Сверхпроводящие материалы (65БТ, 50БТ, 35БТ, 70Б) с высокой критической плотностью тока

Сверхпроводящие материалы (65БТ, 50БТ, 35БТ, 70Б) с высокой критической плотностью тока.

Сверхпроводящие материалы этой группы относятся к сверхпроводникам I рода, имеющим высокое значение jк и Hк2. Их используют для создания крупномасштабных сверхпроводящих магнитных систем для криогенной электротехники и энергетики больших мощностей.

Сверхпроводящие сплавы

Общая характеристика. В ЦНИИЧМ разработаны и производятся сверхпроводящие сплавы 65БТ, 50БТ и 35БТ на основе системы Nb—Ti—Zr (табл. 223). Эти сплавы обладают высокими значениями jк (3·104—105 А/см2) и Hк2 (~100 кЭ) и температурой перехода в сверхпроводящее состояние ~8—10°К.

Сортамент сверхпроводящих сплавов

Назначение — для сверхпроводящих соленоидов, сверхпроводящих магнитных систем.

Основные технологические данные. Можно подвергать горячей деформации в строго установленном интервале температур и холодному волочению до диаметра 0,27 мм с применением специальных промежуточных термических обработок. Проволока из сплавов может быть покрыта медью и изолирующим лаком. Сплавы поставляют в виде омедненной проволоки после термической обработки.

Структурные особенности. Сверхпроводящие параметры зависят от структурного состояния материала и режима термической обработки. Особенно это относится к jк, так как пиннинг вихрей потока определяется характером и размерами структурных несовершенств.

На рис. 420, 421 приведены изотермические сечения диаграммы состояний системы Nb—Ti—Zr, дающие представление о фазовом составе сплавов при различных температурах.

Изотермические сечения системы Nb—Ti—Zr при 800, 600 и 500°С

Изотермические сечения системы ниобий-титан-цирконий

Режим термической обработки поставляемых сплавов выбирают так, чтобы получить оптимальную величину пиннинга потока на структурных дефектах и выделениях других фаз.

Сплавы 50БТ и 65БТ представляют собой однофазный твердый раствор с гранецентрированной кубической решеткой (β-фаза). Холодная деформация с последующим отжигом при 400—500°С приводит к изменению тонкой структуры сплавов, сопровождающемуся увеличением jк. Характер этих изменений пока недостаточно ясен. Сплав 35БТ на диаграмме состояний лежит вблизи границы структурных превращений, причем на изотермических сечениях метастабильной диаграммы состояния положение этой границы существенно зависит от температуры. Имеются указания о том, что низкотемпературный отжиг (при 250—500°С) после холодной деформации приводит к образованию в β-матрице этих сплавов w-фазы и выделений фаз с неустановленной структурой размерами порядка сотен ангстрем, с последующим образованием α-фазы, обогащенной титаном (табл. 224, 225).

Нормируемые физико-механические свойства сверхпроводящих сплавов

Механические свойства сверхпроводящих сплавов

Диаграммы растяжения стандартных образцов сверхпроводящих сплавов 65БТ, 50БТ и 35БТ при различных температурах приведены на рис. 422.

Диаграмма растяжения стандартных образцов сверхпроводящих сплавов 65БТ, 50БТ и 35БТ при разных температурах

Характерные свойства и преимущественное применение. Сплав 65БТ обладает наиболее высокой jк и Тк, а также высоким пределом текучести и прочности при растяжении и применяется для изготовления соленоидов. Сплав 50БТ обладает наибольшим значением Нк2 и может быть особенно рекомендован для изготовления внутренних секций соленоидов.

Сплав 35БТ отличается высоким уровнем удельного электросопротивления в нормальном состоянии, почти в два раза превышающим удельное сопротивление сплава 65БТ, поэтому он может быть рекомендован для изготовления тепловых ключей, предназначенных для отключения сверхпроводящих магнитных устройств. Сплав 35БТ характеризуется высоким уровнем относительного удлинения и сужения, удельной ударной вязкости, которые он сохраняет при низких температурах (77—20°С), а также слабой зависимостью сверхпроводящих свойств от толщины. Это делает его предпочтительным для изготовления лент, кабелей, разных композиционных материалов.

