Композитная сверхпроводящая лента на основе соединения nb3sn



Композитная сверхпроводящая лента на основе соединения nb3sn
Композитная сверхпроводящая лента на основе соединения nb3sn

 


Владельцы патента RU 2436197:

Учреждение Российской академии наук Институт физики твердого тела РАН (ИФТТ РАН) (RU)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве сверхпроводящего материала при изготовлении сверхпроводящих магнитных систем различного назначения для генерации постоянных магнитных полей, например, в термоядерных реакторах для удержания плазмы, ускорителях элементарных частиц, накопителях энергии и других устройствах. Сущность изобретения: композитная сверхпроводящая лента на основе соединения Nb3Sn состоит из расположенных в медной оболочке, по крайней мере, трех чередующихся слоев: сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn и многослойных пачек из наноструктурных слоев Nb3Sn и сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn таким образом, чтобы слоями, прилежащими к медной оболочке, были слои многослойных пачек. Изобретение обеспечивает увеличение критической плотности тока проводника и улучшенную степень стабилизации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве сверхпроводящего материала при изготовлении сверхпроводящих магнитных систем различного назначения для генерации постоянных магнитных полей, например, в термоядерных реакторах для удержания плазмы, ускорителях элементарных частиц, накопителях энергии и других устройствах.

Сверхпроводящие соединения Nb3X, где X выбран из группы металлов, состоящей из Al, Sn и Ge, например, Nb3Sn, Nb3Ge, Nb3Al, предполагается использовать для изготовления сверхпроводящего материала, поскольку он пригоден для создания магнитных полей такой напряженности, для которых сверхпроводящий материал на основе сплава NbTi не может быть признан удовлетворительным.

Однако все соединения Nb3X, в отличие от NbTi, обладают крайне высокой твердостью и хрупкостью, и поэтому не могут обрабатываться с помощью пластической деформации.

Известны проводники на основе интерметаллидов Nb3Sn, Nb3Al, Nb3Al0,8Ge0,2 (WO/2005/088651, МКИ Н01В 1/02, опуб. 22.09.2005; WO 2003/058727, МКИ H01L 39/14, опуб. 17.07.2003; US 6508889, МКИ Н01В 12/00, опуб. 01.21.2003), представляющие собой в общем случае матрицу из меди или алюминия с расположенными в ней сверхпроводящими элементами аксиальной формы.

Такие проводники обладают высокими значениями критического тока, критической температуры и верхнего критического магнитного поля, но неудовлетворительной степенью стабилизации, связанной с низкой теплопроводностью и высоким сопротивлением матрицы.

Известна проволока (прототип) для Nb3X сверхпроводящего провода, содержащая стабилизирующую матрицу с внедренными в нее сверхпроводящими проволочными жилами, каждая из которых выполнена из медного прутка, слоистой части, сформированной из двух листов, первый из которых выполнен из чистого ниобия или его сплава, и второй - из металла или сплава, содержащих атомы X, которые вступают во взаимодействие с ниобием с образованием сверхпроводящего соединения. Между медным прутком и слоистой частью и поверх нее расположены слои, сформированные указанным листом ниобия или его сплава, и соприкасающиеся поверхности двух листов и ниобиевого листа и медного прутка выполнены зигзагообразными для увеличения площади контакта между ними. При этом ниобий имеет чистоту, по меньшей мере, 99,0% и второй - из металла X или сплава, содержащего атомы X (RU 2122758, Н01В 12/00, опубл. 27.11.1998).

Однако величина критической плотности тока такого проводника является недостаточной для современного уровня техники. Закрепление сверхпроводящих вихрей (пиннинг) в этих проводах, отчего зависит их токонесущая способность, происходит на границах зерен, выделениях второй фазы и других структурных дефектах размером порядка или больше глубины проникновения магнитного поля сверхпроводника, т.е точечно. Кроме того, они обладают неудовлетворительной степенью стабилизации, связанной с низкой теплопроводностью и высоким сопротивлением матрицы.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания композита с увеличенными критической плотностью тока проводника и улучшенной степенью стабилизации.

