记录自制YBCO超导体的一些问题
Leonard2019/12/25原创 化学物理 IP:浙江
关键词
超导体自制
YBCO

自制YBCO的计划当时有点拍脑袋

但是算起来,自己也已经坚持了快一年了。

从一开始割肉入了球磨机,马弗炉,还有杂七杂八的设备开始,工资就像流水一样没了,真正的月光。大致算了一下,目前投入已有4W。

但是看看实验进度吧。除了一开始几次实验有用扭秤法观察到微弱的抗磁性。之后再也没有什么进步。

四处查资料和求助,但是真正能帮到的不多。

每次遇到一个新方法,激动的准备一通,烧一炉后,发现得到了和以前差不多的室温电阻,液氮加上,抗磁性也是时有时无。这距离我想要做出悬浮磁铁的目标真是太远了。

在表征的方法上,我做的不是很足,主要用这个悬浮能力作为指标。因为测电阻或者送XRD对我而言都很难,一个是缺精密的仪器,另一个是每次送样都是一两百,最终还是钱的问题。但是对于表征的问题,文献中提到的室温电阻一定程度上还是可以反应一些问题的,如果你测的是几MΩ的话,那么可能得到了四方相的产物,那么也不用去浪费液氮了。如果室温电阻在100Ω以下(产物一般不大,10mm左右的间距),那么是符合超导体室温下的电阻的,但是抗磁性上可能及其微弱,以至于你怀疑实验的一切。


虽然欠缺一些严格控制实验的条件,以下的记录会较为片面,但是为了更好的记录实验和控制变量,也起到一定的交流作用,让大家可以指正我的实验缺陷。不过目前还没有经过非常严谨的整理,因为变量上太多,实验设备也是逐步升级的,一开始我连带温控曲线的控温设备都没有。


实验总体上有三条大路径,书上也是这么说的。

  1. 固体粉末,混合,烧结。

  2. 硝酸盐和柠檬酸混合,蒸发到自燃,再烧结。有钱的话加乙二胺,(凝胶法)

  3. 草酸共沉淀法,对于一开始的阴离子要求就不高了,有Cl还是磷酸根还是硝酸根都无所谓,反正最后沉淀后都是要滤掉的(但是要考虑你洗滤这个步骤有多麻烦,滤纸里的添加剂也可能干扰实验)

Y:Ba:Cu的mol比是1:2:3,前面这几条方法都必须满足这一条,YBCO能形成超导相的化学配比要求非常精确。我一般是称量到正负0.0005g才下天平的。



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既然是整理,那得找个开头。

最近很迷第三种方法,草酸共沉淀法。

关于这个方法,看起来好像很简单,但是一到要采购药品的时候,就会发现困难重重了。

要记住,要精确称量,这意味着如果用现成的硝酸钇化学式Y(NO3)3·6H2O你都会因为不敢保证到底有药品里有几个水而苦恼,差一个H2O就足够失败了。那么怎么办呢,木虫上有人想先分析热重,然后就直到合适的温度,可以去掉H2O而不分解NO3的方法了。我不知道这位仁兄成没成,但是我觉得他应该不太缺经费。而且最后也没见他公布一个数据,SO,我借鉴不了。总结1:买现成药品(没有不带水合物的),难。

那么我的一个自然的想法就是,Y2O3我还是有的,而且很精准,而且它不容易吸潮和吸收CO2(我有烘干箱),总之用酸去溶解它真是个好方法。好吧,我试了醋酸,盐酸,加热都难彻底溶解。硝酸买不到,硫酸的话,和Ba溶液混合的时候会沉淀。总结2:想要溶解Y2O3,没有点化学设备和资质的话,太难了。

最近我有个新思路,就是直接购买金属钇,这东西据说易溶于酸,货还没到。我买了粉末状(240RMB/100g)的和颗粒状的(13RMB/10g)。希望这个方法顺利

(关于总结一,我已经入手了很多硝酸钇,硝酸钡和氯化钡,都是带水合物的。为了避免浪费,我可能后面会尝试购买容量瓶,然后对比同样容量的水和盐溶液的重量差,算出精确的溶质含量,好吧,这方法里,我可能得假设溶质所占体积和水分子体积差不多,也是有待商榷的一种方法,但是后面精确计算后,再评估一下能差多少吧。)


