[논문 리뷰] Bulk Magnesium Diboride, Mechanical and Superconducting Properties

V. F. Nesterenko|arXiv (Cornell University)|2002. 12. 21.

Metal and Thin Film Mechanics참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 2 kbar 및 1000 °C에서 열등압압축(HIPing)을 사용하여 직경 최대 30 mm인 덩어리로, 완전 밀도인 마그네슘 디보라이드(MgB2) 시료를 성공적으로 제조함을 보여준다. DMCUP 냉각 사이클을 적용하여 밀도를 유지하고 균열을 방지하였다. 이 방법은 높은 임계 전류 밀도, 날카로운 초전도 전이 및 이론 예측에 가까운 기계적 성질(예: 부피모odulus 142.5 GPa, 영률 272.5 GPa)을 제공하며, 미세구조적 특성으로 인해 플럭스 핀닝이 향상된다.

ABSTRACT

Hot Isostatic Pressing was applied to synthesize bulk samples with diameter up to 30 mm starting with Alfa Aesar magnesium diboride powder. HIPing at 2 kbar, 1000 C with cooling under pressure (DMCUP cycle) resulted in a fully dense (or low porosity) material with a sharp superconducting transition and critical current comparable with the best reported. Elastic constants were measured using method of resonant ultrasound spectroscopy. Their values for most dense samples (bulk modulus 142.5 GPa and Young's modulus 272.5 GPa) are close to theoretically predicted values for solid magnesium diboride. Porosity is resposible for lower values of elastic constants. Fracture toughness is evaluated based on measurements of microhardness and elastic constants. Upper critical field and irreversibility field are comparable with data for samples sintered at 3 GPa. Microstructural propeties of HIPed smaples are responsible for enhanced flux pinning. Method allows scaling of the size of the samples and manufacture of complex shapes.

연구 동기 및 목표

• 대규모, 고밀도 덩어리 MgB2 초전도체를 고임계 전류 밀도로 생산하기 위한 가용성 있는 방법을 개발하기 위해.
• HIP 처리된 MgB2 시료의 기계적 및 초전도 성질을 조사하기 위해.
• 미세구조 및 다공성과 탄성 상수 및 균열 인성 간의 상관관계를 규명하기 위해.
• HIP 처리된 MgB2의 상한 임계장과 비가역성 장을 평가하기 위해.
• 실용적 응용을 위한 복잡한 형상의 대직경 MgB2 부품 생산을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 알파 아에사르(MgB2) 분말을 2 kbar 및 1000 °C에서 열등압압축(HIPing)하여 완전 밀도화를 달성하였다.
• 밀도 유지 및 균열 방지를 위해 DMCUP(압력 유지 상태에서 냉각) 냉각 사이클을 사용하였다.
• 공명 초음파 스펙트로스코피(RUS)를 활용하여 탄성 상수, 특히 부피모odulus 및 영률을 측정하였다.
• 마이크로경도 및 탄성 상수를 이용하여 균열 인성을 추정하였다.
• 표준 전기적 및 자기적 기법을 사용하여 초전도 전이 온도, 상한 임계장(Hc2), 비가역성 장을 측정하였다.
• 미세구조 분석을 통해 다공성 및 결정립 구조가 플럭스 핀닝 및 기계적 거동에 미치는 영향을 연결하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열등압압축은 고성능 초전도성을 지닌 완전 밀도의 대직경 덩어리 MgB2 시료를 제조할 수 있는가?
• RQ2 HIP 처리된 MgB2의 탄성 상수는 이론 예측과 어떻게 비교되며, 다공성은 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 HIP 처리된 MgB2의 균열 인성은 얼마이며, 마이크로경도 및 탄성 성질과는 어떤 관계가 있는가?
• RQ4 HIP 처리된 MgB2의 상한 임계장과 비가역성 장은 고압 소결된 시료와 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ5 미세구조는 덩어리 MgB2에서 플럭스 핀닝과 임계 전류 밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 2 kbar 및 1000 °C에서 DMCUP 냉각 사이클을 적용한 HIPing를 통해 직경 최대 30 mm이며 다공성이 극히 적은 완전 밀도 MgB2 시료를 제조하였다.
• 부피모odulus는 142.5 GPa, 영률은 272.5 GPa로 측정되었으며, 순수한 MgB2에 대한 이론적 값과 매우 유사하였다.
• 다공성은 밀도가 낮은 시료에서 탄성 상수를 감소시키는 주요 인자로 규명되었다.
• 마이크로경도 및 탄성 상수를 이용한 균열 인성 추정은 기계적 안정성을 향상시켰음을 시사하였다.
• 상한 임계장과 비가역성 장은 3 GPa에서 소결된 시료와 유사하여 고품질의 초전도 성질을 나타내었다.
• HIP 공정에서 유도된 미세구조적 특성이 플럭스 핀닝을 향상시켜 고임계 전류 밀도에 기여하였다.