Разработка, исследование и применение гибких сверхпроводящих композитов на основе диборида магния для токонесущих элементов нового поколения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-72-10088

НазваниеРазработка, исследование и применение гибких сверхпроводящих композитов на основе диборида магния для токонесущих элементов нового поколения

Руководитель Батулин Руслан Германович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-306 - Инженерно-физические проблемы электротехники и технической сверхпроводимости

Ключевые слова тонкие пленки MgB2, сверхпроводящие тонкие пленки, магнитные свойства, магнетронное напыление, импульсное лазерное напыление, хастеллой

Код ГРНТИ29.19.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Представленный проект направлен на решение проблемы получения гибких композитов диборида магния с улучшенными характеристиками за счет допирования углеродом, кремнием и создания радиационных дефектов в синтезированных на гибких пленках различными методами образцах диборида магния. Актуальность поставленной проблемы обусловлена необходимостью разработки новых сверхпроводников, с одной стороны не требующих дорогостоящих систем для охлаждения и значительно более дешевых в производстве по сравнению с ВТСП, но с другой стороны позволяющих конкурировать по критическим значениям плотности тока и магнитного поля с низкотемпературными сверхпроводниками на основе сплавов Nb-Ti и Nb3Sn, получивших широкое распространение. Научная новизна состоит в применении различных перспективных методов напыления и техник для создания гибких композитов диборида магния с улучшенными характеристиками за счет допирования гибких композитов диборида магния углеродом и кремнием, внедрением центров пиннинга с помощью ионного облучения, исследованием влияния отжига в инертной и восстановительной атмосфере, а также комплексом экспериментальных и теоретических исследований данных соединений. Научная значимость заключается в отсутствии в настоящее время технологии производства гибких композитов диборида магния, которые имеют большой потенциал практического применения в сверхпроводящих магнитах следующего поколения, кабелей и других токонесущих элементах, отсутствием комплексных исследований влияния условий синтеза диборида магния, нанесенных на гибкие подложки, на критические характеристики сверхпроводника.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Руднев И.А., Батулин Р.Г., Хохорин С.А., Веселова С.В. Измерение и анализ гистерезисных потерь в многоволоконном сверхпроводящем проводе MgB2 Электричество, Электричество, 2023, № 6, с. 14–22 (год публикации - 2023)
10.24160/0013-5380-2023-6-14-22

2. Особенности намагниченности и вихревой системы диборида магния Features of Magnetization and Vortex System of Magnesium Diboride Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, J Supercond Nov Magn 36, 1335–1342 (2023) (год публикации - 2023)
10.1007/s10948-023-06588-3

3. Батулин Р., Черосов М., Киямов А., Руднев И., Хохорин С., Увин Д., Рогов А., Таюрский Д. The physical properties of Hastelloy® C-276TM and Hastelloy® C-276TM with Al2O3/Y2O3/MgO/LaMnO3 buffer layers down to cryogenic temperatures for applications in superconducting magnets Cryogenics, том 137, номер 103776, 5 стр. (год публикации - 2024)
10.1016/j.cryogenics.2023.103776

4. МОРОЗ А.Н., РУДНЕВ И.А., КАШУРНИКОВ В.А., БАТУЛИН Р.Г. ОСОБЕННОСТИ ВИХРЕВОЙ СИСТЕМЫ СВЕРХПРОВОДНИКОВ MGB2 И YBA2CU3O7-X С ТОЧЕЧНЫМИ ДЕФЕКТАМИ ЛАЗЕРНЫЕ, ПЛАЗМЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ - ЛАПЛАЗ-2023 Сборник научных трудов IX Международной конференции. Москва, 2023, с. 235 (год публикации - 2023)

5. ВЕСЕЛОВА С.В., РУДНЕВ И.А., ПОКРОВСКИЙ С.В., УВИН Д.С., ХОХОРИН С.А., БАТУЛИН Р.Г. ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ ПОТЕРИ КОМПОЗИТОВ MGB2 ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ОРИЕНТАЦИИ ВНЕШНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЛАЗЕРНЫЕ, ПЛАЗМЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ - ЛАПЛАЗ-2023 Сборник научных трудов IX Международной конференции. Москва, 2023, c. 200 (год публикации - 2023)

