Fabrication and investigation of Fe/MgB2 superconducting wires and racetrack coils

Abstract

Bu tezde, çeşitli MgB2/Fe tellerin üretimi ilgili çekme işleminin bazıproblemlerini çözmek için uğraştık ve uygun tekniklerle çekme işleminigeliştirdik. Tek – çok damarlı süperiletken MgB2/Fe telleri ve şeritleri ex-situveya in-situ reaksiyon eşliğinde orjinal doldurma yöntemleriyle tüp içine tozmetodu kullanılarak ürettik. Daha sonra ısıl işlem sıcaklığı, süresi vebaşlangıç doldurma yoğunluğu ara ısıl işlem ile üretilmiş çeşitli çaplardaki tekçokdamarlı MgB2/Fe tellerin MgB2 fazının oluşumu, kritik geçiş sıcaklığı,kritik akım yada kritik akım yoğunluğu, iç ve geometrik yapısı, yoğunluğu,özdirençi, kritik alan ve sıcaklığa bağlı üst manyetik alan üzerindeki etkisiniçalıştık. Elde edilmiş olan tek gözenekli Fe/MgB2 1.90 ve 1.00 mm çapındakitellerimiz süperiletken özelliğini kazandırmak için 3 bölmeli boru fırınımızda800-900C aralığında 1 saat süreyle 5-10 bar argon basıncı altında ısıl işlemyapıldı. Manyetik alan altındaki kritik akım yoğunluğu açısından daha iyisuper iletken özellikleri elde etmek için en uygun ısıl işlem sıcaklığı tekdamarlı telin çapıyla ilişkilidir. Aynı ısıl işlem süresine ait tellerde en uygunsıcaklık 1.00 mm tel için 850 derece iken 1.90 mm tel için 900 derecedir.Ayrıca elde edilmiş tekdamarlı 1.00 mm tellerimizde mekanik deformasyonun,presleme öncesi ve sonrasında yapılan ısıl işlemin (800-1000C / 1 saat),mikroyapıda ve taneciklerin bir araya tutunmasındaki etkisini çalıştık.Presleme sonrası ısıl işlem mikroyapı ve parçacıklar arası kuvveti arttırdı.Bundan başka, üretilmiş olan çok damar (18+1) MgB2/Fe 1.00 mm çaplıtellerimiz 700-850C 1 saat ve 2 saat ısıl işlem süresiyle aynı şartlar altındatavlandığında, uygulamalarda süperiletkenler için en önemli özelliklerden biriolan uygulanan manyetik alan altında kritik akım değeri açısından çok damarlıtelimiz için en uygun sıcaklık 700C ve süre 1 saat bulundu. Bük vereaksiyonu gerçekleştir prosesiyle küçük çaplı tek ve çok damarlı tellerinbükme açısını düz tel ile karşılaştırarak inceledik. Bu tezde üretilmiş olansüperiletken teller XRD, SEM, EDS, taşıma Jc ve manyetik özdirençölçümleriyle karakterize edildi. Başlangıç boru doldurma yoğunluğunun birfonsiyonu olarak demir (Fe) kılıflı in-situ MgB2 tekdamarlı tellerin üretimiboru içine pellet metoduyla başlangıç doldurma yoğunluğunun artmasıFe/MgB2 tellerin kritik akımını geliştirildiği ve Ic (4.2 K) = 140 A , B = 5 Tmanyetik alan altında başarıldığını gösteriyor. Daha sonra, sıcak izostatikpresleme ile 1.1 GPa basınç yüksek alandaki (6-12 T) Tc belirgin olarakarttırıyor, tersinmez ve üst krtitik alanı geliştiriyor ve 4.2 K ve 20 K deki Jcyaklaşık 3 kat arttırıyor. Bundan başka eşit miktarda amorf ve amorf nanobor'un karışımı tellerin kritik akımını 3 T manyetik alanda Ic>150 A değerineulaştırdı. Sırasıyla presleme ve ardışık ısıl işlem ile aşırı mekanik deformasyontek damarlı ısıl işlem görmüş MgB2/Fe telin mikro yapı, tanecik bağlılığını vetransport özelliklerini geliştirdi. Sonuç olarak, manyetik alan altındaki kritikakım değeri yüksek olan tek damarlı tellerimizi kullanarak in-situ çok damarlı(18+1) teller elde edildi ve bu çok damarlı MgB2/Fe tellerimizin düşükalanlarda yüksek kritik akım sahip olduğunu gözlemledik. Bük ve reaksiyonugerçekleştir prosesinde bükme çapı, küçük çaplı tek ve çaplı çok damarlısüperiletken tellerin özelliklerini belirgin şekilde etkilemedi. Uygun ısıl işlemsıcaklığı tellerin çapına bağlıdır. Yaklaşık 25 m uzunluğundaki tek ve çokdamarlı MgB2/Fe tellerin parçaları sararak dört parkur tipi bobin yapıldı.Bobinlerin taşıma akımı ve bir tanesinin merkezinde üretilen manyetik alan 4.2K (sıvı helyum) sıcaklığında test edildi.

