Geum.ru

Доктор технических наук, заведующий лабораторией физики прочности и механики разрушения нии механики и прикладной математики им. Воровича И. И

Вид материалаДокументы

Содержание


Хейке Камерлинг Оннес
Лев Давидович Ландау
Джон Бардин
Филип Уоррен Андерсон
Пётр Леонидович Капица
Дуглас Дин Ошеров, Дэвид Морис Ли
Карл Виман
Алексей Алексеевич Абрикосов
Подобный материал:

ТЕРНИСТЫЙ ПУТЬ К КОМНАТНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ


Паринов И. А.


доктор технических наук, заведующий лабораторией физики прочности и механики разрушения НИИ механики и прикладной математики им. Воровича И. И. Южного федерального университета


(Сл. 1) Уважаемые коллеги, название моей лекции «ТЕРНИСТЫЙ ПУТЬ К КОМНАТНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ» и моя основная цель продемонстрировать успехи и трудности, сопровождавшие ученых, работавших и работающих в этой динамичной области научного творчества. Патриарх российской науки – академик В. Л. Гинзбург, получивший Нобелевскую премию 2003 г. за открытия, сделанные в области сверхпроводимости, в 2008 году на страницах газеты «Поиск» высказал осторожное предположение о том, что сверхпроводимость при комнатной температуре будет достигнута с привлечением подходов нанотехнологии. Сегодня речь пойдет непосредственно не о нанотехнологиях, но мы поговорим о них тоже, поскольку коснемся масштабных уровней, измеряемых нанометровым диапазоном. Сегодня мы сконцентрируемся на истории открытий в области сверхпроводимости и современном положении дел в этой области.

(Сл. 2) В своей лекции я расскажу об истории открытия сверхпроводимости и высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП); о существующих применениях сверхпроводимости и сверхпроводниках II рода, к которым также относятся и ВТСП. Далее я остановлюсь на технологиях получения ВТСП и экспериментальных исследованиях их свойств. По роду моих научных интересов я уделю определенное внимание вопросам разрушения и сопротивления разрушению сверхпроводящих материалов и композитов, а также методам математического моделирования ВТСП. В конце моей лекции я приведу примеры использования физических методов и математического моделирования в таких необычных областях для данных применений как борьба с терроризмом и геополитика. Я также расскажу о некоторых достижениях нашей лаборатории в области исследования сверхпроводников.

(Сл. 3) Что же такое сверхпроводимость, и какие критические параметры определяют этот удивительный феномен? Сверхпроводимость – это явление, при котором течение электрического тока в материале происходит без заметной диссипации энергии. Оно сопровождается внезапным падением до нуля электрического сопротивления при охлаждении материала сверхпроводника ниже т. н. температуры сверхпроводящего перехода (Tc), определяемой для каждого конкретного материала. По закону Джоуля – Ленца джоулевы потери или количество теплоты, выделяющееся при прохождении электрического тока по проводнику, будет возрастать пропорционально его длине и электрическому сопротивлению, что приводит к огромным потерям, например в сегодня используемых медных и алюминиевых проводах из-за существенного электрического сопротивления. Если сделать провода из сверхпроводящего материала, то можно минимизировать электрические потери. Другим ключевым параметром является критический ток (Ic) или плотность критического тока (Jc). Его значение представляет собой величину постоянного незатухающего электрического тока в сверхпроводнике, выше которого образец возвращается в нормальное (несверхпроводящее состояние). Третьим критическим параметром является напряженность приложенного магнитного поля (Hc) или магнитная индукция (Bc), выше которой восстанавливается электрическое сопротивление сверхпроводника, и он снова становится несверхпроводящим. Кроме того, я отмечу еще два важных сверхпроводящих параметра, которые встретятся в нашей лекции: длину когерентности (), являющуюся пространственной характеристикой сверхпроводящих электронов в Куперовской паре, и глубину проникновения магнитного поля () внутрь сверхпроводника от его поверхности. Существует также целый ряд других сверхпроводящих параметров, но они находятся вне рамок нашего сегодняшнего обсуждения. Различают низкотемпературную, высокотемпературную и комнатную сверхпроводимость, соответствующие температурам сверхпроводящего перехода до 30 К, выше 77 К (температура жидкого азота) и 293 К (комнатная температура). За почти столетнюю историю исследования сверхпроводимости было открыто огромное число сверхпроводящих составов, которые можно классифицировать следующим образом:

1. Органические сверхпроводники, открытые в 1979 г., имеют максимальную критическую температуру = 11,5 К;

2. Соединения типа A-15, представляющие собой классические низкотемпературные сверхпроводники и впервые открытые в 1954 г. имеют = 23,2 К;

3. Магнитные сверхпроводники или фазы Чевреля, открытые в 1979 г. и объединяющие ферромагнитные и антиферромагнитные сверхпроводники демонстрируют = 15 К и необычно высокое значение верхнего поля, достигающего Bc2 = 60 Тл;

4. Тяжелые фермионы с максимальной критической температурой = 18 К демонстрируют сосуществование сверхпроводимости с ферромагнитизмом и антиферромагнитизмом;

5. Оксидные сверхпроводники без меди – предшественники ВТСП имеют= 31 К, а монокристаллы перовскитного диэлектрика – оксида вольфрама, допированного натрием в 1999 г. продемонстрировали в поверхностном слое высокотемпературную сверхпроводимость с критической температурой 91 К;

6. Оксипниктиды – редкоземельные оксидные структуры без меди, открытые в 2008 году, быстро достигли сверхпроводящей температуры – второй после высокотемпературных сверхпроводников (= 55 К); они также как и ВТСП имеют слоистую кристаллическую структуру и соответствующие проводящие плоскости FeAs;

7. Оксиды пирохлоров, представляющие группу минералов, содержащих титан, тантал и ниобий, демонстрируют невысокую температуру перехода (= 9,6 К);

8. Рутенокупраты – ближайшие структурные родственники ВТСП, в которых сверхпроводимость сосуществует с ферромагнетизмом показывают = 50 К;

9. Высокотемпературные сверхпроводники – сверхпроводящие купраты, открытые в 1986 г., в которых сверхпроводимость осуществляется по плоскостям CuO2, имеют на сегодняшний день рекордную температуру сверхпроводящего перехода (= 166 ± 1,5 K), – им в нашей лекции будет уделено основное внимание;

10. В редкоземельных борокарбидах достигнута температура перехода = 23 К;

11. Кремниевые сверхпроводники при высоком избыточном давлении (что является одним из основных факторов повышения сверхпроводимости в сверхпроводящих материалах) показывают = 14 К;

12. Халькогениды – структуры на основе серы и селена демонстрируют невысокую критическую температуру= 4,15 К;

13. Углеродные сверхпроводники – фуллеренные структуры, исследования сверхпроводимости, в которых сопровождались наиболее противоречивыми и скандальными результатами; подтвержденная критическая температура в них составляет = 40 К;

14. MgB2 и родственные структуры (= 39 К). Открытие сверхпроводимости в этих известных с начала 1950-х годов, дешевых и широкодоступных материалах (магнезию можно купить в любой аптеке!), демонстрирующих довольно высокую критическую температуру, было достаточно удивительно, поскольку открытие состоялось только в 2001 г., гораздо позже лавины открытий, последовавшей в области сверхпроводимости после открытия ВТСП в 1986 г.

(Сл. 4) Надо сказать, что комитет по присуждению Нобелевских премий по физике не «обидел» премиями физиков, занимавшихся вопросами сверхпроводимости и смежными исследованиями.

Хейке Камерлинг Оннес – разработал и сконструировал ожижительную установку, на которой в 1906 г. получил жидкий водород. В 1908 г. он впервые сумел получить жидкий гелий и достичь рекордно низкой на тот момент температуры 0.9 K, за что и получил Нобелевскую премию по физике в 1913 г. «за исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия». В 1911 г. он впервые наблюдал резкое падение электрического сопротивления ртути при температуре ниже 4.25 K. Это явление получило впоследствии название сверхпроводимости. В 1913 г. Х. К. Оннес обнаружил разрушение сверхпроводимости сильными магнитными полями и токами.