Согласно изобретению композитная сверхпроводящая лента на основе соединения Nb3Sn состоит из расположенных в медной оболочке, по крайней мере, трех чередующихся слоев: сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn и многослойных пачек из наноструктурных слоев Nb3Sn и сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn таким образом, чтобы слоями, прилежащими к медной оболочке, были слои многослойных пачек.

В настоящем изобретении под термином многослойные пачки из наноструктурных слоев Nb3Sn и сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn понимается структура, состоящая из чередующихся слоев соединения Nb3Sn и слоев сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn наноразмерной толщины.

Для улучшения стабилизирующих свойств композитной сверхпроводящей ленты соотношение толщин слоев медной оболочки, многослойных пачек и сплава составляет 1:(3-6):(10-25).

Предлагаемое изобретение представляет собой сверхпроводящий провод плоской геометрии. В отличие от вышеописанных проводников закрепление сверхпроводящих вихрей в нем происходит и на искусственно созданных межслойных границах. Такие границы являются более эффективными центрами пиннинга, так как закрепление вихря происходит не точечно, а на большой его длине. Это дает дополнительный вклад в величину критической плотности тока проводника.

Кроме того, наружные слои меди в предлагаемом плоском проводнике при термической обработке, в результате которой образуется соединение Nb3Sn, остаются незагрязненными оловом, и поэтому ее теплопроводность остается высокой и электрическое сопротивление низким, что положительно сказывается на стабилизирующих свойствах.

На Фиг.1 приведена конструкция 5-слойной композитной сверхпроводящей ленты на основе соединения Nb3Sn.

На Фиг.2 приведена конструкция 7-и слойной композитной сверхпроводящей ленты на основе соединения Nb3Sn.

Композитная сверхпроводящая лента согласно изобретению состоит из слоев 1, образованных медной оболочкой, прилежащих к ней многослойных пачек 2, из наноструктурных слоев Nb3Sn и сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% и расположенного между ними слоя 3 сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn (Фиг.1) или трех многослойных пачек наноструктурных слоев Nb3Sn и сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% с расположенным между ними двух слоев сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn 3 (Фиг.2).

Приведенные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемое изобретение.

Пример 1.

На первом этапе собирался пакет из 16 Cu- и 15 Nb-фольг толщиной 0,3 и 0,3 мм соответственно, таким образом, что наружными фольгами были фольги из меди. Затем пакет подвергался сначала диффузионной сварке под давлением 25 МПа при 800-850°С в течение 40 минут и затем прокатке на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом при 850°С за два прохода с обжатием 25-30% за один проход и далее прокатывался при комнатной температуре до ленты толщиной 0,3 мм.

2-й этап. Пакет собирался из 31 фольги после 1-го цикла толщиной 0,3 мм. Затем пакет подвергался сначала диффузионной сварке под давлением 25 МПа при 800-850°С в течение 40 минут и затем прокатке на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом при 850°С за два прохода с обжатием 25-30% за один проход и далее прокатывался при комнатной температуре до ленты толщиной 0,1 мм.

3-й этап. Пакет собирался согласно следующей конструкции Фиг1: (5 отрезков Nb/Cu-ленты, после 2-го этапа толщиной 0,1 мм) / (одна полоса из бронзы (сплава меди с 12 мас.% олова) толщиной 2,2 мм) / (5 отрезков Nb/Cu-ленты после 2-го этапа толщиной 0,1 мм) и затем оборачивался одним слоем листовой отожженной медной фольги толщиной 0,1 мм. Объемные содержания бронзы и ниобия в заготовке подбирались таким образом, чтобы удовлетворять отношению tNbNNb/tCuSnNCuSn=0,150-0,300, где tNb и tCuSn - толщины слоев ниобия и бронзы, NNb и NCuSn - количество слоев ниобия и бронзы соответственно. При выполнении этого соотношения максимальное количество олова из бронзы и весь ниобий будут израсходованы на образование сверхпроводящего соединения Nb3Sn.

