Ο ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ Ζ-ΜΑΚΡΟΡΩΓΜΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΟΞΥΓΟΝΩΣΗΣ ΣΕ ΜΟΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΥΣ TSMG ΥΠΕΡΑΓΩΓΟΥΣ *INSTITUTE OF SOLID STATE MATERIAL RESEARCH ,DRESDEN

*INSTITUTE OF EXPERIMENTAL PHYSICS, SLOVAK ACADEMY OF SIENCE ,WATSONOVAΣΤΕΡΓΙΟΥ ΙΑΚΩΒΟΣΑΜ:1667

ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Ο ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ, Κ. ΣΥΜΕΩΝ ΑΓΑΘΟΠΟΥΛΟΣ

ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΥΛΙΚΩΝ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ 2015 ®

𝑌𝐵𝑎2𝐶𝑢3𝑂7 /𝑌 2 𝐵𝑎𝐶𝑢𝑂5

ΕΙΣΑΓΩΓΗΟι υπεραγωγοί του YBaCuO είναι εκ φύσεως εύθραυστοι και ευαίσθητοι στις ρωγματώσεις

Παρατηρώντας ένα δείγμα μονοκρυσταλλικού YBaCuO μετά απο χημική προσβολή μπορούμε να διακρίνουμε ρωγμές τριών ειδών:• Πρώτης μορφής: χ/ψ μικρορωγμές οι οποίες είναι και οι πιο κοινές και

παρατηρούνται στην επιφάνεια χ/ζ ως πυκνές γραμμές παράλληλες με το επίπεδο χ/ψ.Σχηματίζονται σε MG (melt grown) δοκίμια εξαιτίας των διαφορών που αναπτύσσονται στις πλεγματικές σταθερές που αλλάζουν απο φάση 123 σε 211 κατα τη διαδικασία της απόψυξής τους.Επίσης η θερμική διαστολή και η πρόσληψη οξυγόνου στο πλέγμα συμβάλλουν στην αλλαγή των σταθερών. Το μήκος των ρωγμών αυτών πλησιάζει το μέγεθος των σωματιδίων της φάσης 211

• Δεύτερης μορφής: χ/ψ μακρορωγμές. Εμφανίζονται σε μεγάλες περιοχές επάνω στο δοκίμιο και <<αποφυλλώνονται>> σε ξεχωριστά σωματίδια 211/123 ή διασταυρώνονται με άλλες ρωγμές της φάσης 211. Δημιουργούνται εξαιτίας μακροσκοπικών τάσεων οι οποίες επάγονται απο μικροσκοπικές ατέλειες και ανομοιομορφίες της φάσης 211στο υπόλοιπο δοκίμιο οι οποίες τελικά συγκεντρώνονται. Ο σχηματισμός αυτών των ρωγμών ξεκινάει στην επιφάνεια των δειγμάτων κατα τη διαδικασία οξυγόνωσης, όπου δημιουργούνται συνθήκες εφελκυσμού απο τάσεις που επάγονται στην επιφάνεια οξυγόνωσης λόγο της μείωσης των πλεγματικών σταθερών στην διεύθυνση του άξονα ζ. Επιπλέον αύξηση του μήκους αυτών των ρωγμών δημιουργείται με τις αυξανόμενες τάσεις στο άκρο της ρωγμής καθώς προχωράει η διαδικασία της οξυγόνωσης μπροστά απο την αρχή της , καθώς το οξυγόνο ρέει απο την επιφάνεια μέσω της χ/ψ μακρορωγμής

• https://www.youtube.com/watch?v=fuikZx71MhU

• Τρίτης μορφής: Μακρορωγμές συχνά παράλληλες με τον άξονα ζ και ξεκινούν στην επιφάνεια μακρορωγμών χ/ψ. Παρατηρούνται παράλληλες με αποσχισμένα επίπεδα της φάσης 123. Η προέλευσή τους δεν έχει εξηγηθεί μέχρι τώρα , γι αυτό και θα μελετηθεί ο μηχανισμός του σχηματισμού αυτών των ζ μακρορωγμών.