6. БАТУЛИН Р.Г., РУДНЕВ И.А., ХОХОРИН С.А., КИЯМОВ А.Г., ПОКРОВСКИЙ С.В., ВЕСЕЛОВА С.В. КРИТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ДИБОРИДА МАГНИЯ ИТОГОВАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПРОФЕССОРСКО-ПРЕПОДАВАТЕЛЬСКОГО СОСТАВА ИНСТИТУТА ФИЗИКИ И ХИМИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА ИМЕНИ А.М. БУТЛЕРОВА КАЗАНСКОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА Сборник избранных тезисов. Казань, 2023, с.31 (год публикации - 2023)

7. Батулин Р.Г., Руднев И.А., Хохорин С.А., Подливаев А.И., Веселова С.В. Анизотропия намагниченности проводов на основе сверхпроводящего соединения MgB2 Кабели и провода, №3 (год публикации - 2024)

8. Руднев И., Янилкин И., Гумаров А., Батулин Р. The effect of vacuum annealing on the superconducting properties of MgB2 film deposited by magnetron sputtering on Hastelloy C276TM tape 9th International Conference on Superconductivity and Magnetism 27th April - 04 th May 2024, Oludeniz-Fethiye, Turkey, Abstract book, p.399, с. 399 (год публикации - 2024)

9. Руднев И., Хохорин С., Покровский С., Веселова С., Увин Д., Батулин Р. MAGNETIZATION AND HYSTERESIS LOSSES OF MgB2 ROUND COMPOSITES AT DIFFERENT ORIENTATION OF APPLIED MAGNETIC FIELD The 8th International Conference on Superconductivity and Magnetism May 04-11 2023, Oludeniz-Fethiye, Turkey, Abstract book, p.510, с.510 (год публикации - 2023)

10. Мартиросян И.В., Александров Д.А., Малявина А.Ю., Покровский С.В., Батулин Р.Г. Экспериментальные и численные исследования тепловых характеристик ленточных сверхпроводящих композитов на основе соединения YBa2Cu3O7-x Тепловые процессы в технике, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Москва, № 12, Т. 16, С. 559–569 (год публикации - 2024)

11. Янилкин И.В., Гумаров А.И., Увин Д.С., Киямов А.Г., Хохорин С.А., Батулин Р.Г. Влияние термического отжига на магнитные свойства сплава Hastelloy C-276 с промежуточными буферными слоями Al2O3/Y2O3/MgO/LaMnO3 УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ: ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ (год публикации - 2025)

12. Янилкин И.В., Гумаров А.И., Руднев И.А., Фатихова Л.Р., Киямов А.Г., Денисов А.Е., Хохорин С.А., Таюрский Д.А., Батулин Р.Г. Synthesis of MgB2 films on Hastelloy-C276 tape with Al2O3/Y2O3/MgO/LaMnO3 buffer layers by magnetron sputtering in co-evaporation mode Superconductor Science and Technology, Supercond. Sci. Technol. 37, 085015 (год публикации - 2024)
10.1088/1361-6668/ad5c09

13. Киямов А.Г., Кузнецов М.Д. On the efficiency of 𝑀𝑔/𝑁𝑏 diboride solid solution in enhancing the thermal stability of 𝑀𝑔𝐵2 superconductor Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, №1, т. 167, С. 30-37 (год публикации - 2025)
10.26907/2541-7746.2025.1.30-37