Перед сборкой пластина из бронзы отжигалась при 700-750°С в течение 1 ч. Затем пакет сваривался путем прокатки на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом при 750-800°С за два прохода с обжатием 30-35% за один проход и далее прокатывался при комнатной температуре при комнатной температуре до ленты толщиной 0,3 мм.

После 3-го этапа расчетные толщины слоев ниобия и бронзы равны соответственно 9,7 нм и 194,7 мкм, количество слоев ниобия и бронзы - 4650 и 1 соответственно. Тогда отношение tNbNNt/tCuSnNCuSn равно 0,232. Это достаточно близко к теоретическому значению отношения (0,288), но с некоторым избытком олова по отношению к его расчетному количеству.

В результате был получен композит, состоящий из размещенных между наружными медными слоями двух многослойных пачек, представляющих собой чередующиеся наноразмерные слои Nb3Sn и сплава Cu-(0,5-1,5 wt % Sn) и расположенного между ними слоя из сплава Cu-(0,5-1,5 мас.% Sn) (Фиг.1). Расчетные толщины слоя сплава Cu-(0,5-1,5 wt % Sn) равнялась 194,7 мкм, многослойных пачек - 44,3 мкм, наружных слоев меди - 8,8 мкм. Соотношение толщин меди, многослойных пачек и сплава Cu-(0,5-1,5 мас.% Sn) составило 1:5:22. По данным растровой электронной микроскопии расчетные толщины слоев удовлетворительно совпадали с измеренными усредненными толщинами слоев.

Критический ток измеряли при температуре жидкого гелия во внешнем магнитном поле до 7 Тесла при двух его ориентациях: параллельно плоскости полученного композита (наноламината) и перпендикулярно транспортному току (в этом случае сила Лоренца, направлена перпендикулярно плоскости наноламината и имеет место пинкинг на межслойной поверхности) и перпендикулярно плоскости наноламината и транспортному току (в этом случае пиннинг на межслойной поверхности отсутствует). Критическую плотность тока определяли отношением общего транспортного тока к площади поперечного сечения, занимаемой многослойными слоями, в составе которых находились наноразмерные слои соединения Nb3Sn.

Критическая плотность тока полученного композита составляет 62000 А/см2 в магнитном поле 6 Тесла.

Пример 2.

На первом этапе собирался пакет из 14 Cu- и 15 Nb-фольг толщиной 0,3 и 0,3 мм соответственно, таким образом, что наружными фольгами были фольги из ниобия, пакеты после сборки оборачивались одним слоем отожженной медной фольги толщиной 0,3 мм, а затем подвергались прокатке на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом при 850°С за два прохода с обжатием 25-30% за один проход и далее прокатывался при комнатной температуре до ленты толщиной 0,3 мм.

2-й этап. Пакет собирался из 31 фольги после 1-го этапа толщиной 0,3 мм. И после сборки оборачивался одним слоем отожженной медной фольги толщиной 0,1 мм. Затем пакет подвергался той же обработке, что и на первом этапе.

3-й этап. Пакет собирался согласно следующей конструкции: (5 отрезкоз Nb/Cu-ленты, после 2-го этапа толщиной 0,1 мм) / [одна полоса из бронзы (сплава меди с 12 мас.% олова) толщиной 2,2 мм] / (5 отрезков Nb/Cu-ленты после 2-го этапа толщиной 0,1 мм) и затем оборачивался одним слоем листовой отожженной медной фольги толщиной 0,1 мм. Объемные содержания бронзы и ниобия в заготовке подбирались таким образом, чтобы удовлетворять отношению tNbNNb/tCuSnNCuSn=0,150-0,300, где tNb и tCuSn - толщины слоев ниобия и бронзы, NNb и NCuSn - количество слоев ниобия и бронзы соответственно. При выполнении этого соотношения максимальное количество олова из бронзы и весь ниобий будут израсходованы на образование сверхпроводящего соединения Nb3Sn.

