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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.97.2018.tde-07082018-163732
Document
Author
Full name
Eleazar José Ribeiro
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Lorena, 2018
Supervisor
Committee
Rodrigues Junior, Durval (President)
Andrade Junior, Rubens de
Shigue, Carlos Yujiro
Sotelo, Guilherme Gonçalves
Title in Portuguese
Desenvolvimento da metodologia de fabricação de um fio supercondutor de MgB2
Keywords in Portuguese
Diboretos
Dopagem
Fios supercondutores
Metodologia de fabricação
MgB2
Abstract in Portuguese
A descoberta da supercondutividade no diboreto de magnésio (MgB2) em 2001 com temperatura crítica (Tc) de 39 K e campo magnético crítico superior (Hc2) (H?c2 (0)) _ 40 (T), causou uma busca frenética por materiais leves com estruturas cristalinas semelhantes e constituídos por elementos simples, e com potencial para substituir os já estabelecidos Nb-Ti e Nb3Sn na fabricação de fios e fitas supercondutoras. Entretanto, apesar de apresentar alta Tc os valores de Hc2, para o MgB2, decaem rapidamente quando submetidos a um campo magnético externo, principalmente devido ao fraco aprisionamento das linhas de fluxo magnético no material. Além disso, o processo de deformação plástica do conjunto que contém o pó granular, constituído pelos metais utilizados como barreira de difusão e como estabilizador térmico e elétrico, é desafiador, pois há dificuldades devido ao endurecimento dos metais por trabalho a frio e à acomodação do pó supercondutor. O objetivo deste trabalho é desenvolver um processo para a fabricação de fios multifilamentares de MgB2, dopado com carbono sob a forma de grafite e com a adição de diboretos com estrutura cristalina semelhante à do MgB2, além da otimização dos processos de deformação mecânica, dos tratamentos térmicos intermediários e a caracterização das propriedades cristalográficas, microestruturais e supercondutoras do fio. A metodologia utilizada para a produção do fio é a Powder-In-Tube (PIT) ex-situ com: moagem do pó realizado em moinho de alta energia, dopagem química com grafite, adição de diboreto de vanádio (VB2), inclusão de magnésio em excesso e uso de ácido esteárico (C18H36O2) como agente controlador do processo. A deformação mecânica foi feita por meio de forjamento rotativo (Rotary Swage - RS). Os resultados finais sugerem que a rota utilizada para o processo de fabricação do fio multifilamentar de MgB2 dopado com grafite e com introdução de VB2, deve ser alterada para utilizar MgB2 produzido em laboratório a partir do magnésio e de boro puros, com certificado de pureza, com o uso da metodologia in-situ, em glove-box com atmosfera controlada e com teor de oxigênio e de umidade monitorados. O processo descrito neste trabalho aperfeiçoa metodologias apresentadas na literatura e garante a integridade do fio durante todo o processo de fabricação. Além disto, sugere-se a utilização de um material de reforço externo, tais como: ferro, Glidcop (Cu-Al 15) ou aço ixox (SUS 316L) para que o fio tenha maior resistência mecânica à tração e menor custo.
Title in English
Development of the manufacturing methodology of a MgB2 superconducting wire
Keywords in English
Diboride
Doping
Methodology of manufacturing
MgB2
Superconducting wires
Abstract in English
The discovery of superconductivity in magnesium diboride (MgB2) in 2001 with critical temperatute (Tc) of 39 K and upper critical magnetic field (Hc2) (H?c 2 (0)) _ 40 (T), caused a frenetic search for lightweight materials with similar crystalline structures and constituded by simple elements, and with potential to replace the already traditional Nb-Ti and Nb3Sn in the manufacturing of superconducting wires and tapes. However, despite the MgB2 has high Tc, the Hc2 values decay rapidly when an external magnetic field is applied, mainly due to the poor pinning of the magnetic flux lines in the material. Furthermore, the plastic deformation process of the set containing the granular powder, constituded of metals used as diffusion barrier termal and electric stabilizer, is a challenge, because the hardening of the metals by cold working and the accommodation of the superconducting powder. The objective of this work is to develop a process for the manufacture of multifilamentary MgB2 wires, doped with carbon in the form of graphite and addition of diborides with crystalline structure similar to MgB2, as well as the optimization of the mechanical deformation processes, of the intermediate heat treatments and the characterization of the crystallographic, microstructural and superconducting properties of the wire. The methodology used for the production of the wire was the Powder-In-Tube (PIT) ex-situ with: milling of the powder in a high energy ball mill, chemical doping with graphite, addition of vanadium diboride (VB2), magnesium in excess and use of stearic acid (C18H36O2) as a process controlling agent. The mechanical deformation was done by means of rotary swaging. The final results suggest that the route used for the fabrication process of the graphite-doped MgB2 multifilamentary wire with introduction of VB2, should be changed to use MgB2 produced in laboratory from pure magnesium and boron, with a certificate of purity, using the in-situ methodology in a glove-box with controlled and monitored atmosphere with respect to the oxygen and humidity contents. The process described in this work improves methodologies shown in literature and guarantees the integrity of the wire during the entire fabrication process. In addition, it is suggested the use of an external reinforcing material, such as: iron, Glidcop (Cu-Al 15) or stainless steel (SUS 316L), so that the wire has a higher mechanical tensile strength and a lower cost.
 
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Publishing Date
2018-08-07
 
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