Высокопрочный провод с повышенной электропроводностью

 

Использование: в производстве обмоток высокопольных импульсных магнитов, а также для тяжелонагруженных линий электропередач. Сущность изобретения: высокопрочный провод с повышенной электропроводностью содержит продольно расположенные элементы, в каждом из которых расположены в медной матрице равномерно распределенные, вытянутые вдоль продольной оси провода ленточные волокна из металла или сплава на основе этого металла, не образующего с медью интерметаллических соединений, причем толщина ленты ленточного волокна находится в интервале от 20 до 1000 нм, а расстояния между волокнами в поперечном сечении элемента составляют от 10 до 1000 нм, по крайней мере одну непрерывную по всей длине провода высокоэлектропроводную продольно расположенную вставку из высокочистой меди, каждая из которых имеет в поперечном сечении размер не менее 300 мкм, и наружную оболочку из меди, сплава на ее основе или стали толщиной от 10 до 200 мкм. Электропроводность полученных проводов составила 70% от электропроводности чистой меди. Достигнутый уровень свойств провода позволяет изготавливать импульсные магнитные системы, рассчитанные на предельно высокие магнитные поля (70 Тл), а также получать провода для линий электропередач, имеющие предел прочности на все сечение не менее 1000 МПа, при высоких значениях электропроводности. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в производстве обмоток высокопольных импульсных магнитов, а также для тяжелонагруженных линий электропередач.

Известно, что основным ограничением в достижении особо высоких магнитных полей (свыше 50 Тл) в импульсных магнитных системах является прочность проводников, из которых изготовлены их обмотки, в соответствии с соотношением B индукция магнитного поля, создаваемого в соленоиде; α отношение наружного и внутреннего диаметров обмотки; s предел прочности материала проводника.

Таким образом, для достижения необходимого уровня магнитных полей требуется использовать в качестве обмоточного провода проводник с пределом прочности на уровне 800 1000 МПа.

Величина предела прочности (σ_max) проводников из холоднотянутой электротехнической меди, обычно используемых для изготовления обмоток магнитных систем, составляет 250 350 МПа.

Известны также проводники из медно серебряных сплавов с 0,1 Ag, имеющие предел прочности 400 МПа при сохранении электропроводности на уровне 90% от электропроводности меди.

Недостатком указанных материалов является низкая механическая прочность, что не позволяет использовать их для изготовления высокопольных магнитов.

Известен существенно более высокопрочный проводниковый материал сплав меди с 2% бериллия (сплав БрБ-2). При этом величина предела прочности достигает значения 950 МПа [1] Однако удельное электросопротивление сплава БрБ-2 составляет 0,1 Ом мм/м, что в 10 раз превышает электросопротивление электротехнической меди, которое составляет при 20 с величину 0,0172 Ом·мм/м.

Известны также конструкции композиционного высокопрочного высокоэлектропроводного провода, которые содержат сердечник из высокопроводной меди в оболочке из высокопрочного сплава, в качестве которого используют либо специальные стали, либо высокопрочный сплав меди с 2% бериллия [2] При этом прочностные свойства композиционного проводника рассчитываются по правилу смеси в соответствии с формулой σ_bk= σ_bcV_c+σ_bo(1-V_c), σ_bk предел прочности композита; σ_bc предел прочности электропроводного сердечника; σ_bo предел прочности высокопрочной оболочки; Vc объемная доля материала сердечника.

Экспериментальные значения прочности указанных композиционных материалов хорошо соответствуют рассчитанным по формуле и составляют для провода [CuBe
Cu] 930 МПа при электропроводности 52% от электропроводности чистой меди, а для провода [Сталь (304SS) Cu 860 МПа при электропроводности 60 от электропроводности чистой меди [5]
Известны также высокопрочные проводники с достаточно высокой электропроводностью, объем которых представляет собой матричный высокопроводящий материал, обычно высокочистую медь, в которой равномерно распределены продольно ориентированные сверхмелкодисперсные дискретные волокна из хорошо деформируемого материала, не взаимодействующего с медью с образованием каких-либо интерметаллических соединений. В качестве материала волокон могут быть использованы Nb, Ag, Ta, Cr, Fe. Экспериментально установлено, что для достижения высоких значений прочности, существенно превышающих значения прочности, рассчитанные по правилу смеси, необходимо чтобы размер волокон составлял в поперечном сечении 50 20 нм. При выполнении данного условия предел прочности проводника достигает величин 700 МПа для системы Cu Fe, 1400 МПа для системы Cu Ag, 2200 МПа для системы Cu Nb [3 5] Следует отметить, что указанный рекордно высокий уровень прочностных характеристик был достигнут для диаметров проводника 0,05 0,2 мм, что делает его практически не пригодным для намотки в реальных импульсных магнитах или для линий электропередач. При этом электропроводность данного типа проводников имеет значения от 30 до 60% от электропроводности чистой меди. Как видно из приведенных данных, наиболее высокими прочностными свойствами отличается проводник на основе системы Cu Nb. Однако такой проводник имеет низкую технологичность процесса его получения вследствие того, что на поверхность проводника выходят дисперсные волокна ниобия, имеющие отличные от матричного материала адгезионные свойства по отношению к смазке, применяемой в процессе волочения. Это приводит к налипанию материала провода на инструмент, что сопровождается появлением микротрещин и в конечном итоге приводит к обрывности провода в процессе его деформации волочением.

