O trabalho de Iniciação Científica

O trabalho teve como objetivo primário a otimização dos processos de produção de um fio supercondutor de MgB2 com 42 filamentos. Estes processos começam com a

preparação de um pó através do método ex-situ de MgB2, com introdução de centros de

aprisionamentos artificiais a partir da adição do diboreto metálico TaB2 e dopagem simultânea

de SiC como fonte de carbono, utilizando os resultados de (DA SILVA, 2013; RODRIGUES Microestrutural

Dureza Supercondutora

Preparação das amostras para caracterização Tratamentos térmicos de sinterização Estudo sobre novos perfis de sinterizaçao

JR, 2012), seguindo a seguinte estequiometria:

MgB2 + 2% at. TaB2 + 10% p. SiC + 5% p. Mg,

onde o excesso de Mg tem como objetivo repor as perdas do material durante os tratamentos térmicos de sinterização.

A mistura foi submetida a moagem de alta energia em um moinho de bolas SPEX 8000D, seguindo a proporção em peso esfera-pó de 3:1 e tempo de moagem de 300 min, obedecendo às melhores condições encontradas por Rodrigues Jr e colaboradores (2008), que mostraram melhores conexões intergranulares e assim otimizando as propriedades supercondutoras. O recipiente e bolas usadas na moagem eram constituídas de WC. Em caso de contaminação do pó, essas fases são facilmente identificadas em análises cristalográficas e não prejudiciais à qualidade do supercondutor.

Para a produção do fio, foi utilizado um filamento central de cobre de alta condutividade e livre de oxigênio (Oxygen Free High Conductivity, OFHC) para estabilização elétrica e criogênica, revestimento de monel (liga Cu-Ni) para estabilização mecânica e nióbio como barreira de difusão, impedindo a reação do cobre presente no monel com a fase MgB2

durante os tratamentos térmicos de sinterização. O fio final é resultado de dois processos de deformação mecânica, sendo o primeiro o forjamento rotativo (SWAGE) para etapas iniciais (deformações de maior redução percentual) e o segundo a trefilação em banco reto para etapas finais (deformações com menor redução percentual). A geometria estrutural esquemática do fio pode ser verificada na Figura 7.

Figura 7 – Representação do esquema geométrico dos filamentos de MgB2 embutidos no tubo de

monel no segundo embutimento.

A produção do fio foi constituída de três etapas sequenciais: monofilamento, primeiro embutimento e segundo embutimento. O monofilamento inicial com diâmetro 15,50 mm, composto do pó de MgB2 revestido de nióbio com 2,00 mm de espessura (Øexterno – Øinterno),

foi deformado até 5,00 mm e cortado em 7 pedaços iguais, onde foram reembutidos em um novo tubo de monel para formar o primeiro embutimento. Esse primeiro embutimento foi deformado novamente até o diâmetro de 5,00 mm, cortado em 6 pedaços iguais para, juntamente com o fio de cobre OFHC central, formar o segundo embutimento, deformado novamente até o diâmetro de 3,00 mm. O fio de cobre central tem como objetivo a estabilização elétrica e criogênica ao longo do fio. No caso de transição do estado supercondutor para o normal durante a utilização prática do fio, o cobre é responsável por dissipar o eventual calor gerado com a passagem da corrente elétrica. A Tabela 1 mostra as reduções estimadas do diâmetro de cada monofilamento de MgB2 nas três etapas de

deformação.

Tabela 1 – Reduçõesestimadas do diâmetro dos filamentos de MgB2, após cada etapa de deformação

Diâmetro inicial do filamento de MgB2 Diâmetro final do filamento de MgB2 Redução percentual de cada filamento de MgB2 Monofilamento 15,50 mm 5,00 mm 67,74% 1º Embutimento 5,00 mm 1,35 mm 91.29% 2º Embutimento 1,35 mm 0,2 mm 98,71%

Fonte: Da Silva et al. (2018).

É importante dizer que durante todo o processo, até as últimas etapas do segundo embutimento, não foram apresentados rompimentos do fio, indicando que o material não atingiu alto nível de encruamento tal que fosse necessário um tratamento térmico de recristalização do cobre. Isso ocorre por que o Nb e o monel são capazes de suportar altas taxas de deformação, o que justifica sua escolha para esta finalidade. O tratamento térmico de recristalização, também chamado de recozimento, torna-se necessário somente quando deseja- se amolecer o material encruado como consequência do trabalho mecânico de deformação. Ao ser recristalizado, um material altera sua microestrutura significativamente, formando grãos menores e possibilitando futuras etapas de deformação mecânica.

No entanto, após o último passo de 3,00 mm, a continuidade da deformação não foi mais possível devido ao fato do departamento não possuir um equipamento eficiente para a

afinação da ponta do fio, de modo que fosse possível introduzi-lo na matriz da trefila. A tentativa de afinação nesta etapa com os equipamentos disponíveis causou diversos rompimentos, optando-se então pelo encerramento dos processos de deformação mecânica do fio supercondutor.

Os perfis de tratamento térmico adotados para o trabalho foram 600ºC/2h, 700ºC/1h e 800ºC/30min, seguindo os resultados obtidos na literatura (RODRIGUES JR et al., 2008; DA SILVA, 2013). Estes perfis, realizados sobre amostras bulk, mostram-se eficientes na melhoria das características supercondutoras. No trabalho de Da Silva (2013), verificou-se nos tratamentos a 800ºC/30min uma maior homogeneização da matriz supercondutora, diminuição da porosidade e maior tamanho médio de grãos supercondutores, fatores que aumentam a densidade de corrente crítica. Porém, a sinterização a 600º/2h mostrou-se eficiente no aumento do Hirr do MgB2 , devido a uma melhor distribuição de fases distintas a

matriz supercondutora espalhada no material.

