Nd2O3 katkılanmış Bi2Sr2CaCu2Oy süperiletkeninin elektriksel, mikroyapı ve mekanik karakterizasyonu

Abstract

Bu tezde, Bi-2212 süperiletkeninin mikroyapısal, mekaniksel ve süperiletkenlik özellikleri üzerine tavlama koşullarının (farklı sıcaklık ve süre) etkisi, dc özdirenç (?-T), X-ışınları kırınımı (XRD) analizleri, taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleri ve Vickers mikrosertlik ölçümleri kullanılarak incelenmiştir. Bu amaçla süperiletken numuneler katıhal reaksiyon metodu kullanılarak farklı ısıl işlem sıcaklıklarında (830, 835, 840, 845 ve 850 °C) 24 saat süreyle tavlanmış ve elde edilen tüm özellikler birbiri ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, Bi-2212 faz oluşumu için 840°C? nin en iyi tavlama sıcaklığı olduğunu göstermiştir. En iyi tavlama süresinin belirlenmesi amacıyla ise Bi-2212 süperiletken numuneleri 3 farklı periyotta hazırlanmıştır (24, 48 ve 72 saat). Sıcaklığın 72 saate kadar artırılması ile tüm özelliklerin giderek iyileştiği gözlenmiştir. Yani, en yüksek Tconset ve Tcoffset değerleri sırasıyla 84.79 K ve 78.90 K olarak bulunmuştur. Benzer şekilde, XRD verileri de aynı numunede en büyük kırınım şiddetinin, tanecik büyüklüğünün ve c örgü parametresinin olduğunu göstermiştir. Ayrıca, SEM deneyleri, bu numunenin büyük tanecik boyutuna, süperiletken tanecikler arasındaki en iyi iletime, karakteristik yapraksı tabakalarla birlikte en yoğun ve en sıkı yüzey yapısına sahip olduğunu desteklemektedir. Bu bulgular baz alındığında, 840 °C? de 72 saat süreyle tavlama, Bi-2212 süperiletken faz formasyonunun oluşumu için oldukça uygundur. Mekaniksel analizler, üretilen tüm numunelerde tipik çentik boyutu etkisi (ÇBE) davranışı gözlendiğini göstermiştir. Bu sadece uygulanan test yükünün artmasıyla sertliğin azalması olarak değil aynı zamanda da üretilen numunelerde elastik geri dönüşümden dolayı hem elastik hem de plastik deformasyonun gözlendiği anlamına gelmektedir. Gözlenen deneysel sonuçlara göre Bi-2212 süperiletken malzemelerin ÇBE davranışı ne tavlama sıcaklığı ne de tavlama süresi ile değişir. Benzer şekilde, mikrosertlik verilerinden elde edilen Vickers mikrosertlik, elastik modülü, gerilme ve kırılma dayanımı değerleri için en iyi sonuç 840 oC? de 72 saat boyunca tavlanarak hazırlanan numune için gözlenmiştir. Ayrıca, gerçek (yükten bağımsız) sertlik değerleri, uygulanan çentici yükünün artışı ile numune davranışını belirlemek için, Meyer yasası, elastik/plastik deformasyon (EPD) modeli, orantılı numune direnci (PSR) modeli, geliştirilmiş orantılı numune direnci (MPSR) modeli ve Hays-Kendall (HK) yaklaşımı kullanılarak teorik olarak incelenmiştir. Mevcut yöntemlerden elde edilen teorik sonuçlar değerlendirilmiş, HK yaklaşımını plato bölgesine yakın sertlik değerleri verdiği için numunelerimizin sertlik değerlerini açıklamada en iyi model olarak belirlenmiştir. Ayrıca bu tezde, katıhal reaksiyon yöntemi ile hazırlanan Nd2O3 katkılı Bi-2212 seramik süperiletkenlerinin mikroyapısal, mekaniksel ve süperiletkenlik özelliklerindeki değişim XRD, SEM, EDS, Vickers Mikrosertlik ve ?-T ölçümleri ile analiz edildi. Süperiletkenliğe geçiş sıcaklığı (Tcoffset) 0-7 T manyetik alan altında özdirenç ölçümleri yapılarak belirlendi. Bunun yanı sıra aktivasyon enerjileri Arrhenius bağıntısı kullanılarak hesaplandı. Bu sonuçlara göre katkısız numunenin manyetik alan altındaki Tcoffset değeri manyetik alanın artmasıyla 78 K? den 42 K? e kadar azalmıştır. Aktivasyon Enerji (Uo) değerleri ise manyetik alanın artmasıyla azalmıştır. Benzer durum katkılı numunelerde de gözlenmiştir. Ayrıca XRD verilerinden hesaplanan c örgü parametresi Nd katkısının artmasıyla azalmış ve a parametresi ise artmıştır. SEM sonuçları katkının artmasıyla tanecik boyutunun azaldığını göstermiştir. EDS analizlerinde, diğer elementlerle kıyaslandığında, Nd katkısının artmasıyla Sr yüzdesinde önemli bir azalma gözlenmiştir. Üretilen numunelerin mekaniksel özelliklerinin analizi için yükten bağımsız mikrosertlik değerlerinin yanı sıra yüke bağlı mikrosertlik değerleri de hesaplanmıştır. Yükten bağımsız mikrosertlik analizi için Meyer yasası, elastik/plastik deformasyon (EPD) modeli, orantılı numune direnci (PSR) modeli, geliştirlmiş orantılı numune direnci (MPSR) modeli ve Hays-Kendall yaklaşımı kullanılmıştır. HK modeli numunelerimizin mekaniksel özelliklerini açıklamada en başarılı model olarak belirlenmiştir.