Superconducting materials by design: Bulk with artificial thin walls as cryo-magnets

ABSTRACT: From Y₂BaCuO₅ (Y211) foam structure and perforated Y211 bulk with various an artificial array of holes, single domain composites YBa₂Cu₃O_y(Y123)/Y₂BaCuO₅ have been prepared by combination of the infiltration and top seed growth (ITSG) process. The process involves the shaping of 211 preforms by conventional ceramic routes such as uniaxial and isostatic pressing. A compact of 123 or 123 rich in liquid phase, acting as a source is placed in contact with the 211 "reservoir", and heated above the peritectic temperature of 123. The liquid source infiltrates the perforated reservoir and the peritectic reaction occurring between the preform 211 and the matrix (liquid phases) during slow cooling from the peritectic temperature results in the growth of 123 with uniformly distributed fine 211 particles.
The goal is to facilitate sample oxygenation and decrease crack formation in order to address the problem of hot spot formation during d.c. transport current characterizations. As-processed samples contain mechanically patterned holes parallel to the mean c-axis interconnected of the textured domain. This makes samples easier to oxygenate and cool.
This approach would allow a better reproducibility in the elaboration of the holes which would make accessible modelled experiments. It will be demonstrated in this work that this latter approach can be used to obtain Y123 bulks exhibiting microstructures, textures and properties under magnetic fields similar to the usual bulks of the literature.

KEYWORDS: superconducting material, Y123 bulk, peritectic reaction, cryomagnet.

STRESZCZENIE: Z materiału Y₂BaCuO₅ (Y 211) o strukturze pianki i perforowanego materiału litego z różnym rozkładem porów, w wyniku złożenia procesów infiltracji (wnikania) i rozrostu fazy (ITSG), otrzymano kompozyt YBa₂Cu₃O_y (Y 123) / Y₂BaCuO₅ (Y 211) złożony z pojedynczych domen. Taki proces pozwala na kształtowanie struktury typu Y 211 na drodze konwencjonalnych metod stosowanych w ceramice, takich jak jednoosiowe lub izostatyczne prasowanie. Wypraska z materiału Y 123 lub Y 123 bogatego w fazę ciekłą, działająca jako źródło w połączeniu ze „zbiornikiem” Y 211, jest wygrzewana do temperatury powyżej temperatury perytektycznej Y 123. W wyniku czego ciekłe źródło wnika w perforowany materiał i zachodzi reakcja perytektyczna między fazą Y 211 i matrycą (faza ciekła). Podczas powolnego chłodzenia od temperatury perytektycznej zachodzi rozrost fazy Y 123 z jednorodnym rozkładem drobnych cząsteczek Y 211.
Celem pracy jest określenie warunków zwiększonego dotleniania i obniżenia tendencji do powstawania pęknięć w odniesieniu do tworzenia się „gorących punktów” podczas zachodzenia charakterystycznych procesów. Tak otrzymane próbki zawierają mechanicznie modelowane pory równoległe do głównej osi c powiązanej z teksturą domen, co ułatwia dotlenianie i chłodzenie próbek. Takie podejście do eksperymentu pozwala na uzyskanie lepszej powtarzalności wyników w odniesieniu do modelowania rozkładu porów. Praca pokazuje, iż prezentowana tutaj metoda może być stosowana do otrzymywania materiałów typu Y 123 o odpowiedniej mikrostrukturze, teksturze i właściwościach magnetycznych podobnych do typowych materiałów znanych z literatury.

SŁOWA KLUCZOWE: materiał nadprzewodzący, materiał Y123, reakcja perytektyczna, kriomagnes.

