Supraleitende Eigenschaften von Hochentropielegierungen

Supraleitende Materialien sind besonders, weil sie elektrischen Strom ohne Widerstand bei bestimmten tiefen Temperaturen leiten können. Diese einzigartige Eigenschaft kann zu verschiedenen Anwendungen führen, von leistungsstarken Magneten, die in Krankenhäusern für MRT-Geräte verwendet werden, bis hin zu effizienten Stromübertragungsleitungen. Jüngste Forschungen haben den Fokus auf eine neue Kategorie von Materialien gelegt, die als hochentropische Legierungen (HEAs) bekannt sind. Diese Legierungen bestehen aus vier oder mehr Metallen, die in nahezu gleichen Mengen gemischt sind, was zu einer Vielzahl von vorteilhaften Eigenschaften führt.

Ein vielversprechender HEA-Supraleiter ist NbScTiZr, der Niobium (Nb), Scandium (Sc), Titan (Ti) und Zirkonium (Zr) kombiniert. Die einzigartige Struktur dieser Legierungen ermöglicht interessante Effekte auf ihre supraleitenden Eigenschaften.

#Bedeutung der Glühbehandlung in Supraleitern

Die Glühbehandlung ist ein Wärmebehandlungsprozess, der verwendet wird, um die Eigenschaften von Materialien zu verändern. Bei Supraleitern können verschiedene Glühbehandlungstemperaturen beeinflussen, wie sie Elektrizität leiten. Der Einfluss der Glühbehandlung auf die supraleitenden Eigenschaften von NbScTiZr wurde untersucht. Die Forscher betrachteten drei Hauptmerkmale: Magnetisierung, elektrische Resistivität und Spezifische Wärme.

Die Magnetisierung hilft zu messen, wie gut ein Material magnetisch werden kann. Die elektrische Resistivität sagt uns, wie stark ein Material den Fluss von elektrischem Strom widersteht. Die spezifische Wärme bezieht sich auf die Menge an Wärme, die benötigt wird, um die Temperatur eines Materials zu ändern.

Während der Studie wurden verschiedene Proben bei unterschiedlichen Glühbehandlungstemperaturen behandelt: 400 °C, 600 °C, 800 °C und 1000 °C. Interessante Veränderungen in der Struktur und den Eigenschaften des Materials wurden beobachtet.

#Ergebnisse der Forschung

Die Ergebnisse zeigten, dass die maximale Gitterverzerrung, die die Menge der Verzerrung in der Struktur des Materials beschreibt, in der bei 400 °C behandelten Probe auftrat. Messungen, wie das Material auf Magnetfelder reagierte, zeigten eine bessere Leistung in den bei 400 °C und 600 °C behandelten Proben im Vergleich zur als gegossen betrachteten Probe.

Supraleitende Parameter wie das obere kritische Feld und die magnetische Eindringtiefe zeigten keine signifikanten Veränderungen bei unterschiedlichen Glühbehandlungstemperaturen. Der Maki-Parameter, der sich auf die Fähigkeit des Materials bezieht, magnetischen Feldern standzuhalten, erreichte jedoch bei 400 °C seinen Höhepunkt, was darauf hindeutet, dass Gitterverzerrungen seine Eigenschaften verbessern könnten.

#Verständnis von hochentropischen Legierungen

Hochentropische Legierungen wurden erstmals 2004 eingeführt und haben aufgrund ihrer einzigartigen Merkmale, einschliesslich Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Bedingungen, Aufmerksamkeit erregt. Im Gegensatz zu normalen Legierungen, die typischerweise eine primäre Komponente mit kleinen Zusätzen anderer Elemente aufweisen, bestehen HEAs aus mehreren Elementen in gleichen Teilen. Diese Zusammensetzung führt zu einer Mischung von Eigenschaften, die traditionelle Materialien übertreffen können.

Supraleitende HEAs sind seit der Entdeckung eines supraleitenden HEA im Jahr 2014 ein interessantes Forschungsthema geworden. Verschiedene Kristallstrukturen wurden für HEA-Supraleiter berichtet, wobei jede einzigartige supraleitende Eigenschaften aufweist.

#Eutektiсhe hochentropische Legierungen

Eutektiсhe hochentropische Legierungen sind ein neueres Konzept, das zwei Arten von Materialien kombiniert, um eine Legierung mit ausgezeichneten Eigenschaften zu schaffen. Diese Legierungen können Harmonie zwischen Festigkeit und Duktilität mithilfe eines Zwei-Phasen-Systems erreichen. Es wurde jedoch bisher nicht viel Forschung zu ihren supraleitenden Eigenschaften betrieben.