Лев Давидович Ландау – легендарная фигура в истории отечественной и мировой науки. Квантовая механика, физика твердого тела, магнетизм, физика низких температур, физика космических лучей, гидродинамика, квантовая теория поля, физика атомного ядра и элементарных частиц, физика плазмы – вот далеко не полный перечень областей, в разное время привлекавших внимание Ландау. Про него говорили, что в «огромном здании физики XX века для него не было запертых дверей». Он получил свою Нобелевскую премию по физике в 1962 г. за «пионерские работы в области теории конденсированных сред, в особенности жидкого гелия».

Джон Бардин – единственный человек, который получил две Нобелевские премии по физике: в 1956 г. «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» совместно с Уильямом Шокли и Уолтером Браттейном и в 1972 г. совместно с Леоном Купером и Джоном Шриффером «за созданную их совместными усилиями теорию сверхпроводимости, обычно называемую теорией Бардина – Купера – Шриффера, или просто БКШ-теорией» – основополагающую теорию обычных сверхпроводников. Эта теория, разработанная в 1956 г., основана на представлении о сверхтекучести т. н. куперовских пар электронов, образующих Бозе-Эйнштейна конденсат, и установила электрон-фононный механизм обычной сверхпроводимости. В отличие от кулоновского отталкивания двух электронов, электрон проводимости при прохождении в металле вызывает локальную деформацию кристаллической решетки. За счет такого взаимодействия с фононами решетки происходит связывание электронов в сверхпроводящую куперовскую пару при температуре ниже критической. Такой конденсат куперовских пар и обусловливает сверхпроводимость.

(Сл. 5) Брайан Дэвид Джозефсон в 1962 г. открыл и теоретически предсказал явление прохождения электронов через тонкий слой диэлектрика, помещенный между двумя сверхпроводящими металлами (стационарный эффект Джозефсона, подтвержденный экспериментально в 1963 г.). Он предположил также, что если к контакту приложить разность потенциалов, то через него пойдет осциллирующий ток с частотой, зависящей только от величины приложенного напряжения (нестационарный эффект Джозефсона). Эффекты Джозефсона позволили уточнить величину постоянной Планка, способствовали созданию принципиально нового квантового стандарта напряжения. Они стали основой конструирования сверхчувствительных датчиков магнитного поля (СКВИДов), применяемых для измерения магнитных полей живых организмов и обнаружения объектов, скрытых под поверхностью. В 1973 г. Б. Д. Джозефсон получил половину Нобелевской премии «за теоретическое предсказание свойств тока, проходящего через туннельный барьер, в частности явлений, общеизвестных ныне под названием эффектов Джозефсона». Вторую половину премии получили Лео Эсаки и Айвор Джайвер «за экспериментальные открытия туннельных явлений в полупроводниках и сверхпроводниках».

Филип Уоррен Андерсон – разработал три теории: локализации, антиферромагнетизма и высокотемпературной сверхпроводимости. Концепция локализации расширила число состояний, которые могут быть локализованы за счёт присутствия дефектов в системе, гамильтониан Андерсона описывает электроны в переходном металле, а псевдоспиновый подход в теории сверхпроводимости Бардина – Купера – Шриффера, является одним из наиболее дискутируемых механизмов высокотемпературной сверхпроводимости. В 1977 г. Ф. У. Андерсон получил Нобелевскую премию по физике вместе с Нэвилом Моттом и Джоном ван Флеком «за фундаментальные теоретические исследования электронной структуры магнитных и неупорядоченных систем», которые дали толчок развитию электронных переключателей и устройств памяти в компьютерах.

Пётр Леонидович Капица в 1934 г. получил жидкий гелий на созданной им установке для ожижения гелия адиабатическим методом, в которой поршневой детандер работал при температуре 15 К на газовой смазке (которой являлся тот же гелий). Этот ожижитель стал основой быстрого прогресса в физике низких температур. Он открыл и экспериментально исследовал явление сверхтекучести жидкого гелия, а также разработал установки для промышленного производства жидкого кислорода. В 1978 г. П. Л. Капица получил половину Нобелевской премии «за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур».

(Сл. 6) Йоханнес Георг Беднорц и Карл Александр Мюллер в 1986 г. обнаружили сверхпроводимость в барий-лантан-медном оксиде при температуре 35 К (–238 °C) – на 12 К больше, чем температура сверхпроводимости, достигнутая до этого. Вслед за их открытием по всему миру последовала волна экспериментов с использованием медных оксидов, и в течение одного года были обнаружены вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах около 100 К (–173 °C). За эту работу им в 1987 г. была присуждена Нобелевская премия по физике «за важный прорыв в физике, выразившийся в открытии сверхпроводимости в керамических материалах».

Дуглас Дин Ошеров, Дэвид Морис Ли и Роберт Колман Ричардсон были удостоены Нобелевской премии по физике 1996 г. «за открытие сверхтекучести гелия-3». Само это открытие было сделано в 1971 г.

(Сл. 7) Эрик Аллин Корнелл, Вольфганг Кеттерле и Карл Виман получили Нобелевскую премию по физике в 2001 г. «за достижения в изучении процессов конденсации Бозе-Эйнштейна в среде разряженных газов и за начальные фундаментальные исследования характеристик конденсатов».

Алексей Алексеевич Абрикосов совместно с Н. В. Заварицким обнаружил при проверке теории Гинзбурга – Ландау в 1957 г. новый класс сверхпроводников – сверхпроводники второго рода. Этот новый тип сверхпроводников, в отличие от классических сверхпроводников первого рода, сохраняет свои свойства даже в присутствии сильного магнитного поля (в десятки тесла) и демонстрирует фазовый переход 2-го рода. А. А. Абрикосов смог объяснить такие свойства, развивая рассуждения Виталия Лазаревича Гинзбурга, возникновением регулярной решетки магнитных линий, окруженных кольцевыми токами, образующей т. н. вихревую решетку Абрикосова. В. Л. Гинзбург в 1950 г. создал (совместно с Л. Д. Ландау) полуфеноменологическую теорию сверхпроводимости (теория Гинзбурга – Ландау), а в 1958 г. (совместно с Л. П. Питаевским) полуфеноменологическую теорию сверхтекучести (теория Гинзбурга-Питаевского). В 2003 г. А. А. Абрикосов и В. Л. Гинзбург (совместно с Энтони Джэймсом Легеттом) получили Нобелевскую премию по физике «за создание теории сверхпроводимости второго рода и теории сверхтекучести жидкого гелия-3».

