Διαμόρφωση υπεραγωγών υψηλών και χαμηλών θερμοκρασιών

Abstract

Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η σύνθεση και η μορφοποίηση του υπεραγώγιμου υλικού διβορίδιο του Μαγνησίου, χρησιμοποιώντας της μέθοδο της εκρηκτικής συμπίεσης κόνεων καθώς και ο προσδιορισμός των μηχανικών, των μαγνητικών και των ηλεκτρικών του ιδιοτήτων. Εκτός από τις πειραματικές μετρήσεις, πραγματοποιήθηκε αριθμητική προσομοίωση και βελτιστοποίηση της κατεργασίας. Η διδακτορική διατριβή ξεκινά στο πρώτο κεφάλαιο με τη θεωρία της υπεραγωγιμότητας όπου και αναλύονται οι βασικές αρχές που έχουν αναπτυχθεί για την εξήγηση του φαινομένου από την ανακάλυψη του μέχρι σήμερα. Ακολουθεί η κατηγοριοποίηση των υπεραγωγών σε τύπου I και II, ενώ γίνεται και μια εκτεταμένη αναφορά στις τωρινές και τις μελλοντικές εφαρμογές τους. Το δεύτερο κεφάλαιο σχετίζεται με το υλικό το οποίο μελετά η εργασία, συγκεκριμένα δίνονται στοιχεία για το πότε ανακαλύφθηκε, ποια είναι η κρυσταλλική του δομή και ποιες οι χαρακτηριστικές του ιδιότητες. Επίσης παρουσιάζονται τρόποι για τη σύνθεση και τη μορφοποίηση του υπεραγώγιμου υλικού, με τους οποίους είναι δυνατή η κατασκευή καλωδίων και υμενίων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πρακτικές εφαρμογές. Στη συνέχεια αναλύονται οι μέθοδοι χαρακτηρισμού της δομής και των υπεραγώγιμων του ιδιοτήτων. Στο τρίτο κεφάλαιο όπου ξεκινά και το πειραματικό μέρος της εργασίας, αναλύονται οι τεχνικές σύνθεσης και διαμόρφωσης που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των δειγμάτων του διβοριδίου του Μαγνησίου. Για το συγκεκριμένο υλικό εφαρμόστηκε η τεχνική σκόνη σε σωλήνα – powder in tube σε συνδυασμό με την εκρηκτική συμπίεση κόνεων. Για λόγους σύγκρισης, παρασκευάστηκε και ένα δείγμα με την τεχνική της διέλασης, ούτως ώστε να γίνει μια μελέτη στην επιρροή που έχει η μέθοδος κατεργασίας στις υπεραγώγιμες ιδιότητες του υλικού. Ακολουθεί ανάλυση των φάσεων χρησιμοποιώντας τη μέθοδο περίθλασης ακτίνων Χ και μελέτη της μορφολογίας της επιφάνειας των δειγμάτων σε ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Από τη μελέτη των αναλύσεων XRD και των μικρογραφημάτων SEM προέκυψε ότι το προϊόν της εκρηκτικής συμπίεσης είναι ένα διφασικό κυρίως υλικό αποτελούμενο από Mg, B. Για το λόγο αυτό τα δείγματα δέχθηκαν περαιτέρω θερμική κατεργασία, σε υψηλές θερμοκρασίες έως 950 oC. Μετά τη θερμική κατεργασία το τελικό προϊόν ήταν MgB2 το οποίο σε κάποιες περιπτώσεις περιείχε και προσμίξεις MgO. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η αριθμητική προσομοίωση της μεθόδου της εκρηκτικής συμπίεσης με χρήση του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων LS DYNA. Γίνεται μια αναλυτική περιγραφή του μοντέλου που κατασκευάστηκε, αναλύονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης που περιλαμβάνουν τα προφίλ πίεσης και θερμοκρασίας που αναπτύσσεται κατά τη διάρκεια της κατεργασίας και γίνεται αναφορά στις τελικές διαστάσεις, την πυκνότητα και το πορώδες των δειγμάτων. Από την προσομοίωση LS DYNA προέκυψε