OK,关于CuO和BaO的溶解,问题不大,以前我用醋酸就把他俩溶了,但是经历过加热很长时间的步骤,方法不够优化。

BaO的问题在于吸潮吸CO2。 醋酸溶解时有气泡冒出,现在想起来,这一定程度上导致了我固态烧结法的时候有时候失败了吧。BaCO3的那几组实验室温电阻都还正常。

CuO溶解较慢,但是能溶,只是时间问题,和BaO混一起的时候,不知为什么,更不容易溶解了。最近进了HCl,就有这种问题,已经泡了2天,还是没完全溶解,当然这可能是店家卖给我的浓度不够的问题,刚才有人回复我说之前我选的那家的HCl虽然看起来透明澄清(很纯无铁),但是浓度只有5%?????晚上回去我得测试一番。不足量肯定差评,请叫我差评师,我不评论就是好评了吧,哈哈哈。


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固态烧结法

一时想不起太多来,

大概整理一下产物颜色,室温电阻等较为容易观察的指标。回头抽有代表性的去做XRD,对各种物相进行整理。这是个大工程。





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柠檬酸那个

因为老外的实验用的这个办法,坛子里一个同道中人发了贴,我才进了这个坛子。




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烧结很重要的东西——炉子


马弗炉是不够的,可以精确控温的马弗炉也刚刚可以完成烧结而已(市场价也就两三千,这个还便宜的)。

YBCO还有重要的一环就是高压渗氧。

所以可以看到很多论文里用的是真空石英管式炉。我也自己尝试搭建了,要是我那么土豪的话,花两三万买个炉子,那我的实验会早就完成了吧?


关于炉子,其实我有很多话说。一开始我还不知道有现成的温控表的时候,我是尝试自己写PID温控算法的。当时还发了不少朋友圈,我的前老板看到后,对于我发的其它东西都表示赞许,唯独对于温控这一块表示了鄙视,说温控太简单了,要高点高端的东西。

我听了不太开心,温控简单?谁说的?我承认500度以下温控不难。但是我们面对的东西是一个温度1K上下的炉子,用K型热电偶测得数据都未必准确,波动极大,旁边还有强烈的工频干扰,(大电流的电阻丝启动后,要是固定不好,可以听到嗡嗡嗡的声音)

OK,那有人就说了,既然不简单,怎么不卖成熟设备呢?好吧,一开始我的想法和前老板是一样的,心想不就是个通电加热的玩意?正好想玩玩PID算法,就搞起吧。

当时浪费了两个月解决如何自己进行温控,准备了MAX31856,Arduino,可控硅功率控制模块等。MAX31856炸了之后,我才放弃,Arduino的一个引脚接到了可控硅模块上,也一起挂了。没做好对大地的防护,万幸当时没一起炸了我的示波器,心有余悸。

(至于我为啥喜欢用Arduino,我觉得不是很可耻的一件事情。要知道人家前身AVR也是正经单片机好吧,难道就因为用的人年龄层低了些,就该收到鄙视?深刻认同没有坏的法术,只有坏的法师这句话。)

搞来搞去,最后我还是买了相对成熟的产品,才175块钱的温控表,实测效果还可以,稳定后温度控制的波动范围大概在2~3摄氏度。淘宝货,和理想的温度曲线还有有点差距。但是经济条件已经不允许我再买专业的炉膛公司提供的温控表了(600多一个)。

随后我学着那个柠檬酸老外的法子自己搭建简易炉,顺便搞个通入氧气的装置。粗糙+原始=失败。总之目前我还是没发现那个杯子形的简易炉比马弗炉好多少。甚至更坏,因为温度没经过校准。

老外用那种校准炉温的锥形测温块,我也买了,没用,很难测准。我想,这不行啊,要不我用银作为测温物质吧,银是晶体,熔点963摄氏度,不到温度就不会溶,完美。

实际上,经过了几轮烧炉子的过程,我也完成了校准,找到了我的炉温920对应银快要融化的温度。但是毕竟不精确,我只能估计在这个温度范围上,显示的温度应该和实际温度上下十度以内。不过看了很多文献,似乎温度在这个范围还是可能完成任务的。

这简易炉和马弗炉相比,给我的产物并没有多少惊喜,都是差不多的东西。


于是我进入了自制真空石英管炉时代。

关于这个炉子,我认真了很多,考虑了密封,考虑了石英管和加热区接触过紧的受热不均,考虑了法兰和气管的转换,考虑了排气和充气,考虑了固定热电偶的孔,考虑了用标准热电偶去校准温度。

但是机关算尽,上天居然还是让我碰上了一个糟心的事情。甚至憋了一肚子气!

