[논문 리뷰] Transport Current in MgB2 based Superconducting Strand at 4.2 K and Self-Field

M.D. Sumption, Xuan Peng외 3명|arXiv (Cornell University)|2001. 02. 23.

Superconductivity in MgB2 and Alloys참고 문헌 7인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 4.2 K 및 자기장이 없는 조건에서 MgB2 기반 초전도체 와이어에서 7.5 × 10⁴ A/cm²의 임계 전류 밀도를 달성했으며, 이는 MgB2 분말을 Nb로 코팅된 모넬 튜브에 충진한 후 와이어 drawing 및 테이프로 압연 처리한 결과이다. 900 °C에서 2시간 동안 열처리를 실시한 결과 최고의 전류 운반 성능을 보였으며, 이는 고성능 MgB2 와이어 제조를 위한 이 공정로의 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

Transport current values of 7.5 x 104 A/cm2 at 4.2 K and self-field are reported for MbB2-based tapes. MgB2 strands were formed by directly filling commercially available MgB2 powder into Nb-lined, monel tubes and wire drawing. The wires were then rolled into tapes 2.56 x 0.32 mm2, with a total superconducting cross section of 0.2319 mm2. Transport measurements were performed using a standard four-point technique at T = 4.2 K (in liquid helium) and at self field. Three samples were prepared, with heat treatments of 900C for 1, 2, and 3 h under 1/3 at Ar. Measured values of transport current were 4.7, 7.5, and 1.1 x 104 A/cm2, respectively, at 4.2 K and self field. M-H loops taken on the sample HT for 1 h showed magnetic Jcs of 4.2 x 104 A/cm2 at 4.2 K and 1 T, indicating that the material had reasonably well connected grains.

연구 동기 및 목표

• 고임계 전류 밀도를 가진 MgB2 기반 초전도체 와이어를 대량 생산할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 열처리 시간이 MgB2 테이프의 전류 운반 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 자기 히스테리시스 측정을 통해 결정립의 연결성과 자기 반응을 평가하기 위해.
• 상용 MgB2 분말을 모넬/Nb 코팅 튜브 구조에 효과적으로 활용하여 고전류 응용을 위한 초전도체 와이어를 제조할 수 있는지 검토하기 위해.

제안 방법

• MgB2 분말을 직접 Nb로 코팅된 모넬 튜브에 충진하여 프리커서 와이어를 제작하였다.
• 충진된 튜브는 와이어로 Drawing 처리된 후, 2.56 × 0.32 mm²의 횡단면을 가진 테이프로 압연되었다.
• 세 개의 시료를 아르곤 분雰위에서 900 °C에서 각각 1시간, 2시간, 3시간 동안 열처리하였다.
• 4.2 K 및 자기장이 없는 조건에서 표준 사점 측정 기법을 사용하여 전류 운반 성능을 측정하였다.
• 외부 자기장 하에서 임계 전류 밀도를 결정하기 위해 1시간 열처리 시료의 자기 히스테리시스(M-H) 루프를 기록하였다.
• 전류 밀도 정규화를 위해 초전도체 횡단면적을 0.2319 mm²로 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4.2 K 및 자기장이 없는 조건에서 분말-튜브 공정을 통해 제조된 MgB2 기반 와이어에서 도달 가능한 최대 전류 밀도는 얼마인가?
• RQ2 열처리 시간(1시간, 2시간, 3시간)이 MgB2 테이프의 임계 전류 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 자기 히스테리시스 측정을 통해 나타난 바에 따르면, MgB2 테이프의 결정립은 얼마나 잘 연결되어 있는가?
• RQ4 상용으로 유통되는 MgB2 분말을 모넬/Nb 코팅 튜브 구조에 효과적으로 활용하여 고성능 초전도체 와이어를 제조할 수 있는가?
• RQ5 외부 자기장 1 T 하에서 최고 성능을 보인 시료의 자기 임계 전류 밀도는 얼마인가?

주요 결과

• 900 °C에서 2시간 열처리한 시료가 4.2 K 및 자기장이 없는 조건에서 최고의 전류 밀도 7.5 × 10⁴ A/cm²를 기록하였다.
• 1시간 열처리한 시료는 4.2 K 및 1 T 외부 자기장 하에서 자기 임계 전류 밀도 4.2 × 10⁴ A/cm²를 나타내어 양호한 결정립 연결성을 보였다.
• 3시간 열처리한 시료는 성능이著격히 떨어졌으며, 전류 밀도는 단지 1.1 × 10⁴ A/cm²에 그쳤다.
• 2시간 이상 열처리 시간이 증가함에 따라 전류 밀도가 감소하여, 가능한 과도한 탄화 또는 열화가 발생했음을 시사한다.
• 측정된 초전도체 횡단면적은 0.2319 mm²로, 전류 밀도 값의 정규화에 사용되었다.
• 결과적으로 최적의 열처리 조건이 MgB2 기반 와이어에서 고성능 전류 운반 성능을 달성하는 데 필수적임을 입증하였다.