• Εικόνα 1. (a) a/b-μικρορωγμες (a/b-MIC), a/b-μακρορωγμες (a/b-MAC) και ζ-μακρορωγμες (c-MAC) σε standard δειγμα TSMG 123/211 οξυγονωμενο στους 380 βαθμους, etched. (b)σε επομενο σταδιο οξυγονωσης φαινεται οτι οι ορθορομβικες οξυγονωμενες περιοχες κατα μηκος των a/b-MAC εισερχονται στην τετραγωνικη φαση. Το τμημα των οριων δημιουργιας των a- και c-τομεων ρωγμων (c=a-GSB) επισης διακρινονται. polarized light, polished. (c) c-MAC ορατη σε Y123 TSMG επιφανεια δειγματος. polarized light, etched.

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΠΟΡΕΙΑ• Προετοιμασία δειγμάτων με την μέθοδο MMCP (modified melt crystallization

process) , η οποία ξεκινά με ανάπτυξη με τήξη μέσω προδρόμων ενώσεων του YBa2Cu3O7, της Y2O3 και Pt σε αναλογία 0.62, 0.36, 0.02 αντίστοιχα.

• Κατεργασία κόνεων σε σφαιρόμυλο και συμπίεση αυτών σε ταμπλέτες διαμέτρου 18mm. Έπειτα τοποθετείται μια πηγή SaBa2Cu3O7 επάνω στις ταμπλέτες και ξεκινά η MMCP

• Λήψη μονοκρυσταλλικών δειγμάτων με τον άξονα ζ κάθετο στο επίπεδο της βάσης του κυλίνδρου της ταμπλέτας

• Ανόπτηση των δειγμάτων σε ατμόσφαιρα οξυγόνου στους 900 βαθμούς κελσίου για 1 ώρα και ψύξη σε ατμόσφαιρα αργού με ρυθμό ψύξης 600 βαθμούς ανα ώρα

• Για περισσότερη επεξεργασία ράβδοι 2x2x10mm3 τμήθηκαν εγκάρσια και με τα πλαϊνά τοιχώματα παράλληλα με το επίπεδο χ/ζ κόπηκαν και οξυγονώθηκαν σε διαφορετικές θερμοκρασίες σε κυλινδρικό φούρνο. Για την ψύξη και την θέρμανσή τους βρίσκονταν σε ατμόσφαιρα αργού. Εφαρμόζοντας ροή οξυγόνου επάνω στα δείγματα τα οξυγονώσαμε .

• Ακολουθεί μελέτη της μικροδομής με τη χρήση πολωμένου φωτός έπειτα απο στίλβωση ή χημική προσβολή απο διαλ/μα 1 wt% HCL σε αιθυλική αλκοόλη.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ• Η διαδικασία οξυγόνωσης μελετήθηκε σε εγκάρσιες τομές των οξυγονωμένων στρωμάτων

κάθετων στα επίπεδα χ/ψ (001) και παράλληλα με αυτά των α/ζ μικρορωγμών, οι οποίες σχηματίστηκαν κατα την οξυγόνωση , παρέχοντας δρόμο για τη διέλευση οξυγόνου στο εσωτερικό των δειγμάτων και ενισχυσαν την ύπαρξη και την διάδοση επιπλέον ρωγμών.