一般来讲,我们提到的耐火材料主要是莫来石。我之前搭建的简易炉也是买了一个100多的圆柱体莫来石炉,周围有环形槽。链接:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/XXXXXXXm?spm=a1z0d.6639537.1997196601.231.6f9e7484eYQBmD&id=541127989445

对此店家,我给个赞,性价比很良心。

天有不测风云,我后来想要做的炉膛尺寸要大点,找不到现成的圆柱形炉,搜着搜着,找到这家:

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/XXXXXXXm?spm=a1z09.2.0.0.7c6e2e8dNLRscZ&id=595235527673&_u=p84qkab2b8b

他家有个两半圆的炉,结构和正经石英炉很像,我心动了,买了,当时觉得500块钱不贵,好东西啊,都想好好给他家推广一番。以至于我居然没有注意他家的的三个评分,事实证明淘宝的那三个绿箭头非常反应一家店铺的好坏。结果是我得到了一个是石棉网式的空心炉。当时我那个气啊,怎么能有这么黑心的商家呢?空心的东西能行吗?给了店家差评后(具体怎样,有兴趣也可以去看看,我难得评论那么用心)又转念一想,空气绝热确实比有实体材料好一些,貌似也没毛病哈。但是从坚固和结实耐用角度讲,这家店仍然要给个差评,加热丝都用的不是好东西。


OK,这只能算是一个插曲。当然还有陪O型圈的波折,还有加工法兰的波折。就不细说了,总之,我总算是找了一堆低价的东西拼凑出一个真空炉,目前只差测试。随后上图。

但是要说这么一个炉子,来来回回也花了我1500,虽然比不上专业的石英真空炉子,但是好歹有基本功能了呀,但我还真不太舍得烧到950度,只打算用于高压渗氧。

原因是什么呢?以前用石英舟盛放烧结物,刚玉管式炉里烧了几次,发现石英舟变脆,容易碎。而我们又需要石英来抵抗两三个大气压。还是安全第一,切记切记。



[修改于 4年3个月前 - 2019/12/25 12:24:13]

+1  学术分    虎哥    2020/03/02 本文比较客观的报导了研究过程,根据本文的整体情况,加分冲正。
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~~空空如也
忆昔长别
3年10个月前 IP:广西
881759

我的天啊! 在这么艰苦的环境下进行超导科学研究。理论知识深厚,动手能力满分,面对警察从容淡定。仿佛回到了两弹一星的年代。

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御坂14500
3年7个月前 IP:广东
885012

现在说可能有点晚……我最近正好看到一个外网搬过来的NileRed的视频,他前半部分很成功,不过用的方法和你不太一样,只是后面烧结的时候有点波折,这是链接:

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/video/BV1Ya4y1J7eS

原油管链接:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/watch?v=RS7gyZJg5nc&t=391s



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Leonard作者
3年7个月前 IP:浙江
885202
引用御坂14500发表于52楼的内容
现在说可能有点晚……我最近正好看到一个外网搬过来的NileRed的视频,他前半部分很成功,不过用的方...

我看了他做得了,对我很有启发,看来模具自己做还是不太行,我做的样品不好看啊。然后他的热处理曲线是我最初就尝试过的,但是我的没成功,可能的问题有设备和研磨过程等。另外我还没耐心向他一样做成详细的视频,这显然不利于推广交流。不过他的设备等比我有钱多了,拍出来好看,我的设备拍起来可能有点让人大跌眼镜。

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diy患者
3年7个月前 修改于 3年7个月前 IP:山东
885740

牛逼,这么简陋的条件搞定了这么高大上的超导体。

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