MgB2 superconductor wires: Fabrication and properties

Abstract

Bu tezde, tek damarlı (MgB2/Fe, MgB2/Ag ve MgB2/SS) ve çok damarlı (6 ve 7 damarlı MgB2/Fe/Cu, 7 ve 23 damarlı MgB2/Ag/Fe ve 6 damarlı MgB2/SS/Cu) süperiletken MgB2 telleri ve şeritleri, powder-in-tube (PIT) yöntemini ve continuous tube forming and filling (CTFF) yöntemini, ex-situ ve ex-situ ile in-situ reaksiyon yollarının karışımını kullanarak ürettik. Herhangi bir ara tavlama işlemi yapılmaksızın ex-situ PIT yöntemi kullanılarak üretilmiş olan tek damarlı MgB2/Fe şeritlerin tavlama sıcaklıklarının ve sürelerinin MgB2 faz oluşumu, geçiş sıcaklığı (Tc), örgü parametreleri (a and c), FWHM, kristalleşme, özdirenç, residual özdirençoranı (RRR), aktif kesit alanı kesri (AF), sıcaklığa bağlı tersinmez alan Hirr(T), sıcaklığa bağlı üst kritik alan Hc2(T), aktivasyon enerjisi U(B,T) ve kritik akım yoğunlukları (Jc) üzerindeki etkisini inceledik. En uygun tavlama sıcaklığını elde etmek için, tek damarlı MgB2/Fe şeritler 650oC, 750oC, 850oC, 950oC ve 1050oC de 60 dakika tavlandı. Sonra, en uygun tavlama süresini elde etmek için, numuneler 950oC de 15, 30, 60, 120, 180 ve 240 dakika tavlandı. Bu incelemelerden, en uygun tavlama sıcaklığını ve süresini sırasıyla 950oC ve 60 dakika olarak bulduk. Tek damarlı MgB2/Fe şeritler, X-ışını kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağıtıcı X-ışını spektrometresi (EDS), optik mikroskop, kritik geçiş sıcaklığı (Tc), kritik akım yoğunluğu (Jc), manyetik özdirenç ve mıknatıslanma ölçümleri kullanılarak karakterize edildi. Transport ve mikro yapı incelemeleri, artan tavlama sıcaklığının, Tc, Jc ve mikro yapı özelliklerini olağanüstü olarak artırdığını gösterdi. En yüksek kritik akım yoğunluğu değeri, 950oC de 60 dakika tavlama sonrasında elde edildi. 950oC de 60 dakika tavlanmış tek damarlı MgB2/Fe şeridin Jc ve Tcoffset değerleri sırasıyla 260.43 A/cm2 (20 K' de) ve 38.1 K olarak bulundu. Birde, tek damarlı ve çok damarlı MgB2 süperiletken numunelerin süperiletkenlik özelliklerini, XRD, SEM, EDS, optik mikroskop, kritik geçiş sıcaklığı, kritik akım yoğunluğu, manyetik özdirenç ve mıknatıslanma ölçümleri kullanılarak inceledik. Tek damarlı ve çok damarlı MgB2 tellerin ve şeritlerin transport, manyetik ve mikro yapı incelemelerinin sonuçları tezde verildi ve tartışıldı. Bundan başka, aşırı haddelemenin ticari MgB2 şeritlerin süperiletkenlik özellikleri üzerine etkisini inceledik. Ticari MgB2 şeritlerin elektriksel özdirenç ve kritik akım yoğunluğu ölçümlerinin sonuçları tezde verildi ve tartışıldı.

In this thesis, we have fabricated monofilament (MgB2/Fe, MgB2/Ag and MgB2/SS) and multifilament (6 and 7 filament MgB2/Fe/Cu, 7 and 23 filament MgB2/Ag/Fe and 6 filament MgB2/SS/Cu) superconducting MgB2 wires and tapes by using powder-in-tube (PIT) method and continuous tube forming and filling (CTFF) method following the ex situ and mixture of ex situ and in situ reaction routes. We have investigated the effect of annealing temperatures and times on the formation of MgB2 phase, transition temperature (Tc), lattice parameters (a and c), full width at half maximum (FWHM), crystallinity, resistivity (?), residual resistivity ratio (RRR), active cross-sectional area fraction (AF), temperature dependence of irreversibilityfield Hirr(T), temperature dependence of upper critical field Hc2(T), activation energy U(B,T) and critical current densities (Jc) of MgB2/Fe monofilament tapes fabricated using ex-situ powder-in-tube (PIT) method without any intermediate annealing. To obtain the optimum annealing temperature, MgB2/Fe monofilament tapes were annealed at 650oC, 750oC, 850oC, 950oC and 1050oC for 60 minutes. Then, to obtain the optimum annealing time, the samples were annealed at 950oC for 15, 30, 60, 120, 180 and 240 minutes. From these investigations, we found that the optimum annealing temperature and time are 950oC and 60 minutes, respectively. The MgB2/Fe monofilament tapes were characterized using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), energy dispersive X-ray spectrometer (EDS), optical microscope, critical transition temperature (Tc), critical current density (Jc), magnetoresistivity and magnetization measurements. The transport and microstructure investigations show that Tc, Jc and microstructure properties are remarkably enhanced with increasing annealing temperature. The highest value of critical current density is obtained after annealing at 950oC for 60 minutes. The Jc and Tcoffset values of the MgB2/Fe monofilament tape annealed at 950oC for 60 minutes were found to be 260.43 A/cm2 at 20 K and 38.1 K, respectively. Also, we have investigated the superconducting properties of monofilament and multifilament MgB2 superconducting samples employing XRD, SEM, EDS, optical microscope, critical transition temperature, and critical current density, magnetoresistivity and magnetization measurements. The results of the transport, magnetic and microstructure investigations of the monofilament and multifilament MgB2 wires and tapes were given and discussed in the thesis. Moreover, we have investigated the effect of extreme rolling on the superconducting properties of commercial MgB2 tapes. The results of the electrical resistivity and critical current density measurements of the commercial MgB2 tapes were given and discussed in the thesis.