Aquests materials van ser un gran descobriment per a la ciència, ja que els materials coneguts fins fa poc, com els metalls d'alta puresa, quan es refreden a temperatures properes a zero kelvin, la resistència disminueix gradualment fins a assolir un valor petit però finit. El primer és la tècnica amb què es van fer els primers cables HTS.
Tipus de superconductors
Superconductors d’alta temperatura
Estructura de la perovskita
En l'estructura de tipus perovskita es poden fer variacions en la seva composició ideal ja que aquesta és sensible als canvis en els cations A i B. Un cop explicades les característiques i l'estructura del tipus perovskita, es pot procedir a la descripció detallada de l'estructura i les propietats de la composició en què es basa el projecte: YBCO.
Estructura de l’YBCO
Com s'ha vist a l'apartat 3.4.1, la perovskita és un òxid de titani i calci (CaTiO3) i per tant la seva composició no té res a veure amb la de YBCO. Si es compara l'estructura de YBCO amb l'estructura de tipus perovskita, es pot veure com a YBCO la cel·la unitat es forma mitjançant l'apilament de tres cel·les cúbiques.
Mètode ceràmic
La informació que es detallarà a continuació pot ser de gran interès a causa de la poca literatura oberta sobre aquest tema. Independentment d'aquesta classificació, s'identificaran tant els mètodes més tradicionals, com el mètode ceràmic, com els que es realitzen en condicions més suaus, com els mètodes de flux, sol-gel, hidrotermal, de reacció d'intercalació i electroquímics.
Síntesis de flux
Reaccions d’intercalació
Síntesis electroquímica
Síntesis a alta pressió
Mètode del precursor
Química suau
- Coprecipitació
- Mètode sol-gel
- Síntesi hidrotermal
- Mètode de deposició per bany químic (CBD)
- Mètode d’absorció i reacció successiu de capes iòniques (SILAR)
- Mètode de dipòsit des de la fase líquida (LPD)
El producte final obtingut és una pel·lícula que es forma a la superfície del substrat per la reacció química que hi té lloc. Es pot dir que és una tècnica alternativa al mètode de deposició en bany químic (CBD) explicat a la secció anterior.
Síntesis per mitjà de solucions de polímers metàl·lics
Mètode de dipòsit químic des de la fase de vapor (CVD)
El mètode CVD, el nom del qual deriva de les sigles angleses Chemical Vapor Deposition, permet obtenir productes d'alta puresa mitjançant un procés químic. La seva tècnica es caracteritza per la presència d'un substrat exposat a un o més precursors volàtils, que reaccionen o es descomponen a la superfície del substrat, produint la deposició desitjada.
Mètode de dipòsit físic des de la fase de vapor (PVD)
És probable que es creïn subproductes volàtils que s'eliminaran pel flux de gas que circula per la cambra de reacció.
Mètode de dipòsit de polímer assistit (PAD)
La gran majoria dels ions metàl·lics són capaços de formar compostos de coordinació o compostos de molècules o anions disposats al seu voltant. El nombre de coordinació d'un compost és el nombre de posicions (L) en què es poden formar enllaços al voltant de l'àtom central (M).
Forn Kjeldhal
Forn d’alta temperatura
S'hi han aplicat diversos programes amb diferents temperatures de 750 a 850 ºC durant 60 minuts amb una velocitat d'escalfament de 10 K/min. I ha permès treballar amb atmosfera inert gràcies a la introducció de gas argó, que és un gas inert (no reacciona).
Cabalímetre
Aquest forn d'alta temperatura es va utilitzar en el pas final d'obtenció de pols superconductores d'alta temperatura.
Forn de mufla d’alta temperatura
També permet introduir el temps que trigarà a arribar a la temperatura final programada, és a dir, la velocitat de calefacció. Es pot comprovar que el seu comportament és pràcticament el mateix que el del forn d'alta temperatura explicat a l'apartat 5.2, però la diferència és que en aquest cas és més complicat obtenir una atmosfera inert, per aquest motiu l'atmosfera serà quan s'utilitzi. aquest aparell. aire.
Placa calefactora
Es programa la temperatura que es vol assolir, permetent temperatures de fins a 1300ºC, i el temps durant el qual es vol mantenir aquesta temperatura (la isoterma). Consta d'un selector de potència que permet ajustar la temperatura i d'un agitador magnètic que permet remenar automàticament el líquid escalfat si introduïm un petit imant.