Перед сборкой пластина из бронзы отжигалась при 700-750°С в течение 1 ч. Затем пакет сваривался путем прокатки на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом при 750-800°С за два прохода с обжатием 30-35% за один проход и далее прокатывался при комнатной температуре до ленты толщиной 0,3 мм.

После 3-го этапа расчетные толщины слоев ниобия и бронзы равны соответственно 9,7 нм и 194,7 мкм, количество слоев ниобия и бронзы - 4650 и 1 соответственно. Тогда отношение tNbNNb/tCuSnNCuSn равно 0,232. Это достаточно близко к теоретическому значению отношения (0,288), но с некоторым избытком олова по отношению к его расчетному количеству.

В результате был получен композит, состоящий из размещенных между наружными медными слоями двух многослойных пачек, представляющих собой чередующиеся наноразмерные слои Nb3Sn и сплава Cu-(0,5-1,5 wt % Sn) и расположенного между ними слоя из сплава Cu-(0,5-1,5 мас.% Sn). Расчетные толщины слоя сплава Cu-(0,5-1,5 wt % Sn) равнялась 194,7 мкм, многослойных пачек - 44,3 мкм, наружных слоев меди - 8,8 мкм. Соотношение толщин меди, многослойных пачек и сплава Cu-(0,5-1,5 мас.% Sn) составило 1:5:22. По данным растровой электронной микроскопии расчетные толщины слоев удовлетворительно совпадали с измеренными усредненными толщинами слоев.

Критический ток измеряли при температуре жидкого гелия во внешнем магнитном поле до 7 Тесла при двух его ориентациях: параллельно плоскости полученного композита (наноламината) и перпендикулярно транспортному току (в этом случае сила Лоренца, направлена перпендикулярно плоскости наноламината и имеет место пиннинг на межслойной поверхности) и перпендикулярно плоскости наноламината и транспортному току (в этом случае пиннинг на межслойной поверхности отсутствует). Критическую плотность тока определяли отношением общего транспортного тока к площади поперечного сечения, занимаемой многослойными слоями, в составе которых находились наноразмерные слои соединения Nb3Sn.

Критическая плотность тока полученного композита составляет 62000 А/см2 в магнитном поле 6 Тесла.

Пример 3.

То же, что в примере 1, только пакет собирался согласно следующей конструкции: (4 отрезков Nb/Cu-ленты после 2-го этапа толщиной 0,1 мм) / (одна полоса из бронзы толщиной 1,1 мм) / (4 отрезков Nb/Cu-ленты после 2-го этапа толщиной 0,1 мм) / (одна полоса из бронзы толщиной 1,1 мм) / (4 отрезков Nb/Cu-ленты после 2-го этапа толщиной 0,1 мм) и затем оборачивался одним слоем листовой отожженной медной фольги толщиной 0,1 мм.

После 3-го этапа расчетные толщины слоев ниобия и бронзы равны соответственно 9,2 нм и 91,7 мкм, количество слоев ниобия и бронзы - 5580 и 3 соответственно. Тогда отношение tNbNNb/tCuSnNCuSn равно 0,176. Это означает, что в композите содержится избыток олова, по отношению к его расчетному количеству.

В результате был получен композит (Фиг.2), состоящий из размещенных между наружными медными слоями трех пачек чередующихся наноразмерных слоев Nb3Sn и сплава Cu-(0,5-1,5 мас.% Sn) и расположенных между ними двух слоев сплава Cu-(0,5-1,5 wt % Sn). Расчетные толщины слоев сплава Cu-(0,5-1,5 wt % Sn) равнялась 91,7 мкм, многослойных пачек - 33,3 мкм, наружных слоев меди - 8,3 мкм. Соотношение толщин меди, многослойных пачек и сплава Cu-(0,5-1,5 мас.% Sn) составило 1:4:11.

Критическая плотность тока полученного композита составляет 41000 А/см2 в магнитном поле 6 Тесла.