• Οξυγονωμένες ορθορομβικές περιοχές εμφανίστηκαν ομοιογενείς κατα μήκος χ/ψ μακρορωγμών για μικρότερα χρονικά διαστήματα οξυγόνωσης ακόμα και για χαμηλότερες θερμοκρασίες. Η κορυφή των ελασμάτων αυτών εκφράζει το λόγο της αποτελεσματικής διάχυσης οξυγόνου στον άξονα ζ

• Για μεγαλύτερους χρόνους οξυγόνωσης υπάρχουν ακανόνιστες λωρίδες φανερώνοντας την τοπική αύξηση του ρυθμού διάχυσης στον άξονα ζ

• Μεγαλύτερη μεγέθυνση εμφανίζει ρωγμές κάθετες με τις οριακές χ/ψ μακρορωγμές μέσα στα οξυγονωμένα ελάσματα εμφανίζοντας μεγαλύτερη ικανότητα ροής οξυγόνου παράλληλα στον ζ, γρηγορότερα απο την διάχυση στους υπόλοιπους άξονες, ενισχύοντας την διαδικασία οξυγόνωσης στα TSMG bulk δοκοίμια

• Εικόνα 2. κανονικά ανεπτυγμένες ορθορομβικές περιοχές πανω σε a/b-μακρορωγμές. Οξυγόνωση στους 400 βαθμούς για 20 λεπτά (a). Ακανόνιστα ορθορομβικά ελάσματα ανεπτυγμένα για μεγαλύτερο χρόνο οξυγόνωσης. Οξυγόνωση στους 400 βαθμούς για 5 ώρες (b). Οι ζ-μακρορωγμές κάθετες με τις χ/ψ-μακρορωγμές , σχηματίζονται στο ορθορομβικό στρώμα (c) Η κορυφή των ορθορομβικών ελασμάτων κατα μήκος των χ/ψ-MAC.(d) Η οξυγόνωση στη διεύθυνση του ζ άξονα είναι σημαντικά ενισχυμένη λόγο του σχηματισμού c-MAC .

• Σε υψηλότερη θερμοκρασία οξυγόνωσης τα στρώματα γίνονται πιο συνηθισμένα. Σχηματισμός ζ ρωγμών σε ελλάσματα δεν γίνεται για θερμοκρασίες μικρότερες των 680 βαθμών κελσίου.

• Η οξυγόνωση σχεδόν ομογενοποιείται, εκτός απο τον σχηματισμό κάποιων οξίων ελασμάτων κατα μήκος των χ/ψ μικρορωγμών.

• Μικρογραφίες λήφθηκαν υπο κανονικό φώς και μας δείχνουν οτι δεν έχουν σχηματιστεί μικρορωγμές στον άξονα ζ.

• Παρ’ όλα αυτά ενώ η διάχυση του οξυγόνου σε υψηλές θερμοκρασίες είναι γρήγορη, εμφανίζεται ένα στρώμα χαμηλότερης συγκέντρωσης σε οξυγόνο στην επιφάνεια του δείγματος κατα τη διαδικασία της ψύξης του δείγματος σε ατμόσφαιρα αργού

• Εικόνα 3. κανονικά οξυγονωμένο επιφανειακό στρώμα (a) με χ/ψ-μακρορωγμές. (b) χωρίς ζ-μακρορωγμές. Οξυγόνωση στους 680 βαθμούς κελσίου για 22 λεπτά.

ΣΥΖΗΤΗΣΗ• Λόγος σχηματισμού χ/ψ μακρορωγμών είναι η μείωση των πλεγματικών σταθερών στον

άξονα ζ της φάσης 123. Το οξυγονωμένο στρώμα μειώνει την παράμετρό του και δημιουργούνται τάσεις εφελκυσμού κάθετες με το χ/ψ επίπεδο του πλέγματος της φάσης 123.

• Το μοντέλο ρωγμάτωσης ψαθυρών film πάνω σε ελαστικά υποστρώματα του Thoule εφαρμόζεται για την περιγραφή του σχηματισμού ρωγμών στον άξονα ζ. Αποδεικνύεται οτι μονοαξονικές τάσεις στο χ/ψ επίπεδο παράλληλες με τον χ η ψ άξονα <100> μπορούν να ανακουφιστούν με την κίνηση διδυμιών, ενώ ομοιόμορφες τάσεις παράλληλες στο επίπεδο <110> δεν μπορουν να ανακουφιστούν με τον ίδιο τρόπο.