Aparell Setsys
D'altra banda, l'entrada de gas auxiliar ha de ser controlada per un mesurador de cabal extern. Com que és un forn que pot arribar a altes temperatures, necessita un sistema de refrigeració.
Difractòmetre de raigs X
Espectròmetre de rajos infrarojos (IR)
Instrumentació addicional -Morter d’Àgata
En aquest apartat es detallarà el procés experimental que s'ha dut a terme per obtenir YBa2Cu3O7 i GdBa2Cu3O7. A partir dels resultats obtinguts, s'han anat variant els paràmetres de la reacció (concentracions, temperatures, etc.) i els tractaments tèrmics (atmosfera, temperatura, temps, etc.) fins a la manera més òptima d'obtenir el producte final.
Caracterització dels productes de partida
Determinació del polímer
- Estudi de termogravimetria del PEG
Per al càlcul de la massa molecular d'una unitat de PEG s'assumeix n=1, de manera que se sabrà quants àtoms de cada element conté. Tanmateix, s'observa una gran pèrdua de massa entre 190 i 280ºC, això correspon a la degradació del PEG.
Determinació de l’àcid
D'altra banda, una mostra de PEG pur no va mostrar pèrdua de massa entre 100 i 190 ºC, indicant que no hi havia aigua o que la quantitat era tan petita que no es notava. A partir dels 280 °C la pèrdua no és tan significativa, però es nota que quan s'arriba a 350 °C, gairebé es pot considerar que el PEG s'ha degradat completament.
Determinació dels òxids
De fet, la massa del residu final obtingut pesant a la microbalanza va ser de 0,019 mg, és a dir, un valor molt proper a zero.
Preparació de la dissolució precursora del superconductor
Per fer-ho, es pren la solució de PEG i s'aboca a la proveta que conté la solució de CuO i Y2O3. Hem continuat comprovant l'acidesa amb un paper indicador i es va veure que la solució era prou àcida.
Primer tractament tèrmic
Una altra dada requerida és el pes molecular de Gd2O3, aquest s'obté per l'eq. El fet d'utilitzar gadolini pot ser un aspecte positiu, ja que al tenir un pes molecular superior al de l'itri, els seus enllaços vibraran menys i en conseqüència serà més estable en conducció.
Segon tractament tèrmic d’alta temperatura
L'escalfament es realitza entre 750/850ºC durant 60 minuts, a una velocitat d'escalfament de 10 K/min i amb una atmosfera d'argó inert controlada. La bibliografia utilitza una atmosfera inert de N2, però el projecte va apostar per l'ús d'argó.
Anàlisis tèrmiques
Termogravimetria
- Interpretació de les corbes obtingudes per termogravimetria
Es va utilitzar un analitzador termogravimètric SETSYS de Setaram per a les anàlisis de mostres. Això és útil per determinar els límits de l'estabilitat dels reactius, determinar l'estequiometria i investigar la cinètica de la reacció.
Anàlisi tèrmica diferencial (DTA)
- Interpretació de les corbes DTA
Gràcies a aquesta quarta corba es poden determinar els límits d'estabilitat del reactiu i dels punts intermedis, així com l'estequiometria de la reacció, tot i que és més complexa. La cinquena corba (5) també mostra una descomposició multifàsica, però amb intermedis inestables, per això no es pot obtenir molta informació sobre l'estequiometria de la reacció.
Espectroscòpia Infraroja (IR)
Procediment per a analitzar una mostra
Cal tenir en compte que la tauleta obtinguda és molt fràgil i, per tant, s'ha de manejar amb molta cura. Finalment, es retira el primer cilindre petit i després, amb una espàtula, es retira la pastilla i es col·loca sobre el suport de mostres que es col·loca a l'espectròmetre.
Interpretació dels espectres d’IR
Difracció de raig X (DRX)
Interpretació qualitativa d’un difractograma
A partir del difractograma d'una mostra, la identificació de les fases presents es realitza mitjançant un ordinador amb un programa específic (especificat a l'apartat 8.2) i consisteix a comparar els patrons i la mostra. Per entendre millor com s'interpreten, la figura 47 mostra el difractograma d'una mostra de les pols obtingudes durant el primer tractament tèrmic.
Obtenció dels espectres d’IR
En aquest apartat es detalla com s'han tractat les dades obtingudes mitjançant els mètodes de caracterització. En aquest projecte s'ha utilitzat el format Excel perquè permet extreure les dades de la corba corresponent a l'espectre IR per visualitzar-la amb el programa OriginPro 9.1.