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном периоде были выполнены следующие работы: 1.1 Усовершенствована технология синтеза образцов пленок диборида магния методом магнетронного распыления в режиме совместного испарения мишеней бора B и магния Mg на горячую подложку Hastelloy С276 и Hastelloy С276 с промежуточными буферными слоями Al2O3/Y2O3/MgO/LaMnO3 с последующим распылением защитного слоя Nb и термостабилизирующего Cu или Ag и вакуумным отжигом; 1.2 Исследовано влияние ионного облучения ионами кислорода O+ с энергией 20 кэВ в широком диапазоне флюенсов от 10^13-10^15 на критические характеристики (критическую температуру и критический ток) гибкого композита диборида магния, синтезированного методом магнетронного распыления; 2. Отработан двухступенчатый метод синтеза гибкого композита диборида магния, включающего в себя напыление слоя бора методом магнетронного распыления мишени бора B на подложку Hastelloy С276 и Hastelloy С276 с промежуточными буферными слоями Al2O3/Y2O3/MgO/LaMnO3 на первом этапе и отжиг в парах магния Mg на втором этапе; 3. Отработан двухступенчатый метод синтеза гибкого композита диборида магния, включающего в себя метод импульсного лазерного напыления с использованием мишени обогащенной магнием MgB2:Mg=1:1 на гибкую подложку Hastelloy С276 и Hastelloy С276 с промежуточными буферными слоями Al2O3/Y2O3/MgO/LaMnO3 на первом этапе и отжиг в парах магния Mg на втором этапе; 4 Выполнены циклы структурных, магнитных измерений и транспортных измерений, определение характеристик сверхпроводниковых композитов диборида магния, синтезированных по плану работ в пунктах 1-3: 5.1 Рассчитаны профили радиационного облучения ионами кислорода O+ с энергией 20 – 50 кэВ в зависимости от глубины проникновения в широком диапазоне флюенсов от 10^13-10^15 ионного облучения пленочных образцов диборида магния; 5.2 Методом Монте-Карло в рамках феноменологической модели Лоренца — Дониака проведено моделирование вихревой решетки; 6. Подготовлены четыре публикации по результатам, полученным при реализации проекта в отчетном периоде; 7. Подготовлена и отправлена заявка в ФИПС на изобретение, название "Гибкий высокотемпературный сверхпроводник на основе диборида магния и способ его получения", текущий статус заявки “экспертиза по существу” В отчетном периоде были получены следующие результаты: 1.1 Определены технологические режимы синтеза образцов пленок диборида магния методом магнетронного распыления в режиме совместного испарения мишеней Бора (B, чистотой 99.9%) и магния (Mg, чистотой 99,95%) с последующим вакуумным отжигом и напылением защитного и термостабилизирующего слоя 1.2 Установлено влияние ионного облучения ионами кислорода O+ с энергией 20кэВ и флюенсами 10^13; 10^14; 10^15 частиц/см^2 на критические характеристики гибкого композита диборидам магния MgB2, синтезированного на подложке Хастеллой С-276 с промежуточными буферными слоями Al2O3(30-50 нм)/Y2O3(5-10 нм)/MgO(55-157 нм)/LaMnO3(30-50 нм). С увеличением флюенса облучения температура сверхпроводящего перехода снижается, при флюенсах 10^14; 10^15 частиц/см^2 происходит деградация сверхпроводящих свойств. Увеличение критического тока при заданных параметрах ионного облучения не обнаружено 2. Определены технологические режимы синтеза образцов пленок диборида магния методом магнетронного распыления в режиме совместного испарения мишеней Бора (B, чистотой 99.9%) и магния (Mg, чистотой 99,95%) на первом этапе. Установлено, что при следующих параметрах отжига в парах магния (чистотой 99,95%) на втором этапе при температурах в интервале 200-900 градусов Цельсия в течении не более часа и непрерывной продувкой аргоном чистотой 99,999% или аргоном чистотой 99,999% с 2% содержанием водорода для восстановительной атмосферы сверхпроводящая фаза MgB2 не образуется. 3. Определены технологические режимы синтеза образцов пленок диборида магния методом импульсного лазерного распыления при использовании композитной мишени, обогащенной магнием MgB2:Mg=1:1 на горячую (от не менее 220 градусов до не более 290 градусов Цельсия) подложку Хастеллой С-276 с промежуточными буферными слоями Al2O3(30-50 нм)/Y2O3(5-10 нм)/MgO(55-157 нм)/LaMnO3(30-50 нм) на первом этапе. Установлено, что пониженная температура подложки от 20-180 градусов не приводит к образованию сверхпроводящей фазы MgB2. При проведении процедуры отжига на втором этапе (с параметрами п.2) сверхпроводящая фаза MgB2 не образуется 4. 