주된 목적은 초전도 샘플의 총 두께 감소 또는 변형률을 극적으로 증가시키는 것입니다. 샘플을 길이에 따라 절단하고 재적층한 후 다시 압축함으로써 연구자들은 변형률을 약 51%에서 91%로 높일 수 있습니다. 이러한 강렬한 기계적 조작은 재료의 내부 결정립 구조를 최적화하기 위한 전제 조건입니다.
반복적인 절단 및 적층은 단일 단계 압축보다 훨씬 높은 변형률을 가능하게 합니다. 이러한 기계적 응력은 결정립 구조를 정렬하고 연결성을 강화하여 임계 전류 밀도를 5배 증가시킵니다.
변형의 역학
두께 감소 누적
표준 열간 압축은 단일 주기에서 샘플이 겪을 수 있는 변형 양을 제한합니다.
이를 극복하기 위해 샘플을 절단하고 재적층합니다. 이는 재료의 기하학적 구조를 재설정하여 실험실 프레스가 추가적인 압축력을 가할 수 있도록 합니다.
이 다단계 접근 방식은 훨씬 더 높은 총 두께 감소를 누적하여 샘플을 51% 감소에서 91% 감소로 이동시킵니다.
재료 밀도 증가
재적층 및 재압축의 물리적 행위는 재료 내부의 공극을 제거합니다.
이 과정은 세라믹 재료를 더 조밀하고 콤팩트하게 만듭니다.
미세 구조 향상
결정립 배향 강화
이 특정 절차를 통해 달성된 높은 변형률은 샘플을 얇게 만드는 것 이상의 효과를 발휘합니다.
(Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3Oy 매트릭스 내의 결정립이 특정 방향으로 정렬되도록 합니다.
결정립 배향은 고온 초전도체에서 중요합니다. 전류는 특정 결정면을 따라 가장 효율적으로 흐르기 때문입니다.
연결성 강화
배향 외에도 결정립 간의 연결성이 향상됩니다.
반복적인 압축은 결정립 경계가 단단하고 잘 연결되도록 보장합니다.
더 강한 결정립 연결성은 전자가 한 결정립에서 다른 결정립으로 이동할 때 발생하는 저항을 줄입니다.
전기적 성능에 미치는 영향
임계 전류 밀도 향상
결정립 배향 및 연결성 개선의 궁극적인 목표는 임계 전류 밀도($J_c$)를 극대화하는 것입니다.
데이터에 따르면 적당한 변형(51%)만 거친 샘플은 200 A/cm² 미만의 $J_c$를 나타냅니다.
그러나 절단 및 적층 방법을 사용하여 91% 변형에 도달하면 $J_c$가 1000 A/cm² 이상으로 증가합니다.
프로세스 요구 사항 이해
높은 변형의 필요성
적당한 변형은 고성능 응용 분야에 충분하지 않다는 점을 인식하는 것이 중요합니다.
재료를 한 번만 누르는 것은 결정립을 효과적으로 정렬하기에 충분한 에너지를 부여하지 못합니다.
변형을 누적하기 위한 절단 및 적층의 특정 단계 없이는 재료가 높은 전류 전달에 필요한 구조적 무결성에 도달하지 못할 것입니다.
목표에 맞는 올바른 선택
초전도 응용 분야에 적합한 처리 방법을 결정하려면 다음 성능 임계값을 고려하십시오.
- 기본 재료 특성 분석이 주요 초점인 경우: 약 51%의 변형을 달성하는 단일 압축으로도 충분할 수 있지만 성능은 200 A/cm² 미만으로 제한됩니다.
- 최대 전류 전달이 주요 초점인 경우: 90% 이상의 변형을 달성하기 위해 절단 및 적층 기술을 사용해야 하며, 이는 1000 A/cm² 이상의 전류 밀도를 가능하게 합니다.
이 절차는 기계적 변형이 이 재료 등급의 초전도 용량에 직접 비례함을 확인합니다.
요약표:
| 측정 항목 | 단일 단계 압축 | 다단계 절단 및 적층 |
|---|---|---|
| 변형률 | 약 51% | 약 91% |
| 임계 전류 밀도 ($J_c$) | <200 A/cm² | >1000 A/cm² |
| 결정립 구조 | 적당한 정렬 | 높은 배향 |
| 재료 밀도 | 표준 | 고밀도 (공극 감소) |
| 연결성 | 약한 결정립 경계 | 강한 결정립 연결성 |
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참고문헌
- Xiaotian Fu, Shi Xue Dou. The effect of deformation reduction in hot-pressing on critical current density of (Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3Oy current leads. DOI: 10.1016/s0921-4534(00)01177-1
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