Известна конструкция проводника, содержащего в матрице из высокочистой меди однородно распределенные сверхвысокодисперсные ленточные волокна из ниобия, ориентированные вдоль оси провода и имеющие размеры в поперечном сечении не более 1000 нм при объемной доле материала волокон от 15 до 60% причем проводник имеет наружную оболочку на чистой меди, объемная доля которой в проводнике составляет 10% [6] Данный проводник принят в качестве прототипа.

Данный проводник характеризуется недостаточной электропроводностью, так как наружная медная оболочка, объемная доля которой составляет лишь 10% не обеспечивает увеличения электропроводности в проводнике конечного размера, а служит только для улучшения технологичности провода путем уменьшения обрывности в процессе деформации волочением.

Целью изобретения является повышение электропроводности длинномерного провода с сечением укрупненного размера, например 2 x 3 мм и более, при сохранении высокого уровня прочностных свойств. Это позволяет при использовании данного провода в качестве обмоток импульсных магнитов достичь напряженности магнитного поля вплоть до 70 Тл.

Цель достигается тем, что в отличие от прототипа, высокопрочный провод с повышенной электропроводностью состоит из по крайней мере одного высокопрочного продольно расположенного элемента, каждый из которых содержит в медной матрице равномерно распределенные, вытянутые вдоль продольной оси провода ленточные, цилиндрические волокна или волокна, имеющие в поперечном сечении любую другую промежуточную между указанными типами волокон форму, из металла или сплава на основе этого металла, не образующего с медью интерметаллических соединений, с толщиной ленты ленточного волокна или минимальным размером любого другого волокна в произвольно выбранном направлении в плоскости его поперечного сечения в интервале от 20 до 1000 нм, причем расстояния между волокнами в поперечном сечении элемента составляют от 10 до 1000 нм, и по крайней мере одну непрерывную по всей длине провода высокоэлектропроводную продольно расположенную вставку из высокочистой меди, каждая из которых имеет в поперечном сечении по крайней мере в одном из направлений размер не менее мкм, и нужную оболочку из меди, сплава на ее основе или стали толщиной от 10 до 200 мкм.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый высокопрочный электропроводящий композиционный провод на основе сплава медь - ниобий отличается тем, что в конструкцию провода введены высокоэлектропроводные вставки из высокочистой меди, каждая из которых имеет в поперечном сечении по крайней мере в одном из направлений размер не менее 30 мкм. Данный размер был определен экспериментально как наименьший размер, при котором не происходит деградации электропроводящих свойств меди, связанной с уменьшением ее геометрических размеров в составе композиционного проводникового материала. При этом, регулируя количество указанных вставок, можно достаточно точно программировать электропроводность провода в целом, используя известное правило смеси. Изготовление наружной оболочки из высокочистой меди или сплава на основе меди или из стали позволяет в зависимости от конкретной сферы применения провода варьировать прочностные и коррозионно-стойкие свойства предлагаемого провода. При этом выполнение наружной оболочки, имеющей толщину от 10 до 200 мкм, также обусловлено результатами проведенных экспериментальных исследований, которые свидетельствуют о том, что при превышении размера свыше 200 мкм данная оболочка приводит к снижению прочностных параметров провода в целом, а при выполнении ее с толщиной менее 10 мкм не достигается заметного положительного влияния на электропроводность провода и, кроме того, имеет место снижение технологичности процесса производства провода. Геометрические размеры волокон и расстояний между ними выбраны из экспериментально полученных результатов, которые свидетельствуют о том, что при характерном размере волокон более 1000 нм и расстояниях между ними более 1000 нм не происходит дополнительного по отношению к правилу смеси возрастания прочностных свойств композиционного материала. Установлено также, что при размерах волокон менее 20 нм и при расстояниях между ними менее 10 нм имеет место снижение прочностных свойств композиционного материала, что связано с возможностью перерезания волокон дислокациями при пластической деформации провода в процессе его изготовления. В качестве материала волокон могут быть выбраны металлы из группы: ниобий, серебро, хром, тантал, железо, свинец. Однако наиболее предпочтительным является выбор в качестве материалов волокон ниобия или серебра, как обеспечивающих наибольший прирост прочностных свойств композита при дисперсионном упрочнении, а также высокую электропроводность при одновременном высоком уровне технологичности получения провода.