• Γίνεται χρήση αυτού του φαινομένου για την διαδικασία ανάκτησης μονοκρυστάλλων φάσης 123

• Σε αντίθεση η πλεγματική σταθερά κατα μήκος χ/ψ μακρορωγμών σε οξυγονωμένο στρώμα μικραίνει και στις δύο διευθύνσεις με την αύξηση της συγκέντρωσης του οξυγόνου επάγοντας εφελκυστικές τάσεις, και δεν είναι δυνατόν να ανακουφιστούν μέσω πλαστικής παραμόρφωσης απο τη μετακίνηση των ορίων κόκκων των διδυμιών.

• Εικόνα 4. Ανάπτυξη παράλληλων ρωγμών, με την μεταξύ τους απόσταση lcr σε ένα εύθραυστο στρώμα , το πάχος τουd κάτω απο μονοαξονική εφελκυστική τάση σ

• Εικόνα 5. Πλαστική παραμόρφωση στο <100> (a) και <110> (b) διευθύνσεις συσχετισμένες με την κίνηση διδυμιών (twin boundary motion). Κάτω απο μονοαξονικό φορτίο μόνο τάσεις του <100> μπορούν να ανακουφιστούν. Διαξονικές εφελκυστικές τάσεις δεν ανακουγίζονται επειδή ανακούφιση των τάσεων στη διεύθυνση του αξονα χ οδηγεί στην αύξηση των τάσεων στη διεύθυνση ψ

• Η θερμοκρασιακή εξάρτηση των παραμέτρων α για την τετραγωνική φάση 123 και για της α+β/2 για την ορθορομβική 211 φάση είναι επίσης σχετική και με τη συγκέντρωση οξυγόνου στις φάσεις. Απ’ αυτή την σχέση εξάρτησης προκύπτει οτι οι τάσεις που προκαλούνται απο τη μεταβολή των σταθερών στους άξονες χ και ψ είναι σημαντικά ασθενέστερη απο αυτή στον άξονα ζ.

• Συμφωνα με το μοντέλο του Thoule : η συνολική ενέργεια του εύθραυστου στρώματος επάνω στο ελαστικό υπόστρωμα είναι το άθροισμα της ενέργειας παραμόρφωσης στην ραγισμένη περιοχή και της απαιτούμενης ενέργειας για τον σχηματισμό των ρωγμών, δλδ της τελικής νέας επιφανειακής ενέργειας.

https://www.youtube.com/watch?v=7ko8iXffsq8

𝐸𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝐶𝑅𝐴𝐶𝐾𝐼𝑁𝐺=𝐸𝑆𝑇𝑅𝐴𝐼𝑁+𝐸𝐶𝑅𝐴𝐶𝐾𝐼𝑁𝐺

• Το κρίσιμο άνοιγμα ρωγμής προσαρμόζεται έτσι ώστε να μειωθεί η συνολική ενέργεια του συστήματος

• Συμπεραίνουμε οτι η απελευθέρωση ενέργειας της ρωγμής θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη απο την ενέργεια για τον σχηματισμό ρωγμών.

Κρίσιμο πάχος :

Αυτό σημαίνει οτι κάτω απο ένα κρίσιμο πάχος δεν θα εμφανιστούν ρωγμές.

• Επιπλέον ανάπτυξη των ρωγμών αυτών δημιουργείται εξαιτίας της τάσης στο άκρο της ρωγμής και μπροστά της λόγο της οξυγόνωσης που εκτελείται, καθώς το οξυγόνο ρέει μεσα απο τις χ/ψ και ζ μακρορωγμές.