(Сл. 8) Как уже отмечалось история открытия сверхпроводимости ведет свое начало с 1911 г., когда Heike Kamerlingh-Onnes открыл это явление в ртути (~ 4,25 K) при температуре жидкого гелия. В дальнейшем были обнаружены сверхпроводящие свойства также у ряда других металлов, некоторых сплавов и интерметаллических соединений, которые, однако, демонстрировали низкую критическую температуру (максимальная величина Тс = 23,2 К у Nb3Ge), ненамного превышавшую температуру жидкого гелия. Это в огромной степени тормозило практическое применение сверхпроводников, вследствие высокой цены жидкого гелия (25$ за литр) и трудности его получения. Только спустя ¾ века в 1986 г. произошел существенный скачок температуры сверхпроводящего перехода, когда George Bednorz и Alex Müller открыли высокотемпературную сверхпроводимость в нетрадиционных соединениях – купратах. Основными достижениями исторического периода до открытия ВТСП явились полное понимание механизма сверхпроводимости в низкотемпературных сверхпроводниках, связанного с электрон-фононным взаимодействием, и создание достаточно совершенных охладительных криогенных систем, необходимых для развития сверхпроводящих применений. Справедливости ради надо сказать, что еще в начале 1970-х годов соединения оксидов лантана и меди были синтезированы в Москве. Эти исследования не были связаны со сверхпроводимостью – велся поиск хороших и дешевых проводников. При низких температурах проводимость этого нового материала показывала аномальное поведение. Советские ученые понимали значение этих аномалий, но, тем не менее, не продолжили дальнейших исследований, из-за существовавших тогда проблем с жидким гелием в Москве. Исследователи не проявили настойчивости в отстаивании своих спорных результатов. Таинственное соединение было положено в «стол» и вскоре забыто. Таким образом, Беднорц и Мюллер в 1986 г. открыли высокотемпературную сверхпроводимость практически в том же соединении, что задолго до этого было синтезировано в России, а Советский Союз лишился заслуженной Нобелевской премии. Поток открытий начался в 1987 г. и открыл новую эпоху в исследовании сверхпроводимости: была преодолена температура кипения жидкого азота (77 К). Низкая цена (0,5$ за литр), простые условия его получения и использования позволили в последующие годы совершить существенный рывок в разработке, изготовлении и начальном применении высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Открытие ВТСП породило настоящую эйфорию как в среде ученых (в 1987 г. число исследователей в этой области выросло более чем на порядок!), так и огромный интерес средств массовой информации. Ведь за один год критическая температура выросла на 70 К, в то время как за предыдущие 75 лет исследований сверхпроводимости увеличение Тс составило лишь 20 К! 1987 год как учеными, так и далекими от науки людьми был справедливо назван «Годом свершений в области физики». Публичный интерес привел к резкому увеличению средств, вкладываемых развитыми странами в исследования ВТСП. Открытия иттриевых, висмутовых, таллиевых и ртутных сверхпроводников привели к достижению критической температуры в ртутных соединениях Тс = 164 K (при давлении 30 ГПа) в 1993 г. Казалось еще одно усилие и комнатная сверхпроводимость (293 К) будет достигнута. Однако, все что пока удалось на этом пути незначительно увеличить Тс в ртутных сверхпроводниках при интеркаляции фтора в 2004 г. Основной проблемой для ВТСП является хрупкая оксидная структура, способствующая быстрому возникновению и развитию структурных дефектов, приводящих к резкому ухудшению сверхпроводящих свойств. Такое развитие событий привело к некоторому охлаждению внимания к сверхпроводимости со стороны властных структур в ведущих странах мира и соответствующему уменьшению средств на эти исследования.

(Сл. 9) На данном слайде показаны основные этапы открытия сверхпроводимости и повышения критической температуры от жидкого гелия до температур, превышающих температуру жидкого азота. Когда будет достигнута комнатная сверхпроводимость, и будут ли такими сверхпроводниками медные оксиды – вопросы, которые пока остаются без ответа. В 1987 г. первооткрывателями ВТСП были выработаны четыре критерия для определения существования сверхпроводимости: (1) наличие нулевого удельного сопротивления, (2) выраженный эффект Мейсснера (когда при понижении температуры и напряженности магнитного поля ниже критических значений наблюдается полное вытеснение магнитного потока из проводника, становящегося cверхпроводящим), (3) высокая воспроизводимость результатов и (4) высокая устойчивость эффекта.

(Сл. 10) В соответствии с этими критериями, начиная с 1986 г. выполнена огромная работа по открытию новых сверхпроводящих составов в попытках увеличить критическую температуру. Таблица 1 демонстрирует достижения в открытии сверхпроводящих купратов. На сегодняшний день известно более 50 таких составов, иногда представляющих целые семейства сверхпроводников. Все эти сложнейшие и дорогостоящие химические соединения объединяет наличие сверхпроводящих плоскостей CuO2 и анизотропная, хрупкая, оксидная структура материала. Сложность химических формул и наноструктурный масштаб сверхпроводящих эффектов приводят, как впоследствии мы увидим, к многочисленным технологиям получения данных сверхпроводников различных форм и размеров. В настоящее время наиболее перспективными для применений являются иттриевые и висмутовые купраты. Таллиевые и ртутные сверхпроводящие оксиды, хотя и имеют более высокие Тс, обладают меньшими преимуществами из-за токсичности этих соединений и сложности их получения. Природа как бы ставит барьеры для исследователей сверхпроводимости: чем более соблазнителен сверхпроводник с точки зрения его высоких полезных свойств, тем более он опасен при его изготовлении. В этой связи отметим также сверхпроводящие оксипниктиды, включающие ядовитый мышьяк, которые были открыты в 2008 г. и в настоящее время практически достигшие порога высокотемпературной сверхпроводимости

(Сл. 11) Можно задать законный вопрос так ли все безоблачно с открытиями в области сверхпроводимости и развиваются ли они по нарастающей? В 2000-2001 гг. немецкий физик J. H. Schön, работавший в белловской лаборатории (штат Нью-Джерси, США) вместе с соавторами сообщил, что, используя интеркаляцию одиночных кристаллов фуллерена C60 соединениями хлора и брома с целью расширения кристаллической решетки и формирования высокой плотности электронов проводимости и дырок, они достигли сначала критической температуры, Tc = 52 K, а затем и Tc = 117 K в легированных дырками образцах C60/CHBr3. Таким образом речь пошла об открытии нового высокотемпературного сверхпроводника. Рис. 2 представляет изменение критической температуры в зависимости от плотности носителей заряда для кристаллов C60, легированных дырками и электронами при различной степени интеркаляции. Авторы за один год успели опубликовать множество статей в ведущих мировых научных журналах, таких как Science и Nature. По этому поводу в мире прошел ряд конференций, как говорится, запахло новой Нобелевской премией в области сверхпроводимости, но… Первые критические статьи о результатах J. H. Schön были опубликованы в 2002 г. и были посвящены использованию органических молекул, сегрегированных в тонких пленках в качестве «молекулярных переключателей», а также полевых транзисторов, изменяющих концентрацию носителей заряда в различных органических веществах и обеспечивающих регулирование их электрических свойств (от диэлектрика к полупроводнику от металла к сверхпроводнику и т. д.). Предполагалось, что это позволяло создавать высокотемпературную сверхпроводимость C60 с помощью электрического поля. Однако сначала была замечена полная идентичность рисунков, относящихся к различным экспериментам и типам микроэлектронных устройств. Почти 100 научных групп по всему миру безуспешно пыталось повторить результаты J. H. Schön с соавт. Наконец, белловская лаборатория создала специальную комиссию, которая пришла к заключению о недостоверности результатов, полученных ее сотрудниками. Что касается высокотемпературной сверхпроводимости, то в настоящее время и теоретики, и экспериментаторы продолжают спорить о ее механизмах. Начиная с 1987 г. предложено более 100 моделей ВТСП, основанных, в частности, на представлениях о поляронах, плазмонах, экситонах, солитонах, суперобмене, электрон-фононном и прямом взаимодействии между электронами. Во всей литературе, опубликованной по сверхпроводимости комнатной сверхпроводимости посвящена пока только одна книга российского ученого, работающего в Бельгии (Mourachkine A. Room-Temperature Superconductivity. Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2004. - 310 p., ISBN: 978-1904602279). Известны единичные статьи, посвященные этому эффекту, но полученные результаты либо не соответствуют 4 принципам определения сверхпроводимости, установленным первооткрывателями ВТСП, либо явление наблюдалось в столь ничтожном объеме материала, что не позволяет использовать его для практических целей.

(Сл. 12) В начале 1990-х гг. началось применение ВТСП в конкретных устройствах и изделиях. Постепенно были разработаны и созданы образцы ВТСП проводов и кабелей, разных форм и размеров, на основе сверхпроводящей керамики были изготовлены ВТСП двигатели, генераторы, ограничители тока, токовводы, информационные системы, антенные решетки, сверхпроводящие подшипники и другие изделия. В 2004 г. были созданы сверхпроводящие прототипы всех электрических устройств.

