Διαμόρφωση υπεραγωγών υψηλών και χαμηλών θερμοκρασιών
Authors: Θεοδωρακόπουλος Ιωάννης 
Published: September 2021

Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η σύνθεση και η μορφοποίηση του υπεραγώγιμου υλικού διβορίδιο του Μαγνησίου, χρησιμοποιώντας της μέθοδο της εκρηκτικής συμπίεσης κόνεων καθώς και ο προσδιορισμός των μηχανικών, των μαγνητικών και των ηλεκτρικών του ιδιοτήτων. Εκτός από τις πειραματικές μετρήσεις, πραγματοποιήθηκε αριθμητική προσομοίωση και βελτιστοποίηση της κατεργασίας. Η διδακτορική διατριβή ξεκινά στο πρώτο κεφάλαιο με τη θεωρία της υπεραγωγιμότητας όπου και αναλύονται οι βασικές αρχές που έχουν αναπτυχθεί για την εξήγηση του φαινομένου από την ανακάλυψη του μέχρι σήμερα. Ακολουθεί η κατηγοριοποίηση των υπεραγωγών σε τύπου I και II, ενώ γίνεται και μια εκτεταμένη αναφορά στις τωρινές και τις μελλοντικές εφαρμογές τους.Το δεύτερο κεφάλαιο σχετίζεται με το υλικό το οποίο μελετά η εργασία, συγκεκριμένα δίνονται στοιχεία για το πότε ανακαλύφθηκε, ποια είναι η κρυσταλλική του δομή και ποιες οι χαρακτηριστικές του ιδιότητες. Επίσης παρουσιάζονται τρόποι για τη σύνθεση και τη μορφοποίηση του υπεραγώγιμου υλικού, με τους οποίους είναι δυνατή η κατασκευή καλωδίων και υμενίων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πρακτικές εφαρμογές. Στη συνέχεια αναλύονται οι μέθοδοι χαρακτηρισμού της δομής και των υπεραγώγιμων του ιδιοτήτων. Στο τρίτο κεφάλαιο όπου ξεκινά και το πειραματικό μέρος της εργασίας, αναλύονται οι τεχνικές σύνθεσης και διαμόρφωσης που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των δειγμάτων του διβοριδίου του Μαγνησίου. Για το συγκεκριμένο υλικό εφαρμόστηκε η τεχνική σκόνη σε σωλήνα – powder in tube σε συνδυασμό με την εκρηκτική συμπίεση κόνεων. Για λόγους σύγκρισης, παρασκευάστηκε και ένα δείγμα με την τεχνική της διέλασης, ούτως ώστε να γίνει μια μελέτη στην επιρροή που έχει η μέθοδος κατεργασίας στις υπεραγώγιμες ιδιότητες του υλικού. Ακολουθεί ανάλυση των φάσεων χρησιμοποιώντας τη μέθοδο περίθλασης ακτίνων Χ και μελέτη της μορφολογίας της επιφάνειας των δειγμάτων σε ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Από τη μελέτη των αναλύσεων XRD και των μικρογραφημάτων SEM προέκυψε ότι το προϊόν της εκρηκτικής συμπίεσης είναι ένα διφασικό κυρίως υλικό αποτελούμενο από Mg, B. Για το λόγο αυτό τα δείγματα δέχθηκαν περαιτέρω θερμική κατεργασία, σε υψηλές θερμοκρασίες έως 950 oC. Μετά τη θερμική κατεργασία το τελικό προϊόν ήταν MgB2 το οποίο σε κάποιες περιπτώσεις περιείχε και προσμίξεις MgO.Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η αριθμητική προσομοίωση της μεθόδου της εκρηκτικής συμπίεσης με χρήση του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων LS DYNA. Γίνεται μια αναλυτική περιγραφή του μοντέλου που κατασκευάστηκε, αναλύονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης που περιλαμβάνουν τα προφίλ πίεσης και θερμοκρασίας που αναπτύσσεται κατά τη διάρκεια της κατεργασίας και γίνεται αναφορά στις τελικές διαστάσεις, την πυκνότητα και το πορώδες των δειγμάτων. Από την προσομοίωση LS DYNA προέκυψε ότι η μέγιστη πίεση εμφανίζεται στην περιφέρεια του δείγματος και έλαβε τιμή ίση με 5000 MPa, ενώ η αντίστοιχη μέγιστη θερμοκρασία στο εσωτερικό του συμπιέσματος έφτασε στιγμιαία τους 350 oC. Στη συνέχεια αναλύεται η βελτιστοποίηση της προσομοίωσης ξεκινώντας με την επιλογή των αρχικών παραμέτρων και των μεταβλητών απόδοσης, ακολουθεί μη παραμετρική βελτιστοποίηση χρησιμοποιώντας το μέτωπο Pareto σε διαστάσεις 2Χ2 και 3Χ3 και η βελτιστοποίηση ολοκληρώνεται με την επιλογή των βαρών και τον προσδιορισμό της τελικής αντικειμενικής συνάρτησης. Με βάση τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης οι αρχικές παράμετροι που μπορούν να προσδώσουν στον υπεραγωγό τις καλύτερες δυνατές ιδιότητες είναι το μήκος L και η διάμετρος D του εκρηκτικού μέσου.