Nas caracterizações cristalográficas do fio, foi verificada grande presença da fase MgO, impossibilitando os tratamentos térmicos de sinterização de formarem grande fração de fases supercondutoras. Maiores detalhes sobre os respectivos resultados são apresentados na seção RESULTADOS E DISCUSSÃO.

Com isso, o objetivo do presente trabalho é encontrar diferentes perfis de tratamento térmico de sinterização que possam atuar de maneira mais eficiente na formação de fases supercondutoras, capazes de otimizar a densificação, porosidade, tamanho e conectividade granular. Para isso, através de uma detalhada revisão bibliográfica, buscou-se um melhor entendimento dos mecanismos envolvidos nos processos de sinterização, compreendendo a influência da temperatura e tempo de tratamento na morfologia e homogeneização do material.

3.2. Tratamentos térmicos de sinterização

A formação de fases supercondutoras no MgB2 se dá pelos tratamentos térmicos de

sinterização a altas temperaturas, um método eficiente de se aumentar a densidade de corrente crítica no MgB2. Tratamentos térmicos controlam os mecanismos de crescimento de grão,

conectividade intergranular e densificação, que minimizam limitações impostas por defeitos e fases não supercondutoras como o MgO (FENG et al., 2002).

Temperatura e tempo de tratamento, taxa de aquecimento e resfriamento e atmosfera usada são fatores que devem ser levados em consideração num perfil de tratamento térmico.

Com a ineficiência dos perfis de 600ºC/2h, 700ºC/1h e 800ºC/30min, empregados no trabalho de Iniciação Científica para formar uma grande fração de fases supercondutoras no fio multifilamentar, devido ao elevado teor de MgO (DA SILVA et al., 2018), buscou-se explorar na literatura de outros perfis na tentativa de se obter a formação das respectivas fases, uma vez que esses perfis foram otimizados para amostras bulk. O entendimento dos mecanismos envolvidos no processo de sinterização pode auxiliar a escolha do perfil mais adequado para as diferentes metodologias empregadas na síntese do pó e do fio supercondutor.

No geral, perfis de tratamento térmicos com temperaturas mais baixas levam a melhores densidades de corrente crítica (Jc) em altos campos. Esse efeito é atribuído ao menor

tamanho de partícula e aos defeitos nos contornos de grão, que ocorrem com maior frequência e com distribuição mais homogênea na matriz em temperaturas mais baixas, otimizando o aprisionamento de fluxo (SHAH et al., 2015; QAID et al., 2017). Perfis com altas temperaturas promovem rápida difusão e apresentam maiores tamanho de grão, o que pode prejudicar Jc. No entanto, resultam numa matriz mais homogênea, diminuem a porosidade, e

são capazes de se beneficiar de fenômenos como:

a) migração de material pela matriz por reações de decomposição do MgB2;

b) auto-sinterização do MgB2.

Esses fenômenos solucionam o problema do fraco acoplamento intergranular do MgB2

e resultam numa maior conectividade entre os grãos (TANAKA et al., 2012; MIZUTANI et al., 2014; CAI et al., 2016; PENG et al., 2017). O primeiro visa tomar vantagem da decomposição MgB2 ⇌ Mg + MgB4 em altas temperaturas seguido da reação inversa para formar novamente

MgB2 em baixas temperaturas. Tais transformações de reação e decomposição promovem a

migração de material na matriz, melhorando a conectividade e a criação de impurezas (MgB4)

que atuam como centros de aprisionamento, aumentando os valores de Jc em toda a faixa de

campo magnético (CAI et al., 2016). Já o segundo explora o fenômeno da auto-sinterização do MgB2 em altas temperaturas. Com a sinterização perto do ponto de ebulição do Mg por um

longo período de tempo, os grãos se conectam por transferência de massa e um material denso e com alta conectividade é formado (MIZUTANI et al., 2014).

Dessa forma, os perfis escolhidos para o presente trabalho, apresentados na Tabela 2, buscam explorar fenômenos de sinterização distintos para a tentativa de se obter a formação das fases supercondutoras. Os tratamentos térmicos de sinterização foram realizados sobre uma amostra de fio supercondutor proveniente do trabalho de Iniciação Científica. O fio usado tem 42 filamentos, com 3,00 mm de diâmetro e 1,32 m de comprimento.

Tabela 2 – Perfis de tratamento térmico de sinterização.

Perfil Efeito almejado Literatura

650ºC/5h Minimização do tamanho de

grão

KIM et al., 2007; SUSNER et al., 2012; KODAMA et al., 2017

950ºC/30min Homogeneização da matriz

supercondutora

KOVÁC et al., 2010; BOVONE et al., 2016

900ºC/10min + 650ºC/1h Decomposição MgB2 ⇌ Mg +

MgB4

CAI et al., 2016; PENG et al., 2017

900ºC/24h Auto-sinterização do MgB2

TANAKA et al., 2012; MIZUTANI et al., 2014

Fonte: autoria própria.

Para os tratamentos térmicos, foi preparada uma amostra do fio supercondutor com dimensões 150 mm de comprimento e 3,00 mm de diâmetro para cada perfil de tratamento térmico, soldando-se as pontas para se evitar perda de material pelas extremidades, devido às temperaturas usadas. As amostras foram embutidas em tubos de quartzo de 12,00 mm de diâmetro com atmosfera de argônio. Para os tratamentos, utilizou-se um forno tubular de fabricação própria do DEMAR–EEL/USP, com o auxílio de um sensor termopar CTM-44/45 da Consensum para um melhor controle da temperatura durante todo o processo. A Figura 8 mostra uma imagem do forno e controlador utilizado para esta etapa.

Figura 8 – Imagem do forno tubular e controlador usado para os tratamentos térmicos de sinterização.