(Сл. 13) Если взглянуть на символическое «дерево», представляющее широкие перспективы уже существующих и потенциальных применений сверхпроводимости, то можно осознать широту и охват сверхпроводимостью многочисленных разделов современной науки, техники и технологий. Вполне очевидно, что достижения в области сверхпроводимости являются ключевыми для энергетики, электроники, физики высоких энергий, воздушного, наземного и морского транспорта, космонавтики, медицины и многих других областей. Решающими здесь являются открывающиеся возможности по передаче, превращению и сохранению энергии. Успешное использование прикладной сверхпроводимости может стать одним из главных ответов на возникающие потребности общества. Оно приобретает даже более важное значение, чем развитие возобновляемых источников энергии: солнечной, геотермальной, атомной, а также энергии воды и ветра. Что уж тут говорить о не возобновляемых источниках энергии, которые рано или поздно иссякнут. Более того, сверхпроводимость опосредованно найдет свое применение и во многих гуманитарных областях.

(Сл. 14) показывает некоторые конкретные применения сверхпроводимости, в частности сверхпроводящие проволоки и кабели, поезда на магнитном подвесе, а также системные ее применения, охватывающие (а) сверхпроводящие магнитные устройства; (б) криогенные хранилища; (в) космические платформы; (г) научные инструменты; (д) вращающиеся накопители энергии. Например, как показали эксперименты, поезда, использующие эффект магнитной левитации (MagLev), в которых дно тележки включает ВТСП плавленую керамику, а рельсы представляют собой магниты, могут развивать скорость до 1000 км/ч!

(Сл. 15) Не обошелся без сверхпроводящих изделий и большой адронный коллайдер, пробный запуск, которого состоялся 10 сентября 2008 года. Он является крупнейшей экспериментальной установкой из когда-либо существовавших в мире. В туннеле длиной 27 км установлено свыше 8 тысяч сверхпроводящих магнитов (с общим весом сверхпроводящих материалов  1200 т), использованных для создания детекторов и предускорителей элементарных частиц в коллайдере.

(Сл. 16) В 2001 г. один из руководителей Intermagnetics General Corporation (США) Carl H. Rosner сделал сравнительный прогноз по поводу применения низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводников в ближайшие десятилетия. Как из него следует постепенно будет наблюдаться сравнительное увеличение преобладания использования высокотемпературной сверхпроводимости над низкотемпературной, что связано с преимуществами работы ВТСП устройств при более высоких температурах эксплуатации и соответствующих более низких затратах. Однако при этом сохраняются преимущества низкотемпературных сверхпроводящих металлов и сплавов, обусловленные их гораздо меньшей дефектностью по сравнению с хрупкой оксидной структурой ВТСП. В то же время, пока еще ВТСП изделия остаются слишком дорогими для практики, и лишь немногие образцы (например, токовводы и томографы) являются конкурентоспособными.

(Сл. 17) Например, для широкого и окупающего свои затраты внедрения ВТСП проволоки для различных электротехнических устройств необходимо удовлетворить всем требованиям, представленным в Таблице 2. Здесь одновременно должны быть выполнены условия, предъявляемые как к физико-механическим свойствам изделия (критический ток, захваченное магнитное поле, рабочая температура, длина и деформация), так и к стоимости его килоампер-метра. Сложность достижения этих требований (например, стоимость изделия пока в несколько раз превышает допустимые нормы) и сверхчувствительность полезных свойств высокотемпературного сверхпроводника к малейшим изменениям технологических воздействий в процессе его получения обусловили разработку многочисленных технологий изготовления ВТСП, которые мы рассмотрим ниже.

(Сл. 18) Надо отметить, что при приложении магнитного поля к сверхпроводнику II рода (а именно таким сверхпроводником является ВТСП) проникновение магнитных вихрей внутрь сверхпроводника начинается при напряженности магнитного поля, превышающей величину первого критического поля H > Hc1. Внутри сверхпроводника вихри отстоят друг от друга на расстоянии порядка глубины проникновения магнитного потока l, образуя регулярную треугольную или квадратную сетку. Это состояние сверхпроводника (при Hс1 < H < Hc2) является смешанным состоянием, т. к. оно характеризуется частичным проникновением магнитного поля внутрь образца. При увеличении внешнего поля период вихревой сетки постепенно уменьшается, а плотность вихрей возрастает. При достижении второго критического поля H = Hc2 расстояние между соседними вихрями достигает порядка длины сверхпроводящей когерентности x, т. е. нормальные ядра вихрей входят в контакт друг с другом, возникает фазовый переход 2-го рода, а сверхпроводник переходит в нормальное состояние. Тем не менее, сверхпроводимость еще сохраняется в тонком поверхностном слое вплоть до значения третьего критического поля H = Hc3 = 1,695Hс2. Для сравнения отметим, что классические низкотемпературные сверхпроводники являются сверхпроводниками I рода, для них существует только одно критическое значение магнитного поля (Hcm) и фазовый сверхпроводящий переход является фазовым переходом 1-го рода. Для увеличения сверхпроводящего тока необходимо закрепление вихревых линий (т. н. пиннинг магнитного потока) на дефектах или элементах структуры. При этом такие дефекты (центры пиннинга) должны быть размером порядка длины когерентности x. Именно на формирование таких структурных особенностей часто направлены многие технологии получения ВТСП. Поскольку длина когерентности в ВТСП составляет несколько нанометров (в отличие от низкотемпературных сверхпроводников, где x на 1-2 порядка величины больше), то создание таких центров пиннинга является сверхсложной задачей.

(Сл. 19) Очевидно, что разработка дорогостоящего, сверхчувствительного к технологическим воздействиям сверхпроводящего изделия требует создания высококачественных промежуточных продуктов на каждом из этапов изготовления сверхпроводника от сверхпроводящего порошка до готового изделия. На данном слайде представлены технологии получения сверхпроводящих порошков для двух типов сверхпроводящих висмутовых купратов. При этом каждая из перечисленных здесь технологий обладает своими преимуществами и не лишена недостатков, а также часто имеет определенные преимущества над другими при получении сверхпроводников определенной формы и размеров (например, золь-гель технология более пригодна для получения высококачественных пленок, чем объемных порошков). Большой проблемой может стать осаждение углерода в объеме сверхпроводника, охрупчивающего межзеренные границы и способствующего развитию дефектов и, следовательно, ухудшению полезных свойств образца.

(Сл. 20) Далее мы рассмотрим наиболее употребительные технологии изготовления различных сверхпроводящих образцов и начнем мы с получения иттриевых пленок и проводов с помощью методов (а) вакуумного соиспарения; (б) лазерного испарения и (в) химического осаждения металлоорганических соединений из паровой фазы. Методы вакуумного соиспарения подразумевают одновременное или последовательное (слой за слоем) соосаждение компонентов ВТСП, испаряемых из различных источников с помощью, например, электронно-лучевых пушек или резистивных испарителей. Эти методы используются при двухстадийном синтезе, когда не имеет принципиального значения структура пленок, напыляемых на первом этапе. Лазерное испарение высокоэффективно при напылении ВТСП пленок. Этот метод прост в реализации, имеет высокую скорость напыления и позволяет работать с небольшими мишенями. Его главным достоинством является одинаково хорошее испарение всех химических элементов, содержащихся в мишени. Сущностью метода химического осаждения металлоорганических соединений из паровой фазы является транспортировка металлических компонентов в виде паров летучих металлоорганических соединений в реактор, смешение с газообразным окислителем, разложение паров и конденсация оксидной пленки на подложку. Данный метод позволяет получить тонкие ВТСП пленки, сравнимые по своим характеристикам с образцами, изготовленными физическими методами напыления. При создании проводов YBCO необходимо решить ряд задач, направленных на термодинамическую, химическую и механическую совместимость сверхпроводящего слоя, подслоя и подложки. Эти задачи включают разработку основной структуры, оценку ключевых параметров и использование перспективных материалов для каждого из слоев. Насколько важен такой оптимальный подбор различных слоев демонстрирует Рис. 10, на котором показаны две пленки YBCO, напыленные на различные подложки: (а) SrTiO3 и (б) сапфир, с подслоями CeO2. Хотя условия напыления для обеих пленок были идентичны их морфологические особенности, а, следовательно, и полезные свойства разительно отличаются.