1 Методом магнетронного распыления в режиме совместного испарения мишеней Mg и B на подложку Хастеллой С-276 с промежуточными буферными слоями Al2O3(30-50 нм)/Y2O3(5-10 нм)/MgO(55-157 нм)/LaMnO3(30-50 нм) (при температуре подложки от 270 градусов до 290 градусов Цельсия) с последующим вакуумным отжигом при температуре 400 градусов разработана технология синтеза гибкого сверхпроводящего композита на основе диборида магния MgB2 (толщиной) с Tc ≈ 22 K с шириной перехода ΔT ≈ 1 K, критические значения тока Jc ≈ 500 kA/cm2 (T=5K, H=2T), Jc ≈ 11 kA/cm2 (T=15K, H=2T) и максимальным значением Jc ≈2 МА/см2 (T=5K,H≈0T), защитным слоем Nb (толщиной 100 нм) и термостабилизирующим слоем Ag или Cu (толщиной 100 нм). Средняя квадратичная шероховатость поверхности пленок Rms после отжига составляет 75 нм. 4.2 Методом импульсного лазерного распыления при использовании композитной мишени, обогащенной магнием MgB2:Mg=1:1 на подложку Хастеллой С-276 с промежуточными буферными слоями Al2O3(30-50 нм)/Y2O3(5-10 нм)/MgO(55-157 нм)/LaMnO3(30-50 нм) (при температуре подложки от 220 градусов до 290 градусов Цельсия) получены сверхпроводники диборида магния MgB2 с критической температурой от 7 до 12 К, шириной перехода и критической плотности тока Jc≈100 кА/см2-300 кА/см2 (при 5К). Средняя квадратичная шероховатость поверхности пленок Rms составляет 200 нм. Шероховатость увеличивалась с ростом толщины до 500 нм. 5.1 Выполнено моделирование облучения тонкой плёнки диборида магния (MgB₂) толщиной 100 нм ионами кислорода O+ с энергией от 20 до 50 кэВ. Результаты моделирования показали, что ионы кислорода внедряются в плёнку MgB₂ на глубину примерно 70 нм, создавая зону повреждений с пиком на глубине около 40 нм. 5.2 В рамках исследования было проведено численное моделирование вихревой решётки сверхпроводящего диборида магния при температуре 15 К с использованием метода Монте-Карло в рамках феноменологической модели Лоренца — Дониака. Получены высокие значения критической плотности тока (до 16 МА/см²) и параметра n (до 100) в магнитных полях до 0,5 Тл. Экстраполяция результатов на более высокие магнитные поля предсказывают, величину критической плотности тока 0,5–1,0 МА/см² (H=1 Тл, T=15K). Продемонстрирована возможность проявления эффекта «мэтчинга» (пик эффект) в плёнке диборида магния с периодической треугольной решёткой дефектов с увеличением критической плотности тока на 50%. 6. Представлены на конференциях и опубликованы четыре журнальные статьи по результатам, полученным при реализации проекта.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта по синтезу и исследованию гибких композитов диборида магния имеют значительный потенциал для практического использования в экономике и социальной сфере Российской Федерации: 1. Развитие высокотехнологичных отраслей: разработка и производство гибких высокотемпературных сверхпроводников на основе диборида магния могут стимулировать развитие таких отраслей, как энергетика (например, при создании гибридной линии электропередач и для водородной энергетики), транспорт, медицина (новые энергоэффективные сверхпроводящие магниты с охлаждением с помощью криокулеров) и телекоммуникации. Это, в свою очередь, может способствовать экономическому росту и созданию новых рабочих мест. 2. Создание новых продуктов и услуг: гибкие сверхпроводники могут найти применение в различных областях, включая производство высокоэффективных магнитов, датчиков, кабелей и других устройств. Это может привести к созданию новых продуктов и услуг на рынке. 3. Улучшение существующих технологий: результаты проекта могут быть использованы для усовершенствования существующих технологий, например, в области производства высокотехнологичных лент на основе высокотемпературных сверхпроводников REBCO, использующих несколько конвейерных линий для производства буферных слоев, нанесении ВТСП и нанесении защитных и термостабилизирующих слоев. Использование диборида магния позволяет уменьшить, как количество буферных слоев, так и количество конвейерных линий. Это может повысить эффективность и надёжность производственных процессов. 4. Научные и технологические заделы: проект способствует накоплению знаний и опыта в области синтеза и исследования сверхпроводящих материалов. Это создаёт основу для дальнейших научных исследований и технологических разработок. 5. Социальное развитие: внедрение новых технологий на основе гибких сверхпроводников может улучшить качество жизни людей, например, за счёт развития медицинских устройств, повышения эффективности энергетических систем и улучшения качества связи. 6. Экспортный потенциал: разработка уникальных технологий и продуктов в области сверхпроводимости может укрепить позиции России на мировом рынке высоких технологий и способствовать экспорту высокотехнологичной продукции.