Superconducting joints of melt-textured YBCO monoliths: preparation, microstructure and critical currents

Abstract

El objetivo general de este trabajo ha sido el de obtener muestras superconductoras de alta temperatura de YBCO cuyas geometrías y dimensiones superen a las obtenidas mediante técnicas de crecimiento cristalino. Estos materiales pueden ser integrados en maquinaria eléctrica, sistemas de levitación o limitadores de corriente. Este objetivo ha promovido la investigación hacia métodos que permiten unir dos o más monodominios del material superconductor de alta temperatura YBCO mediante un proceso de solidificación por fundido utilizando agentes soldantes cuyos puntos de fusión están por debajo del punto de fusión del material que se quiere unir, el YBCO<br/>El primer paso en obtener soldaduras superconductoras de alta temperatura del material YBCO ha sido el de conseguir un agente soldante apropiado. Hemos investigado dos materiales basados en plata como agentes soldantes: polvo de óxido de plata y una lamina de plata metálica. Análisis microestructural, junto con medidas de magnetorresistencia y magnetometria Hall se han realizado con el fin de encontrar las condiciones óptimas para conseguir soldaduras superconductoras de alta temperatura de alta calidad.<br/>Para entender el proceso de difusión de la plata en la matriz YBCO, se ha realizado un detallado estudio de la influencia de los parámetros del proceso de la soldadura en la microestructura y las propiedades físicas de las uniones superconductoras, es decir la magnetización remanente y la densidad de corriente critica, generadas mediante este método. Se ha demostrado que estos parámetros influyen tanto en la microestructura como en las propiedades superconductoras de las uniones artificiales. Para optimizar estos parámetros se han realizado dos tipos de experimentos: enfriamiento muy rápido y crecimiento mediante enfriamiento lento. Utilizando los experimentos de enfriamiento muy rápido hemos conseguido determinar cuales son los parámetros que controlan la difusión de la plata en la matriz del material YBCO. Se ha demostrado que parámetros como: tiempo del fundido, el grosor de la lámina de plata y la configuración de la soldadura son relevenates y han sido optimizados. Por otro lado, la influencia de parámetros como: la velocidad de enfriamiento, temperatura máxima del proceso de la soldadura y la ventana de temperaturas en la microestructura de las uniones artificiales se han analizado mediante experimentos de enfriamiento lento.<br/>La influencia de estos parámetros en las propiedades superconductoras de las soldaduras se ha estudiado a través de medidas de magnetización remanente de las uniones y del material YBCO, a la vez para su comparación. La distribución de la magnetización remanente ha sido investigada utilizando magnetometria Hall. Estas medidas nos han permitido deducir la magnitud de la densidad de corriente crítica resolviendo el problema inverso (ley Biot-Savart). <br/>Utilizando la metodología desarrollada en este trabajo hemos conseguido obtener uniones artificiales del material YBCO cuyas microestructuras y propiedades superconductoras tienen una calidad similar a las del material inicial YBCO y por lo tanto se ha desarrollado una metodología que permitirá obtener ceramicas superconductoras con dimensiones mayores y formas complejas.

The final goal of this PhD thesis was to obtain YBa2Cu3O7-&#61540; (YBCO) samples with different geometries and bigger dimensions than those obtained by the crystalline growth techniques. These materials can be integrated in electrical machinery, levitating devices or fault current limiter systems. This need has driven the investigation to welding techniques that can joint two or more YBa2Cu3O7-&#61540; single-domains by a solidification process using welding agents whose melting points are below the melting point of YBa2Cu3O7-&#61540; material. <br/>The first step in achieving high temperature superconducting YBCO joints was to find a suitable welding material. We have investigated two Ag based materials as welding agents: Ag2O powder and Ag thin foil. Microstructural analysis along with magnetoresistance and in-field Hall mapping measurements have been performed to find the conditions to reach a high quality superconducting joints. <br/>A deep study of the influence of different parameters on the microstructure and on the superconducting properties of the final joints, i.e. remanent magnetization and critical current density of the final joints, generated using a YBCO/Ag/YBCO architecture has been performed in order to understand the role of the Ag diffusion and to optimize the welding process. It has been shown that these parameters influence in one way or another the microstructure and superconducting properties of the final joints. In order to optimize these parameters, we have performed two kinds of experiments: quench experiments and slow cooling experiments. By quench experiments we have succeed in controlling the Ag diffusion process into the YBCO matrix. Parameters such as: melting time, Ag foil thickness and weld configuration have been investigated and optimized. On the other hand, the influence of parameters such as: cooling rate, processing temperature and window temperature, on the microstructure of the final joints has been analyzed by slow cooling experiments. <br/>The influence of welding parameters on the superconducting properties of the final joints has been studied by determining the remanent magnetization profiles of each sample and calculating from them the critical current density of the joints and YBCO grains for comparison. The remanent magnetization distribution on samples joint by the welding process was investigated by using a Hall probe imaging system. These measurements allowed us to deduce the magnitude of the critical current densities by solving the inverse problem, as well as the homogeneity and spatial scale on which they flow. <br/>We have proposed a methodology in order to determine the critical current density from the results obtained after solving the inverse problem. We have observed that the current distribution pattern obtained from this methodology agrees well with current distribution profile predicted by Bean model.<br/>In summary, by employing the new welding methodology developed in the present work, we have been able to obtain YBCO superconducting joints having a clean and crystallographic coincident microstructure and with critical current densities through the joint similar to those of the YBCO monoliths.