In this dissertation, we struggled to solve some problems of a drawing for thefabrication of various MgB2/Fe wires and improved the drawing process byemploying available techniques. We produced monocore and MF (6+1 and18+1) superconducting MgB2/Fe wires and tapes by using PIT or PLITtechniques with original initial filling process following the ex-situ or in-situreaction routes. Then, we studied the effect of sintering temperatures, times andinitial filling density on Tc, Ic, Jc, morphological/geometrical structure,densification, ρ, critical field, temperature dependence of upper critical fieldBc2(T) of MgB2/Fe monocore and MF wires in various diameter produced withIA. The obtained in-situ monocore Fe/MgB2 wires with 1.90 mm and 1.00 mmdiameter were sintered under argon pressure (5-10 bar) in a three-zone tubefurnace at temperatures in the range of 800-900C for 1 hour to achievesuperconducting property. Optimum sintering conditions to achieve bettersuperconducting properties in terms of Jc under external magnetic field arerelated with monocore wire diameter. The most suitable sintering temperature for1.90 mm wires is 900C while it is 850C for 1.00 mm wire, duration ofsintering is 1 hour for both cases. Also, we studied the effect of excessivemechanical deformation by pressing under 1GPa and BP, AP and PA on themicrostructure and transport properties of monocore sintered (800-1000C for 1hour) Fe/MgB2 1.00 mm wires (cross sectional area 0.00785 cm2). Thesubsequent heat treatment on the Fe/MgB2 tapes (cross sectional area 0.00667cm2) improved the microstructure and the grain connectivity. Moreover, thefabricated MgB2/Fe (18+1) MF wires with an outer diameter of 1.00 mm were sintered at temperature in the range of 700-850C for 1 hour and 2 hours under5-10 bar argon pressure. The most convenient sintering temperature and timewere found to be 700C and 1 hour in terms of achieving highest critical currentvalue under magnetic field since the in-field Jc is one of the most importantproperties for superconducting materials in applications. Bending angle wasexamined for the monocore and MF wires in small diameters as comparison withstrength wires in Bend&React process. The superconducting wires producedwithin this thesis were characterized using XRD, SEM, EDS, transport Jc andmagnetoresistivity measurements. The results of the produced of in-situmonocore Fe/MgB2 wires as a function of the initial tube filling density indicatesthat increment of the initial filling density with PLIT (Filling 2) methodimproved the critical current of the Fe/MgB2 wires, and a high Ic (4.2 K) = 140 Aat B = 5 T is achieved. The pressure of 1.1 GPa applied via HIP method increasesTc quite significantly in high magnetic field range of 6-12 T, improves the Birrand Bc2 and increases the Jc at 4.2 K and 20 K about three times. Moreover,initial filling with mixture of the amorphous boron and amorphous nano boronpowders at equal amounts improved the transport engineering Jc (Ic>150 A under3 T) values of the wires in magnetic fields (< 6 T). The excessive mechanicaldeformation by pressing and consecutive heat treatment improved themicrostructure, the grain connectivity and transport properties of monocoresintered in-situ Fe/MgB2 wires. Finally, the in-situ MF wires were obtained byusing the monocore MgB2/Fe wires which already have high Jc values underapplied magnetic field and we observed that the MgB2/Fe (18+1) wires have highcritical current values under low external magnetic field(< 6 T). Bendingdiameter size did not affect superconducting properties of the monocore and MFMgB2/Fe small diameter wires significantly in Bend&React process. Optimumsintering temperature depends on diameter of the wires. Four racetrack coilswere made by winding the pieces of monocore and MF MgB2/Fe wires withabout 25 meters length. The transport current of them and the produced magneticfield at the center of a racetrack coil was measured at 4.2 K.