(Сл. 21) представляет последовательность технологических операций при получении висмутовых пленок, лент и проводов с помощью двух технологий: (а) лезвия и (б) пропускания серебряной фольги сквозь порошковую смесь.

(Сл. 22) другой популярной технологией получения висмутовых пленок, лент и проводов является технология частичного плавления сверхпроводящей фазы Bi-2212. Обобщенные схемы температурных режимов, используемые в этой технологии, разбиваются на 4 этапа: (I) - проводник нагревается выше точки плавления фазы Bi-2212, удерживается короткое время при этой температуре и охлаждается. При плавлении сверхпроводящего порошка неконгруэнтным (несоответствующим) образом, формируются жидкая и несверхпроводящая кристаллическая фазы (т. е. возникает частичный расплав); (II) - фаза Bi-2212 формируется из расплава, происходит рост и упорядочение зерен Bi-2212; (III) - максимизируется формирование и упорядочение сверхпроводящей фазы; (IV) - образец остывает до комнатной температуры, происходит критическое изменение его микроструктуры. Конкретные различия в температурных режимах (при нагревании и остывании) для лент и проводов с одной стороны и для пленок – с другой, связаны с наличием в первом случае двух свободных поверхностей, а во втором – только одной (сверхпроводящие пленки жестко связаны с подложкой и соответственно деформируются при внешних воздействиях вместе с ней).

(Сл. 23) При использовании расплавных технологий получения висмутовых пленок при наличии и отсутствии внешнего магнитного поля возникают различная текстура и упорядоченность зерен, а также дефектность образцов (см. Рис. 14 и 16), непосредственно сказывающиеся на сверхпроводящих свойствах (см. Рис. 15). Аналогичные результаты получаются и для сверхпроводящих лент.

(Сл. 24) Наиболее популярной в настоящее время технологией получения ВТСП лент и проводов является метод «оксидный порошок в трубке», а также его различные модификации. Стандартная цепочка технологических этапов получения одножильных и многожильных образцов представлена на Рис. 17. Все указанные технологические воздействия в данном случае направлены на создание химической и термомеханической совместимости металлической оболочки и сверхпроводящего сердечника, упорядоченности зерен сверхпроводника, максимальной защиты хрупкого сердечника и соответствующее ограничение возникновения и развития дефектов, ухудшающих сверхпроводящие свойства.

(Сл. 25) На Рис. 18. представлены различные примеры конфигураций поперечных сечений лент и проводов в серебряной оболочке, получаемых методом «оксидный порошок в трубке». Отметим, что современная технология позволяет создавать сверхпроводящие многожильные образцы с более чем 1000 жил. В качестве еще одной проблемы, требующей своего разрешения и определяющей полезные свойства сверхпроводящих лент укажем на возникновение волнистой поверхности раздела Ag/сверхпроводник (см. Рис. 19). Бóльшая волнистость приводит к ухудшению сверхпроводящих свойств.

(Сл. 26) Однако классическая технология «оксидный порошок в трубке» сама по себе не способна решить всех возникающих проблем. Это потребовало разработки многочисленных модификаций данного метода. Дополнительные операции для улучшения качества ВТСП, получаемых по этой технологии, в частности связаны с процессами: (а) экструзии; (б) одноосного прессования; (в) желобковой прокатки; (г) изостатического прессования; (д) непрерывной намотки; (е) ориентации сверхпроводящих волокон относительно приложенного поля в процессе изготовления сверхпроводника. Кроме того, особым образом подбирают направление ориентации волокон относительно приложенного магнитного поля (см. Рис. 21), а также их распределение по сечению образца (см. Рис. 22).

(Сл. 27) Для получения ВТСП лент и проводов с улучшенными свойствами используются также методы обертывания (см. Рис. 23) и покрытия многожильной висмутовой ленты экранирующим слоем иттриевого сверхпроводника (см. Рис. 24).

(Сл. 28) Модификациями метода «оксидный порошок в трубке» являются также методы сегментирования сверхпроводящего сердечника (см. Рис. 25) и создания композитных химически и термомомеханически совместимых слоев (см. Рис. 26).

(Сл. 29) Представление технологий получения объемных висмутовых сверхпроводников начнем с обсуждения изготовления сверхпроводящих покрытий трубок и стержней. Как показано на Рис. 27 эта многоступенчатая технология снова включает разнообразные технологические воздействия и тщательный выбор композиционных составов для подложки и покрытия. Как и прежде основной целью является химическая и термомеханическая совместимость компонент, что в результате позволяет получить образцы с высоким упорядочением сверхпроводящих зерен и соответственно повысить сверхпроводящие свойства (см. Рис. 28).

(Сл. 30) Введение усов из несверхпроводящего материала в сверхпроводящий порошок с последующим проведением соответствующих технологических процедур позволяет оказать благоприятное воздействие на прочностные свойства и соответственно улучшить сверхпроводящие свойства изготовленного сверхпроводника.

(Сл. 31) Как уже отмечалось, для повышения сверхпроводящего тока необходимо создание центров пиннинга с характерным размером порядка длины когерентности , которая в ВТСП составляет порядка нескольких нанометров. Поэтому стандартные методы порошковой металлургии оказываются бесполезными в создании таких структурных особенностей. В качестве эффективных методов назовем (а) облучение изготовленных образцов протонами, нейтронами или тяжелыми ионами (см. Рис. 31), создающее аморфные цилиндрические области нанометрового диапазона, а также (б) введение дефектов, связанных с легирующими добавками, дисперсными частицами и дислокациями. Все технологии получения крупнозернистых объемных иттриевых сверхпроводников связаны с нагреванием образцов выше температуры перитектической реакции (Тр) вследствие чего образуется сверхпроводящая фаза Y-123 из нормальной фазы Y-211 и расплава, с последующим остыванием образца до комнатной температуры (см. Рис. 32). Температурные режимы для объемных выплавляемых иттриевых купратов во многом аналогичны соответствующим режимам для ВТСП пленок и лент, получаемых по технологии частичного плавления. Однако имеются и существенные различия, связанные, например, с использованием начальных композиций и структур. При этом малейшие изменения технологического режима обусловливают получение готовых изделий с существенно отличающимися свойствами. Например, изменение скорости нагревания образца приводит к структурам с различной пористостью и микрорастрескиванием (см. Рис. 33).

(Сл. 32) Поскольку для улучшения сверхпроводящих свойств очень важно получение образцов с высокой текстурой и упорядочением зерен была разработана технология помещения, т. н. затравок – зародышей новой фазы наверху выплавленной сверхпроводящей таблетки. Эти затравки представляют собой редкоземельные аналоги сверхпроводящей фазы Y-123. Поэтому в процессе плавления, а затем отвердевания образца сверхпроводящая фаза будет расти определенным образом, создавая текстуру образца и анизотропию свойств, необходимую для применений. В этой технологии различают холодное и горячее затравливание образца, связанное с температурой, при которой вводится затравка (см. Рис. 34). Другим важным параметром данной технологии является степень переохлаждения образца (DТ) – разность между перитектической температурой (Тр) и температурой выдержки образца (Тg), при которой происходит рост зерен из расплава и формирование окончательной микроструктуры образца. Насколько важно соблюдение оптимальной степени переохлаждения демонстрирует Рис. 35.