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

• J.G. BERNORZ and K.A. MÜLLER, Possible high Tc superconductivity in the Ba-La-Cu-O system Z. Phys. B-Condensed Matter. 64, 189 (1986).
• W. PAUL, M. LAKNER, J. RHYNER, P. UNTERNAHNER, Th. BAUMANN, M. CHEN, L. WIDENHORN, A. GUÉRIG, Test of 1.2 MVA high- Tc superconducting fault current limiter, Supercond. Sci. Technol. 10, 914 (1997).
• X. OBRADORS, T. PUIG, E. MENDOZA, J. PLAIN, J. FIGUERAS, X. GRANADOS, A.E. CARILLO, E. VARES, F. SANDIUMENGUE and P. TIXADOR, Tuning the critical currents in bulk MTG YBCO for current limiting devices, Supercond. Sci. Technol. 13, 879(2000).
• J. NOUDEM, J. M. BARBUT, O. BELMONT, J. SANCHEZ, P. TIXADOR and R. TOURNIER, Current limitation at 1080 A under 1100 V with bulk Bi-2223, IEEE Trans. Appl. Supercond. 9, 664 (1998).
• M. TOMITA and M. MURAKAMI, High-temperature superconductor bulk magnets that can trap magnetic fields of over 17 tesla at 29 K, Nature. 421, 517 (2003).
• D. ISFORT, X. CHAUD, R. TOURNIER and G. KAPELSKI, Cracking and oxygenation of YBaCuO bulk superconductors: application to c-axis elements for current limitation, Physica C. 390, 341 (2003).
• E. S. REDDY, M. HERWEG and G. J. SCHMITZ, Processing of Y2BaCuO5 foams, Supercond. Sci. Technol. 16, 608 (2003).
• J.G. NOUDEM, E. S. REDDY, and G.J. SCHMITZ, Magnetic and transport properties of YBa₂Cu₃O_y superconductor foams, Physica C. 390, 286 (2003).
• X. CHAUD, S. MESLIN, J. NOUDEM, C. HARNOIS, L. PORCAR, D. CHATEIGNER, R. TOURNIER, Isothermal growth of large YBaCuO single domains through an artificial array of holes, Journal of Crystal Growth. 275, 855 (2005).
• J.G. NOUDEM, S. MESLIN, C. HARNOIS, D. CHATEIGNER and X. CHAUD , Melt textured YBa₂Cu₃O₇ bulk with artificially patterned holes: a new way of processing c-axis fault current limiter meander, Supercond. Sci. Technol. 17, 931 (2004).
• E SUDHAKAR Reddy, NHARI BABU, Y SHI, D A CARDWELL and G J SCHMITZ, Processing of large grain Y-123 superconductors with pre-defined porous structures, Supercond. Sci. Technol. 18, 15 (2005).
• Mechanism of seeded infiltration growth process analysed by magnetic susceptibility measurements and in situ observation, H. CAO, X. CHAUD, J.G. NOUDEM, C. ZHANG, R. HU, J. LI, L. ZHOU, Ceramics International. 36, 1383 (2010).
• Novel configuration of processing bulk textured YB₂Cu₃O_{7_x} superconductor by seeded infiltration growth method, Haitao CAO, Nahed MOUTALBI, Christelle HARNOIS, Rui HU, Jinshan LI, Lian ZHOU, Jacques G. NOUDEM, Physica C. 470, 68 (2010).
• S. MESLIN, and J.G. NOUDEM, Infiltration and top seeded growth mono-domain YBa₂Cu₃O_7-x bulk superconductor, Supercond. Sci. Technol. 17, 1324 (2004).
• Zircar Products Inc., www. Zircarzirconia.com, Florida NY, USA.
• C. HARNOIS, Attempts and success in texturing large single domains of cerium and silver doped YBaCu3Oy, upercond. Sci. and Technol. 15, 864 (2002).
• F. GIOVANNELLI and I. MONOT-LAFFEZ, YBCO bulk material processed in an oxygen controlled melt-growth process, Supercond. Sci. and Technol. 15, 1193 (2002).
• P. PROZOROV, A. TSAMERET, Y. YESHURUN, G. KOREN, M. KONCZYKOWSKI and S. BOUFFARD, Frequency dependent irreversibility line and undirectional magnetic anistrophy in thin YBa₂Cu₃O_7−x films irradiated with heavy ions, Physica C. 235, 3063 (1994).

DOI: http://dx.doi.org/10.17814/mechanik.2015.2.73