ότι η μέγιστη πίεση εμφανίζεται στην περιφέρεια του δείγματος και έλαβε τιμή ίση με 5000 MPa, ενώ η αντίστοιχη μέγιστη θερμοκρασία στο εσωτερικό του συμπιέσματος έφτασε στιγμιαία τους 350 oC. Στη συνέχεια αναλύεται η βελτιστοποίηση της προσομοίωσης ξεκινώντας με την επιλογή των αρχικών παραμέτρων και των μεταβλητών απόδοσης, ακολουθεί μη παραμετρική βελτιστοποίηση χρησιμοποιώντας το μέτωπο Pareto σε διαστάσεις 2Χ2 και 3Χ3 και η βελτιστοποίηση ολοκληρώνεται με την επιλογή των βαρών και τον προσδιορισμό της τελικής αντικειμενικής συνάρτησης. Με βάση τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης οι αρχικές παράμετροι που μπορούν να προσδώσουν στον υπεραγωγό τις καλύτερες δυνατές ιδιότητες είναι το μήκος L και η διάμετρος D του εκρηκτικού μέσου. Στο πέμπτο κεφάλαιο μελετώνται οι μηχανικές, οι μαγνητικές και οι υπεραγώγιμες ιδιότητες του υλικού. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται δοκιμές μικροσκληρότητας, μονοαξονικής θλίψης και μετρήσεις πορώδους. Μελετάται η μαγνητική συμπεριφορά με μετρήσεις της μαγνητικής επιδεκτικότητας σε πεδίο εναλλασσόμενου και συνεχούς ρεύματος από όπου προσδιορίζεται και η κρίσιμη θερμοκρασία του υπεραγωγού. Παρουσιάζεται η καμπύλη της ηλεκτρικής αντίστασης σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία και οι βρόγχοι υστέρησης της μαγνήτισης του υλικού όπως μετρήθηκαν από το μαγνητόμετρο SQUID. Ακολουθεί ο υπολογισμός της κρίσιμης πυκνότητας ρεύματος των δειγμάτων της εκρηκτικής συμπίεσης και της διέλασης με χρήση του μοντέλου κρίσιμης κατάστασης του Bean και προσδιορίζεται η δύναμη αγκύρωσης. H μετάπτωση στην υπεραγώγιμη φάση στην πλειοψηφία των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε σε θερμοκρασίες 37 – 38 Κ. Η σύγκριση των δύο μεθόδων κατεργασίας έδειξε ότι το δείγμα της εκρηκτικής διαμόρφωσης παρουσιάζει βελτιωμένα υπεραγώγιμα χαρακτηριστικά με την πυκνότητα ρεύματος να φθάνει τα 4.6 X 105 A/cm2 ενώ το αντίστοιχο Jc των δειγμάτων της διέλασης ήταν μια τάξη μεγέθους μικρότερο. Ο μηχανισμός αγκύρωσης των δειγμάτων της διέλασης ήταν τα όρια των κόκκων ενώ για το δείγμα της εκρηκτικής συμπίεσης ήταν οι προσμίξεις MgO / μεταβολή της παραμέτρου τάξης. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται ο σχεδιασμός και η αριθμητική προσομοίωση του σωληνοειδούς μιας συσκευής αποθήκευσης ενέργειας SMES το οποίο είναι κατασκευασμένο από διβορίδιο του Μαγνησίου. Η μοντελοποίηση έγινε με χρήση του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων Finite Element Method Magnetics από όπου προέκυψαν οι κατανομές της πυκνότητας ρεύματος και του μαγνητικού πεδίου του πηνίου χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες του υλικού οι οποίες προσδιορίστηκαν πειραματικά. Το μοντέλο προσομοίωσης του σωληνοειδούς συσκευής SMES υπερεκτιμά την πυκνότητα ρεύματος κατά μια τάξη μεγέθους σε σύγκριση με τις πειραματικές μετρήσεις λόγω της ύπαρξης δινορευμάτων. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διατριβής και οι προτάσεις για μελλοντική εργασία.