Στο πέμπτο κεφάλαιο μελετώνται οι μηχανικές, οι μαγνητικές και οι υπεραγώγιμες ιδιότητες του υλικού. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται δοκιμές μικροσκληρότητας, μονοαξονικής θλίψης και μετρήσεις πορώδους. Μελετάται η μαγνητική συμπεριφορά με μετρήσεις της μαγνητικής επιδεκτικότητας σε πεδίο εναλλασσόμενου και συνεχούς ρεύματος από όπου προσδιορίζεται και η κρίσιμη θερμοκρασία του υπεραγωγού. Παρουσιάζεται η καμπύλη της ηλεκτρικής αντίστασης σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία και οι βρόγχοι υστέρησης της μαγνήτισης του υλικού όπως μετρήθηκαν από το μαγνητόμετρο SQUID. Ακολουθεί ο υπολογισμός της κρίσιμης πυκνότητας ρεύματος των δειγμάτων της εκρηκτικής συμπίεσης και της διέλασης με χρήση του μοντέλου κρίσιμης κατάστασης του Bean και προσδιορίζεται η δύναμη αγκύρωσης. H μετάπτωση στην υπεραγώγιμη φάση στην πλειοψηφία των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε σε θερμοκρασίες 37 – 38 Κ. Η σύγκριση των δύο μεθόδων κατεργασίας έδειξε ότι το δείγμα της εκρηκτικής διαμόρφωσης παρουσιάζει βελτιωμένα υπεραγώγιμα χαρακτηριστικά με την πυκνότητα ρεύματος να φθάνει τα 4.6 X 105 A/cm2 ενώ το αντίστοιχο Jc των δειγμάτων της διέλασης ήταν μια τάξη μεγέθους μικρότερο. Ο μηχανισμός αγκύρωσης των δειγμάτων της διέλασης ήταν τα όρια των κόκκων ενώ για το δείγμα της εκρηκτικής συμπίεσης ήταν οι προσμίξεις MgO / μεταβολή της παραμέτρου τάξης.Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται ο σχεδιασμός και η αριθμητική προσομοίωση του σωληνοειδούς μιας συσκευής αποθήκευσης ενέργειας SMES το οποίο είναι κατασκευασμένο από διβορίδιο του Μαγνησίου. Η μοντελοποίηση έγινε με χρήση του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων Finite Element Method Magnetics από όπου προέκυψαν οι κατανομές της πυκνότητας ρεύματος και του μαγνητικού πεδίου του πηνίου χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες του υλικού οι οποίες προσδιορίστηκαν πειραματικά. Το μοντέλο προσομοίωσης του σωληνοειδούς συσκευής SMES υπερεκτιμά την πυκνότητα ρεύματος κατά μια τάξη μεγέθους σε σύγκριση με τις πειραματικές μετρήσεις λόγω της ύπαρξης δινορευμάτων.Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διατριβής και οι προτάσεις για μελλοντική εργασία. Από τα παραπάνω η πρωτοτυπία της διδακτορικής διατριβής συνοψίζεται στα παρακάτω σημεία:•Σύνθεση και μορφοποίηση του υπεραγώγιμου υλικού διβορίδιο του Μαγνησίου με τη μέθοδο της εκρηκτικής συμπίεσης κόνεων in-situ PIT•Διερεύνηση της επίδρασης δύο διαφορετικών μεθόδων κατεργασίας στις υπεραγώγιμες ιδιότητες του MgB2· α) εκρηκτική συμπίεση in-situ PIT, β) διέλαση ex-situ PIT •Αριθμητική προσομοίωση της εκρηκτικής συμπίεσης με χρήση του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων LS DYNA•Βελτιστοποίηση της προσομοίωσης με τη μέθοδο επιφάνειας απόκρισης και το μέτωπο Pareto•Σχεδιασμός και δημιουργία μοντέλου σωληνοειδούς SMES με χρήση του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων Finite Element Method Magnetics.