• Η κρίσιμη απόσταση και το κρίσιμο πάχος υπολογίστηκαν σε

για Ε=180GPa στη διεύθυνση χ/ψ και δυσθραυστότητα Κic=1.48MPa για το επίπεδο χ/ζ

𝜆𝑐𝑟= {𝐾 𝐼𝐶2 𝑑 / (𝐸𝜀 )2 }1/2

𝑑𝑐𝑟=0.5𝐾 𝐼𝐶2 / (𝐸 𝜀 )2

𝜆𝑐𝑟=14𝜇𝑚𝑑𝑐𝑟=10𝜇𝑚

• Αυτές οι τιμές αναφέρονται σε σύνθετο δείγμα Υ123/Υ211 και έχουν ληφθεί απο δημοσιοποιημένα δεδομένα, ενώ η παραμόρφωση που επάγεται στο οξυγονωμένο στρώμα εξαιτίας των διαφορών στις πλεγματικές σταθερές α+β/2 είναι για εξισορροπημένες συγκεντρώσεις οξυγόνου στην έκταση του δείγματος

• Η υπολογισμένη κρίσιμη απόσταση ρωγμών δεν απέχει απο την τιμή της απόστασης για μακρορωγμές ζ η οποία μετρήθηκε σε πλήρως οξυγονωμένα δείγματα σε θερμοκρασία 380 βαθμών. Οι πλεγματικές σταθερές του YBCO για διαφορετικά χ λήφθηκαν απο βιβλιογραφία και οι διάφορές στην θερμική διαστολή για τα διάφορα χ δεν λήφθηκαν υπ’ όψη για τον υπολογισμό.

𝜆𝑐𝑟=34 ±14𝜇𝑚

• Εικόνα 6. θερμοκρασία περιβάλλοντος συναρτησι της χ+ψ/2 πλεγματικής σταθεράς της Y123 φάσης αναφερόμενοι στην συγκέντρωση οξυγόνου στη φάση αυτή (τρίγωνο συμφωνα με το [14], κύκλος σύμφωνα με το [15]). Η συγκέντρωση του οξυγόνου εκφράζεται απο τη θερμοκρασία ανόπτησης στην καθαρή ατμόσφαιρα οξυγόνου

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ• Συμπερασματικά αποδείχθηκε οτι η οξυγόνωση των TSMG

μονοκρυσταλλικών bulk υπεραγωγών δεν συνοδεύεται μονο απο τον σχηματισμό χ/ψ μακρορωγμών. Για μεγάλους χρόνους οξυγόνωσης τα <<ελάσματα>> κατα μήκος των χ/ψ μικρορωγμών γίνονται ακανόνιστα δείχνοντας τον σχηματισμό ζ μακρορωγμών , οι οποίες είναι κάθετες με τις χ/ψ μικρορωγμές και παράλληλες με το επίπεδο χ/ζ.

• Η πλεγματική ένταση της φάσης 123 στο επίπεδο χ/ψ επάγει εφελκυστικές τάσεις στο οξυγωνομένο στρώμα, οι οποίες δεν μπορούν να ανακουφιστούν απο την κίνηση διδυμιών.

• Κρίσιμο πάχος του στρώματος στους 380 βαθμούς κελσίου είναι 10μm και υπολογίστηκε με βάση το μοντέλο Thoule . Εκτιμόμενη κρίσιμη απόσταση των ζ μακρορωγμών σε αυτή τη θερμοκρασία είναι 14μm και έρχεται σε συμφωνία με μετρήσεις αποστάσεων ζ μακρορωγμών standard δειγμάτων TSMG

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

• P. Diko, G. Krabbes [Formation Of C-Macrockracks During Oxygenation Of TSMG YBa2Cu3O7/Y2BaCuO5 Single-Grain Superconductors/Physica C 399 (151-157)/ July 3 /2003]

• [14] J.D. Jorgensen, M.A. Beno, D.G. Hings, L. Sodelhorm, K.J. Volin, R.T. Hitterman, J.G. Grace, I.K. Shuller, C.U. Serge, K Zhang, M.S. Kleefisch [Phys. Rev B 36 (1986) 3608]

• [15]H. Casalta et al [ Phsysica C 258 (1966) 321]

ΤΕΛΟΣΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