Από τα παραπάνω η πρωτοτυπία της διδακτορικής διατριβής συνοψίζεται στα παρακάτω σημεία:

1. Σύνθεση και μορφοποίηση του υπεραγώγιμου υλικού διβορίδιο του Μαγνησίου με τη μέθοδο της εκρηκτικής συμπίεσης κόνεων in-situ PIT 2. Διερεύνηση της επίδρασης δύο διαφορετικών μεθόδων κατεργασίας στις υπεραγώγιμες ιδιότητες του MgB2• α) εκρηκτική συμπίεση in-situ PIT, β) διέλαση ex-situ PIT 3. Αριθμητική προσομοίωση της εκρηκτικής συμπίεσης με χρήση του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων LS DYNA 4. Βελτιστοποίηση της προσομοίωσης με τη μέθοδο επιφάνειας απόκρισης και το μέτωπο Pareto 5. Σχεδιασμός και δημιουργία μοντέλου σωληνοειδούς SMES με χρήση του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων Finite Element Method Magnetics.

The aim of the current PhD thesis was the synthesis and forming of Magnesium diboride superconducting material, using the explosive compaction technique, as well as the determination of the mechanical, magnetic and electrical properties of the material. Besides the experimental measurements, numerical simulation and optimisation of the explosive compaction was carried out. The thesis begins in the first chapter with the analysis of the different theories of superconductivity which have been suggested for the explanation of this phenomenon from the time it was discovered until today. The two different types of superconductors are discussed, while their current and future applications are reported. The second chapter is concerned with the material that is studied in this work, more specifically it gives information about when it was discovered, what is its crystal structure and what are its characteristic properties. Moreover, the various synthesis and forming methods that are currently used for the production of films and wires which can be used for practical applications are analysed. The methods of structure characterisation and determination of the material’s superconducting properties are outlined. The experimental part of this thesis starts in chapter three, where the synthesis and forming techniques which were used for the construction of the Magnesium diboride samples are analysed. For this specific material the powder in tube method was employed in combination with the explosive compaction of powders. For comparison purposes, another sample was prepared this time using the extrusion technique in order to perform an assessment on the effect of the forming procedure on the superconducting properties of the material. The phase analysis using the x-ray diffraction method and the surface morphology on a scanning electron microscope of the samples are presented at the end of this chapter. The XRD and SEM analyses reveal that the product of the explosive compaction is a bi-phase material consisting of Mg, B. For this reason the specimens were undergone further heat treatment at elevated temperatures up to 950 oC. After heat treatment the final product was MgB2 which in some cases contained MgO inclusions. A finite element model of the explosive compaction using the FEM code LS DYNA is presented on the fourth chapter. A detailed description of the model that was constructed is carried out and the results of the numerical simulation which include the pressure and temperature profiles that are developed during the forming procedure are presented. Moreover, the final dimensions, the density and the porosity of the samples are determined. The maximum pressure was detected at the core circumference and reached 5,000 MPa, whereas the corresponding maximum temperature was 350 oC. An optimisation of the simulation is performed starting with the selection of the inputs and outputs, while the procedure involves non parametric optimisation using 2X2 and 3X3 Pareto fronts. The optimisation is then completed with the selection of the weights and the determination of the final objective function. According to the results of the optimization the input that will give the best properties to the superconductor are the length and the diameter of the explosive. The fifth chapter includes studies of the mechanical, magnetic and superconducting properties of the material. More specifically, microhardness and porosity measurements as well as uniaxial compression tests are presented. The magnetic behaviour of the material is analysed by means of AC and DC magnetic susceptibility measurements and the critical temperature is recorded. Additionally, the resistivity of the material is presented as a function of the temperature and the magnetisation hysteresis loops measured by the SQUID magnetometer are given. The calculation of the critical current density of the samples was carried out using Bean’s critical state model and the pinning force was determined. The transition to the superconducting state for the majority of samples occurred at temperatures of 37 – 38 Κ. The comparison of the two methods revealed that the sample produced by the explosive compaction has improved superconducting characteristics having a critical current density of 4.6 X 105 A/cm2 whereas the corresponding Jc of the extrusion specimens was an order of magnitude lower. The pinning mechanism of the extrusion samples was the grain boundaries and that of the explosive compaction samples was the MgO inclusions / variation of order parameter. In the sixth chapter one can see the design and numerical simulation of the coil of a SMES device, which is constructed by Magnesium diboride. The modeling was performed using Finite Element Method Magnetics software package, which was employed to produce the current density and magnetic field distributions using as inputs, the material’s properties that were determined experimentally. The simulation model overestimates the current density by an order of magnitude compared to the experimental measurements due to eddy currents. Finally, the conclusions of this thesis and suggestions for future work are outlined in the seventh chapter.

The originality of this PhD thesis is outlined in the following points:

1. Synthesis and forming of Magnesium diboride superconducting material, using the explosive compaction technique in-situ PIT 2. Investigation of the effect of two different forming methods in the superconducting properties of MgB2; a) explosive compaction technique in-situ PIT, g) extrusion ex-situ PIT 3. Numerical simulation of explosive compaction using the finite element code LS DYNA 4. Optimisation of the numerical simulation using the Response Surface method and the Pareto front 5. Design and construction of a model of the superconducting solenoid of a SMES device using the finite element code Finite Element Method Magnetics.