(Сл. 33) При распространении фронта кристаллизации образца наблюдается как захват, так и выталкивание несверхпроводящих частиц Y-211 в зависимости от интерфейсных энергий частиц, фронта кристаллизации и расплава. Оптимизация этого процесса также очень важна, поскольку с одной стороны избыток несверхпроводящих частиц Y-211 в сверхпроводящей матрице Y-123 в силу перколяционных особенностей приводит к ухудшению сверхпроводящих свойств, но с другой стороны оптимальный размер (порядка длины когерентности ) и соответствующая концентрация этих частиц могут обеспечить пиннинг магнитного потока и увеличение сверхпроводящего тока.

(Сл. 34) Для моделирования процесса взаимодействия кристаллизующейся сверхпроводящей фазы Y-123 и несверхпроводящих включений Y-211 при остывании образца был смоделирован механизм типа «застежка-молния», нашедший свое экспериментальное подтверждение. Он учитывает перитектическую реакцию и перитектическое превращение, обусловленные перетоком иттрия между фазами.

(Сл. 35) Растрескивающиеся ВТСП образцы вследствие термомеханических воздействий при их изготовлении и захвата больших магнитных полей (в десятки тесла), что приводит в дальнейшем к развитию макротрещин, могут быть усилены впрыскиванием эпоксидной смолы. Эта процедура залечивает указанные повреждения, сковывает распространение макротрещин и увеличивает сверхпроводящие свойства материала, которые могут практически не изменяться при циклических механических и/или температурных (см. Рис. 40в) воздействий на образец.

(Сл. 36) Для практического использования сверхпроводников в конкретных устройствах необходимо осуществить их сертификацию, в частности исследовать и установить зависимости механических и прочностных свойств от различных эффектов и воздействий. Методы таких исследований ВТСП материалов и композитов во многом напоминают методы исследования других аналогичных материалов. Например, Рис. 41. демонстрирует испытания образцов на растяжение и трехточечный изгиб. Рис. 42 показывает испытания сверхпроводящих лент на потерю устойчивости при продольном сжатии, а также на растяжение или циклическую усталость вдоль оси с.

(Сл. 37) Рис. 43. представляет другие виды испытаний лент: (а) на растяжение-сжатие с помощью пружинного помоста c припаянным образцом; (б) на изгиб с помощью устройства измерения критического тока в зависимости от непрерывно изменяющегося диаметра изгиба; (в) на поперечное сжатие штампами с определением вольтамперной характеристики; (г) на изгиб вокруг тора и (д) на трехточечный изгиб с помощью нагружения пьезодатчиком акустической эмиссии.

(Сл. 38) В нашей лаборатории было изготовлено испытательное устройство, представленное на Рис. 44, и разработана методика испытаний для исследования формирования и развития дефектов в ВТСП лентах при трехточечном изгибе с помощью нагружения пьезоэлектрическим датчиком акустической эмиссии и оптического устройства для измерения малых перемещений. Для комплексных испытаний ВТСП проводов, имеющих значительную протяженность, могут быть разработаны устройства, моделирующие изгиб, кручение и растяжение, проявляющиеся в процессе формирования прядевой структуры проводника (см., например Рис. 45).

(Сл. 39) Как уже отмечалось, одной из основных проблем в повышении сверхпроводящих свойств является повреждение хрупкого сверхпроводящего сердечника вследствие внешних воздействий различной природы. Серебряная оболочка лент и проводов, хотя и обладает прекрасной химической совместимостью с ВТСП, в недостаточной мере способна сопротивляться передаче нагрузок на сверхпроводник. В связи с этим серебро часто заменяют более прочными и жесткими сплавами, что приводит к повышению сверхпроводящих характеристик образца (см. Рис. 46).

(Сл. 40) В то же время, дисперсные добавки серебра способны привести к упрочнению сверхпроводящей матрицы. Серебро уменьшает микрорастрескивание образца (см. Рис. 47), и отклоняет трещину между серебряными частицами, расположенными в сверхпроводящей матрице (см. Рис. 48), что упрочняет образец и увеличивает его трещиностойкость. Однако, поскольку серебро является нормальным, а не сверхпроводящим материалом концентрация серебра должна быть оптимальной для достижения максимальных сверхпроводящих свойств образца (см. Рис. 49).

(Сл. 41) Одним из экспериментальных методов оценки сопротивления разрушению материалов и композитов является построение т. н. кривых сопротивления (R-кривых) – зависимостей роста трещиностойкости от длины прорастающей в образце трещины. Увеличение концентрации серебра повышает уровень и наклон таких кривых, показывая кумулятивный характер упрочнения с ростом трещины, в том числе и благодаря сковыванию берегов трещины пластичными включениями серебра.

(Сл. 42) Другие эффекты упрочнения хрупкого сверхпроводника и характер его деформирования при изготовлении, воздействующие на процессы микрорастрескивания и макроразрушения, связаны с (а) сосуществованием в ВТСП ромбической и тетрагональной фаз, подвергающихся различному повреждению при одних и тех же воздействиях (см. Рис. 51); (б) с возможностью остановки трещины на межфазной границе (см. Рис. 52), а также с (в) наличием доменной структуры и выпучиванием образца (см. Рис. 53).

(Сл. 43) Важное значение для сертификации сверхпроводников имеет исследование их разрушения при комнатной и криогенной температурах, демонстрирующее различные моды разрушения и механизмы упрочнения, связанные, например, с разрушением усов и расслоением на поверхности раздела матрицы и уса, а также выталкиванием усов берегами трещины и отклонением трещины от прямолинейности.

(Сл. 44) Специфический характер разрушения демонстрируют и сверхпроводящие волоконные композиты, который определяется термодинамическими, механическими и химическими свойствами волокон и матрицы. Различия в поведении разрушающегося композита также связаны с температурами испытания образцов.

(Сл. 45) Хрупкие частицы Y-211 могут обеспечить существенное упрочнение сверхпроводящей матрицы Y-123 благодаря отклонению трещины от прямолинейности, ее ветвлению и повороту фронта трещины при взаимодействии с включениями.

(Сл. 46) Однако, как показывают расчеты основным механизмом упрочнения ВТСП, демонстрирующих анизотропию теплового расширения зерен, является процесс формирования и разрушения мостиков-зерен за фронтом растущей трещины. При взаимодействии монетной трещины с таким зерном-мостиком (сначала происходит расцепление зерна с матрицей, а затем и его выталкивание берегами трещины. Оба эти процесса оказывают существенное влияние на увеличение трещиностойкости сверхпроводника с увеличением трещины. При этом второй эффект оказывается доминирующим.

(Сл. 47) У больших зерен локализуются разрывы траектории трещины, являющиеся областями неразрушившегося материала, формирующего связи, которые ограничивают рост трещины. При этом возникают напряжения, захлопывающие трещину, которые обусловлены мостиками на берегах трещины и зернами, связанными друг с другом силами трения. В общем случае качественные тенденции в изменении вязкости и приложенной нагрузки с длиной трещины можно описать следующим образом. Приложенное напряжение имеет два максимума, разделяемые значением c = d (см. Рис. 63б). Первый, при c < d определяется внутренними напряжениями и дефектами, сформировавшимися при изготовлении образца, а второй, при c > d – микроструктурными эффектами взаимодействия растущей трещины с микроструктурой. Соответствующие высоты двух барьеров обусловливаются действующей внешней нагрузкой. Преодолев первый барьер, (при c < d), трещина становится неустойчивой. Однако она развивается спонтанно до полного разрушения образца в случае, если второй барьер (при c > d) оказывается ниже первого. Иначе макроразрушение возможно только, если нагрузка достаточна для преодоления трещиной второго барьера. Отсюда прочность сверхпроводника определяется бόльшим из двух максимумов.