Сверхпроводящие композиционные соединения

Для крупных устройств с высокой конструктивной плотностью тока разработаны стабилизированные сверхпроводники. Сверхпроводящие материалы с высокими значениями jк и Нк2 относятся к так называемым неидеальным (жестким) сверхпроводникам второго рода. В таких сверхпроводниках возможны скачкообразные изменения магнитного потока, обусловленные тепловыми флуктуациями, что увеличивает тепловыделение, повышает температуру и нарушает сверхпроводящее состояние. Отвод тепла в жидкий гелий повышается, если сверхпроводник покрывается достаточным слоем нормального металла, хорошо проводящего тепло и электрический ток, например, меди или алюминия. Наиболее благоприятные условия для стабилизации создаются в сверхпроводящих композиционных материалах (СКМ), представляющих многожильную или многослойную систему, состоящую из тонких сверхпроводников, помещенных в матрицу из нормального металла.

Сверхпроводящие композиционные материалы в виде проволоки

Общая характеристика. Сверхпроводящие композиционные материалы марок СКМС и СКМДС изготовляются в виде проволоки по ЧМТУ/ЦНИИЧМ 1506—70.

Проволока марки СКМС — сверхпроводящий композиционный материал скрученный — состоит из 19, 37 или 61 жил сверхпроводящего сплава 35БТ, заключенных в матрицу из меди марки МВ.

Проволока марки СКМДС — сверхпроводящий композиционный материал двойной скрученный — состоит из 19, 37 и 61 жил сверхпроводящего сплава 35БТ, покрытых тонким слоем сплава сопротивления 35НД и заключенных в матрицу из меди марки МВ.

Скрутка сверхпроводящих жил позволяет существенно повысить критическую скорость изменения магнитного поля Нк, в частности скорость запитки сверхпроводящего устройства, и уменьшить потери при перемагничивании. Введение в проволоку СКМДС дополнительной по сравнению с СКМС прослойки из сплава с высоким удельным сопротивлением обеспечивает высокий уровень стабилизации в условиях динамического режима. Применение этого материала позволяет увеличить скорость запитки сверхпроводящих магнитных устройств до 103—104 Э/с при сохранении сверхпроводящих и механических свойств, соответствующих СКМС. На рис. 423 показано поперечное сечение СКМС-19, СКМС-37 и СКМДС-19, а на рис. 424 — внешний вид проволоки СКМС со стравленной медью.

Поперечное сечение СКСМ-19, СКСМ-37, СКМДС-19

Внешний вид проволоки СКМС

Область применения — сверхпроводящие системы и устройства с высокой конструктивной плотностью тока и определенной скоростью изменения магнитного поля: соленоиды, переключатели, накопители.

Технологические особенности изготовления сверхпроводящих композиционных материалов:

1) использование специальных методов подготовки поверхности компонентов материала перед их совместной деформацией;

2) использование высокопроизводительного мощного прессового оборудования, позволяющего обрабатывать заготовки большого веса;

3) применение специального способа скручивания сверхпроводящих жил, позволяющего получать заданный шаг скрутки (до нескольких мм);

4) возможность получения сверхпроводящих композиционных материалов широкого сортамента (проволока, шинка, трубка) с большим числом (до 1000) тончайших (до 0,007 мм) сверхпроводящих жил при заданном коэффициенте заполнения Scп/S0. Сверхпроводящие композиционные материалы поставляются в термообработанном состоянии.

Сортамент СКМС и СКМДС приведен в табл. 226. Возможно изготовление проволоки диаметром менее 0,5 мм и с другим числом жид. Отношение площади поперечного сечения проволоки к площади поперечного сечения сверхпроводящих жил должно быть не более 4:1. Шаг скрутки жил в проволоке ~10—20 мм.

Размеры проволоки СКМС и СКМДС (ЧМТУ/ЦНИИЧМ 1506—70)

В табл. 227 приведены нормируемые физико-механические свойства композиционных материалов. Проволока диаметром 1—1,5 мм должна выдерживать навивку без разрушения на оправку диаметром 15 мм, а проволока диаметром меньше 1,0 мм — на оправку диаметром 10 мм.

Нормируемые физико-механические свойства СКМС и СКМДС (ЧМТУ/ЦНИИЧМ 1506—70)

Новые типы сверхпроводящих композиционных материалов. По материалам исследования приведены данные по новым типам сверхпроводящих композиционных материалов.