In dieser Studie wurde die eutektiсhe HEA NbScTiZr untersucht, indem thermische Glühbehandlungstechniken angewendet wurden. Die Forschung zeigte, dass die Wärmebehandlung zu Veränderungen der kritischen supraleitenden Temperatur führt, was darauf hindeutet, dass die Wärmebehandlung effektiv die supraleitenden Eigenschaften modulieren kann.

#Experimentelle Techniken

Die Untersuchung verwendete verschiedene Methoden zur Analyse der Proben. Ein Lichtbogenofen wurde verwendet, um die als gegossen betrachteten Proben in einer Argonatmosphäre herzustellen, um eine gleichmässige Mischung der Elemente sicherzustellen. Anschliessend wurden die Proben unterschiedlichen Glühbehandlungstemperaturen für festgelegte Zeiträume ausgesetzt.

Um die Materialeigenschaften besser zu verstehen, wurden verschiedene Messungen durchgeführt, einschliesslich Röntgendiffraktion zur Untersuchung der Kristallstruktur, Magnetisierung zur Analyse des magnetischen Verhaltens, elektrischer Resistivität für den Stromfluss und spezifischer Wärme zur Bewertung der thermischen Eigenschaften.

#Ergebnisse zur Mikrostruktur und zu den Eigenschaften

Die Röntgendiffraktionsmuster wurden analysiert, um zu bestimmen, wie die verschiedenen Proben hinsichtlich ihrer Kristallstruktur verglichen wurden. Die Muster zeigten eine Verschiebung in der Struktur mit zunehmender Glühbehandlungstemperatur. Die bcc (körperzentrierten kubischen) und hcp (hexagonal dicht gepackten) Phasen wurden in den verschiedenen Proben bestätigt.

Die Glühbehandlungstemperatur beeinflusste auch die Korngrösse, wobei bei niedrigeren Temperaturen feinere Strukturen und bei höheren Temperaturen eine Vergröberung festgestellt wurde. Diese Vergröberung kann zu schwächeren mechanischen Eigenschaften aufgrund reduzierter Grenzflächen führen.

#Supraleitende Eigenschaften

Hinsichtlich der Supraleitung zeigte die Studie, dass die supraleitende Übergangstemperatur mit der Glühbehandlungstemperatur anstieg, was auf eine bessere Leistung unter bestimmten Bedingungen hindeutet.

Die Breite des supraleitenden Übergangs in der als gegossen betrachteten Probe könnte mit Variationen in der Zusammensetzung des Materials in Verbindung stehen. Mit zunehmender Glühbehandlungstemperatur wurde der spezifische Wärmeanstieg ausgeprägter, was auf eine feinere Unterscheidung zwischen supraleitenden und normalen Zuständen im Material hindeutet.

Die spezifischen Wärme-Messungen halfen, die Natur des supraleitenden Übergangs zu bewerten und bestätigten die bulk-Natur der Supraleitung über die Proben hinweg.

#Vickers-Mikrohärte-Analyse

Vickers-Mikrohärte-Tests wurden durchgeführt, um die Härteeigenschaften des Materials in Bezug auf Gitterverzerrungen zu verstehen. Es wurde festgestellt, dass die Glühbehandlung bei 400 °C die Härte leicht erhöhte, während höhere Temperaturen sie allmählich reduzierten. Dieses Muster stimmt mit der Vorstellung überein, dass feinere Strukturen im Allgemeinen zu besserer Härte führen, aufgrund stärkerer Grenzflächen.

Die Beziehung zwischen Gitterverzerrung und Härte unterstützt die Idee, dass Gitterverformungen einen signifikanten Einfluss auf die Materialleistung haben.

#Fazit

Diese Studie zu NbScTiZr hat Aufschluss darüber gegeben, wie die Glühbehandlung die supraleitenden Eigenschaften und die Mikrostruktur eutektiсher hochentropischer Legierungen beeinflusst. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Faktoren wie Gitterverzerrung eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung des Maki-Parameters und der Modifizierung der Flusspinning-Stärke spielen, die für die Verbesserung der Supraleitung entscheidend sind.

Da die Forschung in diesem Bereich weiterentwickelt wird, könnte dies zu besseren Supraleitern führen, die unter anspruchsvolleren Bedingungen arbeiten können, und neue Wege für technologische Fortschritte eröffnen. Das Verständnis der Eigenschaften dieser Materialien ist entscheidend für zukünftige Anwendungen und ebnet den Weg für effizientere und leistungsstärkere supraleitende Systeme.