(Сл. 48) Явление сверхпроводимости связано с существованием т. н. слабых связей. Уже упоминавшиеся два закона Джозефсона, открытые в 1962 г. определили туннелирование сверхпроводящих электронов через эти связи. Различные типы таких слабых связей представлены на Рис. 64 и включают: (а) туннельный переход (S-I-S), где S – сверхпроводник, I – изолятор; (б) сэндвичевую структуру (S-N-S); (в) нормальную пленку (N), обусловливающую локальное подавление параметра порядка сверхпроводящей пленки (S); (г) мостик Дайема с двумя вырезами шириной порядка длины сверхпроводящей когерентности; (д) мостик переменной толщины с продольным вырезом шириной также порядка длины когерентности и (е) интеркристаллитный переход. Современные технологии позволяют изготовить сложнейшие пленочные структуры, представляющие собой переходы Джозефсона (широко распространенные в современной микроэлектронике), действующие на основе таких слабых связей. Исследование повреждаемости и дефектообразования в таких структурах является одной из важных проблем материаловедения сверхпроводников.

(Сл. 49) Укажем, например, на основные типы расслоений, которые возникают вследствие приложенных воздействий различной природы и свойственны композитным структурам типа «пленка-подложка» (см. Рис. 66): (а) отслоение открытого типа; (б) отслоение без продольной трещины; (в) выпучивание, подобное цилиндрическому изгибу балки; (г) закрытое отслоение эллиптического типа, (д) краевое отслоение; (е) краевое отслоение, сопровождаемое вторичной трещиной. Первые два случая возникают при действующих растягивающих нагрузках, перпендикулярных боковым поверхностям образца; остальные случаи соответствуют сжатию образца.

(Сл. 50) Наличие интерфейсов приводит к различному характеру разрушения вблизи и на поверхности раздела материалов, зависящему как от материальных свойств компонент, так и от приложенных нагрузок, в частности определяемому условием для энергии разрушения компонент. Такие характерные типы разрушения представлены на Рис. 67.

(Сл. 51) Экспериментальные свидетельства разрушений на и вблизи интерфейсов представлены на Рис. 69. Характерная морфология возможных разрушений, существующих в ВТСП-композитах включает: (а) разрушение у поверхности раздела материалов; (б) прорастание трещины внутрь более хрупкой компоненты и (в) интерфейсную трещину.

(Сл. 52) В рамках механики разрушения и физики прочности разработаны соответствующие математические методы и модельные представления для оценки различных прочностных параметров, характеризующих механизмы упрочнения и особенности сопротивления разрушению вышеперечисленных типов композиционных материалов и систем. Такая модель разрушений в композиционных системах типа «керамика – металл – керамика» показана на Рис. 70 и охватывает случаи: (а) пары трещин в установившемся состоянии внутри хрупкого основания и (б) интерфейсной трещины. Два механизма упрочнения, вводимые существованием интерфейсов, вследствие сковывания берегов растущей трещины пластически вытягивающейся металлической пленкой (а) и отклонения траектории трещины от прямолинейности (б), представлены на Рис. 71.

(Сл. 53) Поперечные разрушения являются характерными для сверхпроводящих пленок и проводов. В связи с этим были разработаны модельные представления в рамках плоской задачи механики разрушения об упрочнении сверхпроводящего композита параллельно-расположенными хрупкими волокнами. Строгая постановка соответствующей задачи учитывает существование отслоений на фронте и в следовой зоне распространяющейся трещины на границах раздела матрицы и волокон, а также проскальзывание трещины на интерфейсах.

(Сл. 54) Важным элементом предсказания поведения материалов, получения качественных и количественных оценок различных свойств и выбора материальных параметров является создание карт материальных свойств и типов разрушений. Рис. 74 показывает такую карту материальных свойств, на которой одно свойство изображается в зависимости от другого в логарифмическом масштабе. Это позволяет представить материальные характеристики в очень доступной форме и дает возможность показать дополнительные, фундаментальные соотношения на каждой карте (в данном случае дополнительно изображена критическая скорость освобождения энергии деформации GIc). Такие карты помогают в выборе интервала изменения рассматриваемого свойства и выработке критериев оценки предельного состояния материалов, используемых при изготовлении ВТСП, учитывая конкретные условия нагружения, температурные и электромагнитные поля, другие параметры.

(Сл. 55) При прорастании трещины через поликристаллическую или композиционную структуру, с ростом ее размера и локальных напряжений на фронте трещины, происходит существенное изменение характеристик окружающего материала. Инициируются многочисленные механизмы упрочнения: микрорастрескивание и двойникование, ветвление и формирование мостиков, сковывающих берега трещины, фазовые превращения и доменные переориентации, взаимодействие трещины с микро- и мезоструктурными элементами и т. д. Вследствие этого сложно получить количественные оценки скорости прорастания трещины, а следовательно определить время до разрушения или долговечность при заданном нагружении и температуре. Таким образом, весьма затруднительно разграничить действие того или иного механизма сопротивления разрушению, а также особенности разрушения материала. Карты разрушения, основанные на экспериментальных данных и построенные для многих материалов, позволяют решить эту задачу и помогают в осуществлении выбора материальных свойств, основываясь на типе разрушения. Границы на картах разрушения определяют одинаковые вклады примыкающих к ним областей, соответствующих действию того или иного механизма разрушения. Они смещаются при изменении микроструктурных характеристик данного материала.

(Сл. 56) Проблема получения оксидных сверхпроводников с высокими структурно-чувствительными свойствами выдвигает в качестве одной из первоочередных задач разработку и создание мониторинга свойств ВТСП керамик и композитов. Это включает: (1) наблюдение и моделирование микроструктурных превращений, обусловливающих формирование (при изготовлении) и изменение (при нагружении) сопротивления разрушению материала, оказывающего определяющее влияние на сверхпроводящие свойства; (2) оценку изменения микроструктурных, прочностных и проводящих характеристик при различных воздействиях; (3) прогнозирование свойств готового изделия в зависимости от композиции образца, параметров и особенностей технологического процесса. Примерная схема вычислительного мониторинга представлена на Рис. 76 и включает конкретные стадии изготовления и нагружения сверхпроводника, сопровождаемые микроструктурными превращениями; этапы моделирования прочностных, сверхпроводящих и других структурно-чувствительных свойств; характерные процессы, определяющие итоговые параметры образца. Отметим, что здесь показано моделирование на квадратной сетке. Однако соответствующая реализация представленной вычислительной схемы на других типах сетки (треугольной, гексагональной, с перекрывающимися компонентами и т. д.) не представляет принципиальных трудностей. Возможности мониторинга охватывают широкий спектр учитываемых параметров сверхпроводника и особенностей технологического процесса, а также определяют при реализации схемы мониторинга многочисленные свойства, необходимые для применений сверхпроводимости.

(Сл. 57) Для практической реализации вычислительного мониторинга последовательно должны быть рассмотрены различные этапы микроструктурных превращений в процессе изготовления, нагружения и последующего разрушения материала. Сначала численно реализуется процесс формирования микроструктуры материала при спекании, подразумевающий циклическое решение задач теплопроводности, образования и превращения пористости и зернистой фазы, а также усадки материала (см. Рис. 77). После окончания формирования микроструктуры во всей рассматриваемой области исследуются процессы микрорастрескивания интеркристаллитных границ при остывании образца (см. Рис. 78). На этом этапе также решается цикл задач теплопроводности и определения температурных напряжений, в результате чего моделируются микротрещины на границах зерен.

(Сл. 58) Следующий этап реализации вычислительного мониторинга связан с оценкой трещиностойкости смоделированного образца для случаев интеркристаллитного и смешанного разрушения при развитии макротрещин. Методы теории графов и механики разрушения позволяют смоделировать траектории макротрещин с учетом имеющихся структурных элементов: зерен, пор, интеркристаллитных границ и микротрещин.

(Сл. 59) После получения возможности моделирования прорастающих макротрещин удается вставить в общую схему мониторинга вычислительные алгоритмы, определяющие рост зерен, микрорастрескивание при остывании материала и в зоне процесса микрорастрескивания, окружающей макротрещину, другие механизмы упрочнения, характерные для данного материала, например процессы ветвления трещины, формирования и разрушения мостиков-зерен. В конечном итоге на основе реализации вычислительных алгоритмов удается получить оценки изменения трещиностойкости по сравнению со случаем отсутствия рассмотренных эффектов упрочнения и с учетом параметров и композиции исходного порошка, а также технологических особенностей получения сверхпроводника.