Конструкции высокопрочных проводников с повышенной электропроводностью приведены на фиг.1- 4.

Провода содержат: 1 элемент, содержащий волокно из металла, не образующего интерметаллических соединений, например ниобия в медной матрице; 2 вставку из высокоэлектропроводной меди; 3 наружную оболочку из меди.

Использование предложенного технического решения позволяет получать обмоточные провода больших длин (более 100 м) и крупного поперечного сечения с σ_max до 1400 МПа с электропроводностью не менее 50% электропроводности чистой меди, что обеспечивает возможность создания высокопольных импульсных систем с магнитным полем более 50 Тл.

В качестве исходных материалов использовали медь марки МОВ ГОСТ 859 78 и ниобий марки НБ 1 ГОСТ 16099 80.

При изготовлении провода была использована технология "сборных проводов", при которой собирают составную многожильную заготовку из прутков сплава медь ниобий в оболочке из чистой меди или из сплава на основе меди, в частности из сплава меди с ниобием. С этой целью слиток сплава медь 16 ниобия диаметром 130 мм выдавливали в матрицу диаметром 93,5 мм, а затем в матрицу диаметром 30 мм. Полученный пруток профилировали в шестигранник с размером "под ключ" S 10,8 мм, Шестигранный пруток разрезали и собрали составную заготовку из 36 прутков из сплава Cu Nb и одного центрального прутка с тем же поперечным сечением из Cu в медном чехле диаметром 96 мм. Составную заготовку выдавили в матрицу диаметром 30 мм, а затем волочили и профилировали до получения обмоточного провода прямоугольного сечения 3х2 мм².

Диаметр каждого из исходных прутков, которые представляют собой элемент, содержащий волокна, при этом составил 0,3 мм. Толщина наружной оболочки из высокочистой меди составила 50 мкм. Предел прочности каждого из 36 прутков "псевдосплава", рассчитанный на сечение без меди составил 1800 МПа, что соответствует прочности псевдоодножильного провода диаметром 0,3 мм с величиной холодной деформации lnμ = 12,0.. Таким образом, на массивном проводе достигнут предел прочности, характерный для тонких проводов (0,1 0,3 мм).

Электропроводность полученных проводов составила 70% от электропроводности чистой меди. Достигнутый уровень свойств провода позволяет изготавливать импульсные магнитные системы, рассчитанные на предельно высокие магнитные поля (70 Тл), а также получать проводники для линий электропередач, имеющие предел прочности на все сечение не менее 1000 МПа при высоких значениях электропроводности.

Формула изобретения

Высокопрочный провод с повышенной электропроводностью, содержащий по крайней мере один высокопрочный продольно расположенный элемент, содержащий равномерно распределенные в медной матрице вытянутые вдоль продольной оси провода ленточные волокна из металла или сплава на основе этого металла, не образующего с медью интерметаллического соединения, и наружную металлическую оболочку, при этом толщина ленточного волокна находится в интервале 20 1000 нм, а расстояние между волокнами в поперечном сечении элемента составляет 10
1000 нм, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по крайней мере одну продольно расположенную по всей длине провода вставку из высокочистой меди, имеющую в поперечном сечении по крайней мере в одном из направлений размер не менее 30 мкм, а наружная оболочка выполнена из меди, сплава на ее основе или стали и имеет толщину 10 20 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

PC4A Государственная регистрация договора об отчуждении исключительного права

Дата и номер государственной регистрации договора: 13.10.2011 № РД0088568

Лицо(а), передающее(ие) исключительное право:
Открытое акционерное общество «Высокотехнологический научно–исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара» (RU)

Приобретатель исключительного права: Общество с ограниченной ответственностью «Научно–производственное предприятие «НАНОЭЛЕКТРО» (RU)

(73) Патентообладатель(и):
Общество с ограниченной ответственностью «Научно–производственное предприятие «НАНОЭЛЕКТРО» (RU)

Адрес для переписки:
ОАО «ВНИИНМ», Ю.В. Тузову, ул. Рогова, 5А, Москва, 123098

Дата публикации: 20.11.2011

---