СКМС-61 — частично стабилизированный сверхпроводящий композиционный материал с повышенным коэффициентом заполнения Sсп/S0 = 0,36 вместо 0,31 и 0,25 у СКМС-19 и СКМС-37 соответственно. Такие сверхпроводящие композиционные материалы могут быть применены в устройствах, имеющих внешнюю защиту.

Поперечное сечение СКМС-61 приведено на рис. 425.

Поперечное сечение материала СКМС-61

СКМС-61 содержит 61 жилу из сплава 35БТ в матрице из меди марки МВ. Он изготовляется в диаметре 0,5 мм. Шаг скрутки 7 мм, jк = 46 кА/см2 в поперечном магнитном поле 35 кЭ при 4,2°К. Предел прочности при 300°К σв = 59,6 кгс/мм2.

В ЦНИИЧМ разработаны также сверхпроводящие композиционные материалы с прямоугольным сечением типа СКМП на базе сплавов 35БТ и 50БТ (рис. 426) и полые в виде трубы типа СКМТ (рис. 427).

Поперечное сечение материала СКМП-37

Поперечное сечение трубчатых СКМ: СКМТ-32; СКМТП-32

Создание и применение СКМТ улучшает теплоотвод, создает возможность исключения гелиевого криостата (работа по циклу система — рефрижератор), улучшает механическую прочность системы, упрощает изоляцию сверхпроводящих материалов.

Сверхпроводящий композиционный материал 70Б в виде ленты

Общая характеристика. Стабилизированная лента 70Б разработана на основе Nb3Sn, обладающего высокими сверхпроводящими свойствами (Тк = 18°К, Нк2 = 220 кЭ при 4,2°К). Она состоит из ниобиевой подложки толщиной 0,018—0,020 мм, обладающей высокой прочностью, слоя Nb3Sn толщиной 0,002—0,010 мм и двустороннего медного стабилизирующего покрытия общей толщиной 0,03—0,05 мм. Сложное строение ленты вызвано тем, что сверхпроводящий материал должен находиться на прочной основе, так как в процессе эксплуатации сверхпроводящий материал испытывает в сильных магнитных полях большие механические напряжения. Материал подложки обладает высокой электропроводностью при низких температурах и сильных магнитных полях (ρ ≈ 0,03 мкОм·см), поэтому она защищает сверхпроводящий материал от скачков потока и перегрева при переходе в нормальное состояние. Медное покрытие также выполняет роль стабилизирующего материала. Лента может быть покрыта лаком для изоляции и предохранения меди от коррозии.

Область применения — сверхпроводящие магнитные системы для полей свыше 100 кЭ.

Технологические особенности. Высокий уровень jк сплава 70Б сохраняется за счет дефектов решетки подложки, находящейся в сильно деформированном состоянии, поэтому ленту из него в состоянии поставки нельзя нагревать выше 600°С.

Медное покрытие должно быть двусторонним и сплошным. Качество медного покрытия проверяется испытанием на отслой путем навивки образца ленты длиной 200 мм на оправку диаметром 20 мм от каждого отрезка.

Куски ленты можно спаивать обычным припоем, в особых случаях может быть применен индий. Участок пайки равен примерно ширине ленты. Электросопротивление спая меньше 10–2 мкОм·см.

При величине тока порядка сотен ампер в соединении выделяется тепла меньше 10–4 Вт, которое легко отводится хладоагентом (жидкий гелий), при этом температура спая практически не повышается. Пайка допускается как вне обмотки соленоида, так и внутри нее.

Сортамент — ленту 70Б выпускают толщиной 0,08+0,03 мм, шириной 20–0,5 и 30–0,5 мм и длиной ≥100 м. На полной длине куска ленты допускается не более одной сварки подложки.

Нормируемые свойства ленты 70Б по ЧМТУ/ЦНИИЧМ 1491—69:

Нормируемые свойства ленты 70Б

Лента 70Б допускает многократную навивку на оправку диаметром 10 мм без разрушения. Зависимость критического тока от поля в расчете на 1 мм ширины приведена на рис. 428.

Зависимость критического тока Iк (в расчете на 1 мм ширины) ленты 70Б от внешнего поперечного магнитного поля

 

Принятые обозначения и пересчетные значения для ряда единиц измерения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Пересчетные значения для ряда единиц измерения