(Сл. 60) В свою очередь теория перколяции позволяет оценить эффективные характеристики электропроводности модельных структур на основе моделирования роста проводящего кластера с учетом структурных элементов: зерен, пор, интеркристаллитных границ и микротрещин, а также текстуры образца или разориентации соседних зерен. Например, т. н. алгоритм «муравей в лабиринте» позволяет на каждом временнóм шаге моделирования определить возможность или невозможность увеличения кластера путем сравнения вероятностей роста кластера с порогом перколяции для данного типа сетки. Итоговая оценка длины и объема проводящего кластера за определенный промежуток времени определяет степень электропроводности рассмотренной микроструктуры, позволяя провести сравнительные исследования различных микроструктур. Наконец, сравнение эффективных микроструктурных, прочностных и электропроводных свойств дает возможность выработать конкретные практические рекомендации по оптимизации технологии получения и начальной композиции сверхпроводника.

(Сл. 61) Физические подходы и методы математического моделирования могут найти свое применение в широких областях, далеких от естественных наук и технологий. Приведу два необычных примера таких применений, например, теории перколяции. После террористических актов в США 11 сентября 2001 г., американцами была развита теория перколяции терроризма. Согласно этой модели распространению терроризма способствуют не столько сравнительно малочисленные кучки фанатиков, сколько случайным образом формирующиеся многочисленные группы людей, которые симпатизируют террористам, хотя непосредственного участия в террористических актах и не принимающие. Они просто не препятствуют террору, даже если могут это сделать. Такие «дружественные» терроризму люди существовали всегда. Но в прошлом они были локализованы в определенных географических областях, и их число было относительно невелико. События 11 сентября показали, что порог перколяции оказался превышен: сформировался перколяционный поток, охвативший всю планету. В качестве другого примера можно привести историю противостояния на Кавказе, вылившегося в вооруженный конфликт Грузии и России в августе 2008 г. Географическая карта мира демонстрирует аналогию с поликристаллом, в котором отдельные зерна соответствуют различным странам, а межзеренные границы – межгосударственным границам. Тогда перколяционные потоки для данной страны выражаются следующими понятиями: «прозрачностью» границ государства, определяемой военными, национальными, культурными и другими связями со своими географическими соседями, периметром совместной границы (особенно сухопутной), дружественностью или враждебностью соседей, самодостаточностью страны, наличием внешней поддержки сильных стран и внутренней поддержки народом своего правительства и т. д. Все эти категории могут быть легко математизированы с учетом степени важности и приоритетности каждого из факторов. На основании этого можно построить математическую модель с оценкой наиболее вероятного развития событий и возможных последствий в зависимости от тех или иных принимаемых решений. Как подсказывает теория перколяции, оптимальная стратегия слабой (по сравнению с Россией) Грузии должна быть направлена на всемерное укрепление перколяционных потоков между двумя странами, т. к. Россия - ключевой посредник в конфликтах Грузии с Абхазией и Южной Осетией. Принятие руководством Грузии противоположной стратегии поведения привело к неизбежной катастрофе.

(Сл. 62) В заключение я хотел бы привести ряд достижений нашей лаборатории в исследовании сверхпроводников, других новых материалов и элементов конструкций. В 2004 г. вышло в свет двухтомное издание моей монографии (Паринов И. А. Микроструктура и свойства высокотемпературных сверхпроводников. Ростов-на-Дону: Ростовский государственный университет. 2004. - Т. 1, 2. - 783 c.). Данная книга посвящена исследованию микроструктуры, прочности, электромагнитных и сверхпроводящих свойств высокотемпературных сверхпроводников. В ней подробно обсуждаются пути оптимизации технологий изготовления материалов, сверхпроводящих композиций, внешних воздействий и температурных режимов, направленные на получение ВТСП с улучшенными и более контролируемыми физико-механическими свойствами. Рассмотренная в книге цепочка «композиция - технология - эксперимент - теория - модель», предполагающая существенную дефектность и структурную неоднородность ВТСП, создает цельную картину современных представлений о микроструктуре, прочности и связанных с ними структурно-чувствительных свойствах исследованных материалов. Особое внимание в книге уделено висмутовым и иттриевым сверхпроводящим купратам, наиболее перспективным для применений в настоящее время. Монография адресована студентам, аспирантам и специалистам, участвующим в разработке, получении и исследовании новых материалов. В существенно переработанном и дополненном виде эта книга была издана на английском языке издательством «Шпрингер» в 2007 г. (Parinov I. A. Microstructure and Properties of High-Temperature Superconductors. Heidelberg, Berlin, New York: Springer-Verlag. 2007. - 586 p.).

(Сл. 63) В настоящее время в издательстве Южного федерального университета готовится к публикации трехтомный словарь-справочник (Паринов И. А. Сверхпроводники и сверхпроводимость. Словарь-справочник в 3-х томах. Т. 1. Получение и эксперимент, Т. 2. Теория и свойства, Т. 3. Применения и перспективы. Ростов-на-Дону: Южный федеральный университет, 2009 г.). В первом томе представлена ретроспектива понятий и терминов, связанных с многочисленными технологиями получения, экспериментальными методами и исследованиями сверхпроводящих и родственных им материалов, а также с методологическим и инструментальным обеспечением этих исследований. Второй том посвящен терминам и понятиям, связанным с аналитическими методами и теоретическими подходами к исследованию сверхпроводников и сверхпроводимости, представлению конкретных свойств материалов, определяющих этот удивительный эффект. Большое место уделено математическим методам, используемым в данной области и в смежных областях науки. В третий том войдут термины и понятия, связанные с многочисленными применениями сверхпроводимости, а также с перспективными экспериментальными, теоретическими и модельными исследованиями, как самого явления, так и соответствующих материалов и композитов. В нем будет также очень подробно представлены перечни журналов и электронных ресурсов, посвященных сверхпроводимости, а также опубликованные монографии. Все термины сопровождаются английскими эквивалентами. В целом словарь-справочник предназначен как для студентов и аспирантов, изучающих проблемы сверхпроводимости, так и для инженеров и специалистов, занимающихся разработкой, созданием и исследованием новых материалов (в том числе, сверхпроводящих). Кроме того, готовится к изданию монография на английском языке, посвященная методам определения констант пьезокерамических материалов (Vladimir A. Akopyan, Arkady N. Soloviev, Ivan A. Parinov, Sergey N. Shevtsov. Methods for Definition of Constants of the Piezoceramic Materials. New York: Nova Science Publishers. 2009), которая также предназначена для студентов и специалистов соответствующих специальностей.

(Сл. 64) В последние годы в нашей лаборатории был разработан целый ряд экспериментальных установок и устройств для исследования сверхпроводников, других новых материалов и элементов конструкций. Здесь, в частности представлены устройства для (а) исследования повреждаемости высокотемпературных сверхпроводящих лент при трехточечном изгибе с использованием методов акустической эмиссии и оптической интерферометрии; (б) исследования методом акустической эмиссии формирования и развития дефектов в изгибаемых высокотемпературных сверхпроводящих лентах; (в) виброиспытания элемента лопасти вертолета с использованием пьезоактюатора; (г) виброиспытания элемента ферменной конструкции треугольной формы и (д) испытания на циклический изгиб асфальтобетонного образца в форме параллелепипеда.

(Сл. 65) Разработанное экспериментальное оборудование было представлено на различных выставках и награждено несколькими медалями, в частности московских выставок: «Архимед» – 2004, 2007 гг.; «Изделия и технологии двойного назначения» – 2006, 2007, 2008 гг. и «Высокие технологии XXI века» - 2008 г.

(Сл. 66) Благодарю за внимание.