsmaterial waren, fuhren sie mit der Zugabe weiterer Primärelementkomponenten fort und verwendeten ihre jeweiligen Oxidpulver als Ausgangsmaterial.

Bei der Bewertung des Stromflusses bei kritischen Temperaturen wurde festgestellt, dass der resultierende Supraleiter den Fluss der höchsten Stromdichte ermöglichte, die 81,09 % höher war als die zuvor verfügbaren Materialien dieser Kategorie. Die Mikrostrukturanalyse mit Rasterelektronenmikroskopie ergab eine signifikante Verringerung der Partikelgröße der Sekundärphase mit einer mittleren Partikelreduzierung von 43,13 % im Vergleich zu herkömmlichem Ba3Cu5O8.

Über diese Ergebnisse sagt Prof. Miryala: „Die Ergebnisse sind geradezu beeindruckend. Die Tatsache, dass wir diese massiven Supraleiter in der Luft mit einer kostengünstigen Methode herstellen konnten, macht diesen Ansatz für die Großindustrie äußerst attraktiv.“ Produktion."

Darüber hinaus ergab Er123+ Ba3Cu5O8 auch die höchste kritische Stromdichte (Jc) von 81,91 kA/cm2 im Eigenfeld und 28,29 kA/cm2 bei 1 T für die flüssige Quelle des ternären Systems (Gd, Y, Er)-123.

Die stark erhöhte Stromdichte im neu synthetisierten Material ist der bemerkenswerteste Aspekt dieser Forschung und birgt großes Potenzial für Anwendungen magnetischer Supraleiter. „Diese Verbesserungen haben das Potenzial, reale Anwendungen wie Magnetschwebebahn, supraleitende Lager, Elektromotoren, magnetische Arzneimittelabgabe (MDD) und Schwungrad-Energiesysteme zu revolutionieren“, sagt Prof. Miryala.

Mit solch außergewöhnlichen Eigenschaften können supraleitende Materialien wie diese in naher Zukunft Energieübertragungs- und Transportsysteme erheblich verbessern und beeinflussen. Sie können auch mehrere Branchen transformieren und maßgeblich zur Bekämpfung des Klimawandels beitragen und gleichzeitig die Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) der Vereinten Nationen unterstützen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieser neue Ansatz zur Synthese von Massensupraleitern eindeutig die Tür zur Massenproduktion von Hochleistungssupraleitern geöffnet hat und als aufregender Durchbruch für ein breites Anwendungsspektrum angesehen wird.

Mehr Informationen: Akash Garg Agarwal et al., Erforschung der Auswirkungen einer flüssigen Quelle auf supraleitende Eigenschaften und Mikrostruktur in ternärer Masse (Gd, Y, Er)−123 durch Infiltrationswachstumsprozess, Journal of Alloys and Compounds (2023). DOI: 10.1016/j.jallcom.2023.170506

Bereitgestellt vom Shibaura Institute of Technology