Как видно из приведенных примеров, предлагаемое изобретение позволяет получить композитную сверхпроводящую ленту на основе соединения Nb3Sn с высокой критической плотностью тока, способную нести большой суммарный ток и одновременно обладающую повышенными стабилизирующими свойствами.

1. Композитная сверхпроводящая лента на основе соединения Nb3Sn, состоящая из расположенных в медной оболочке, по крайней мере, трех чередующихся слоев: сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn и многослойных пачек из наноструктурных слоев Nb3Sn и сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn таким образом, чтобы слоями, прилежащими к медной оболочке, были многослойные пачки из наноструктурных слоев.

2. Композитная сверхпроводящая лента по п.1, отличающаяся тем, что для улучшения стабилизирующих свойств ленты соотношение толщин слоев медной оболочки, многослойных пачек и сплава составляет 1:(3-6):(10-25).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области высокотемпературной сверхпроводимости. .

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в различных устройствах для экранирования объема от магнитного поля. .

Изобретение относится к области высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) и, в частности, к способам производства высокотемпературных сверхпроводящих пленок и кабеля плазмохимическим осаждением из газовой фазы и может быть использовано в электроэнергетике, радиотехнике, электронной технике, системах связи и т.

Изобретение относится к области нанесения покрытий и может быть использовано в машиностроении. .

Изобретение относится к области нанесения покрытий, в том числе сверхпроводящих, и может быть использовано в машиностроении. .

Изобретение относится к магнитометрической технике космических аппаратов (КА) и других объектов и касается устройств для экранирования магнитометров от внутренних магнитных полей объектов, где установлены магнитометры.

Изобретение относится к высокотемпературным сверхпроводникам. .
Изобретение относится к технической сверхпроводимости, в частности к процессам синтеза прекурсоров высокотемпературных проводников, и может быть использовано для создания сверхпроводящей керамики и изделий на ее основе, как массивных изделий, так и композиционных длинномерных проводников с керамической сердцевиной (одножильных и многожильных) в металлической оболочке.

Изобретение относится к области высокотемпературной сверхпроводимости и может быть использовано при создании перспективных линий электропередач и энергетических установок.

Изобретение относится к области солнечной энергетики. .

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно к конструкции фотоэлектрических преобразователей. .

Изобретение относится к устройствам энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти, реализуемым с помощью методов микро- и нанотехнологии. .

Изобретение относится к способам получения нанокомпозитов на основе диоксида титана с повышенной фотокаталитической активностью и расширенной спектральной восприимчивостью и может быть использовано для фотокаталитической очистки воды и воздуха от органических соединений и патогенной флоры, преобразования энергии солнечного света в электрическую энергию, фотокаталитического разложения воды, а также в качестве электродного материала литий-ионных аккумуляторов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления и гравиметрии. .

Изобретение относится к улучшенным композициям нанокомпозита и способам их получения и применения. .

Изобретение относится к области защиты банкнот, ценных бумаг и документов с нанесенными метками подлинности, содержащими нанокристаллы алмазов с центрами азот-вакансия, и может быть использовано для проверки подлинности различных объектов автоматизированного контроля.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологии изготовления тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления. .

Изобретение относится к полимерным нанокомпозитам, преобразующим УФ-составляющую солнечного или другого источника света в излучение видимой части спектра, и касается термостойкого полимерного нанокомпозита, обладающего яркой фотолюминесценцией.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для обработки призабойной зоны неоднородных нефтяных пластов, в том числе эксплуатируемых при забойном давлении ниже давления насыщения, в условиях выделения и накопления газа в призабойной зоне, а также при обработке пластов, продуцирующих высоковязкими нефтями.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве сверхпроводящего материала при изготовлении сверхпроводящих магнитных систем различного назначения для генерации постоянных магнитных полей, например, в термоядерных реакторах для удержания плазмы, ускорителях элементарных частиц, накопителях энергии и других устройствах
Наверх