Representació de les corbes de difracció
Equació d’Scherrer
- Aplicació pràctica
La reducció de la mida del cristall dóna com a resultat pics de difracció més amplis. Aquesta equació extreu informació sobre la mida del cristall de l'amplada dels pics de difracció.
Representació de les corbes obtingudes per termogravimetria
Aquest fet demostra que el procediment realitzat fins ara compleix els objectius de reducció de la mida del gra.
Representació de les corbes DTA
Obtenció de les pólvores intermèdies
Amb aquestes mides s'obté un valor mitjà de la mida del cristall determinat per als òxids de partida i un altre per a les pols. Amb aquestes mides, es calcula un valor mitjà de la mida del cristall determinat per als òxids de partida i un altre per a les pols.
Obtenció de l’YBa2Cu3O7
- Pólvores escalfades amb el forn d’alta temperatura a 750ºC durant 60 minuts, atmosfera Argó
- Pólvores escalfades amb el forn FTL a 800ºC durant 60 minuts, atmosfera Argó
- Pólvores escalfades amb el forn FTL a 850ºC durant 60 minuts, atmosfera Argó
Gràcies a la interpretació de la composició de les pols, s'ha vist que la temperatura del tractament tèrmic realitzat és insuficient per obtenir la fase desitjada en estat pur. El difractograma (figura 56) reflecteix el resultat de la composició de les pols obtingudes d'aquest tractament.
Resum dels resultats obtinguts
Tant l'espectre de raigs X (figura 59) com els percentatges de carbonat en funció de la temperatura (taula 13) mostren que el carbonat de bari té una tendència indiscutible a desaparèixer a mesura que augmenta la temperatura. Per tant, es pot concloure que si augmenta la temperatura del tractament, s'obtindrà un 100% de YBCO d'alt rendiment en absència de carbonat.
Optimització del pre-tractament tèrmic
A aquesta temperatura, tal com s'explica a l'apartat 6.1.1.2, es produeix l'evaporació de l'aigua que hi pot haver a la mostra, durant el procediment la mostra es torna tèrbol i forma una mena d'escuma viscosa i de color blau verd. Es pot observar com l'aigua i el PEG (estudi de degradació del PEG a l'apartat 6.1.1.2) de la solució inicial no han tingut temps d'evaporar-se i, per tant, encara hi ha nitrats.
Escalfament en una placa a 100ºC en una atmosfera oxidant d’aire
Per estudiar l'evolució de la mida del gra, es compara el difractograma d'aquest producte amb el corresponent als òxids de partida (figura 63). La taula 18 mostra com el valor mitjà de la mida del cristall de la fase BaCO3 del producte obtingut (2) es redueix aproximadament a la meitat respecte a la mida del cristall dels òxids inicials (1), que passa d'una mida de 77,35 a 34,70 p.m.
Escalfament en una placa a 220ºC en una atmosfera oxidant d’aire
- Assaig 1
- Assaig 2
- Assaig 3
Per identificar les fases cristal·lines presents, la caracterització es va realitzar mitjançant difracció de raigs X. La taula 22 mostra els valors de la mida del cristall obtinguts per a aquesta prova.
Assajos relatius al primer tractament tèrmic
- Estudi de la dissolució a temperatura ambient
- Discussió dels resultats de l’estudi de termogravimetria
- Analitzar una gota de la dissolució tractada a 100 ºC amb el microscopi òptic
Quan el PEG està completament degradat, el valor del percentatge de massa final hauria de ser del 34,6% de la massa inicial. Per confirmar si s'ha produït una degradació, s'observa el percentatge de massa de la mostra inicial que s'ha perdut.
Estudi de la descomposició dels nitrats
Amb la corba DTA (figura 72) obtinguda, es confirmarà si s'ha fet una correcta interpretació del termograma. Aleshores, es confirma el que s'interpretava al termograma, en el qual es veia com es descompon el nitrat d'itri a diferents temperatures.
El procés d'obtenció de la tauleta és senzill, però requereix molt de temps, ja que es requereix un tractament tèrmic a llarg termini. Mitjançant un estudi termogravimètric, es va evidenciar el comportament del PEG contingut en la solució anterior de pols intermedis.
Descomposició de preus
Quadre de preus unitaris
Quadre de preus descompostos
Pressupostos parcials
Pressupost total