Сверхпроводящий провод на основе nb3sn


 


Владельцы патента RU 2522901:

Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "НАНОЭЛЕКТРО" (RU)

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при конструировании и изготовлении сверхпроводящих проводов на основе Nb3Sn по методу внутреннего источника олова, которые могут быть использованы для создания установок термоядерного синтеза, в импульсных магнитных системах или в других перспективных технологиях, в которых требуются сверхпроводники с высокой механической прочностью. Задачей предлагаемого изобретения является создание конструкции сверхпроводника с высокой механической прочностью (выше 700 МПа) для использования в крупных магнитных системах с полями выше 12 Тл. Для решения поставленной технической задачи сверхпроводящий провод на основе Nb3Sn включает многожильный сердечник, содержащий соединение Nb3Sn, размещенный на поверхности сердечника слой диффузионного барьера на основе ниобия и/или тантала и наружную оболочку из меди или сплава на основе меди, отличающийся тем, что между слоем диффузионного барьера и наружной оболочкой размещен слой из нанокомпозитного материала Cu-Nb, содержащий от 5 до 30% Nb и имеющий механическую прочность от 1000 до 2000 МПа, причем отношение площадей нанокомпозитного слоя и слоя наружной медной оболочки в поперечном сечении проводника составляет от 0,1 до 9. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при конструировании и изготовлении сверхпроводящих проводов на основе Nb3Sn по методу внутреннего источника олова, которые могут быть использованы для создания установок термоядерного синтеза, в импульсных магнитных системах или в других перспективных технологиях, в которых требуются сверхпроводники с высокой механической прочностью.

Из множества возможных низкотемпературных сверхпроводящих материалов - сплавов и соединений в процессе более 40 летнего отбора определились два лидера: деформируемый сплав Nb-Ti и интерметаллическое соединение NO3Sn, принципиально удовлетворяющие основным запросам электроэнергетики и электрофизики. Именно Nb-Ti и Nb3Sn при рабочих температурах от 1.8 до 8 К перекрывают представляющий практический интерес интервал рабочих магнитных полей и плотностей тока в электротехнических и электрофизических устройствах. Благодаря достаточно высокой критической плотности тока, пластичности, а также относительно низкой стоимости проводники на основе ниобий - титановых сплавов доминируют на мировом рынке сверхпроводящих материалов.

Многоволоконные сверхпроводники на основе интерметаллического соединения Nb3Sn по сравнению с композитными сверхпроводниками на основе системы Nb-Ti имеют более высокую критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние, составляющую 18,6 К и способны работать в более высоких магнитных полях с индукцией до 20-24 Тл. Сверхпроводники на основе Nb3Sn обычно представляют собой композиционный материал в виде проволоки диаметром 0,5-1,5 мм, содержащей от 100 до 44000 волокон диаметром 1-100 мкм в матрице из меди или медного сплава и медную стабилизирующую оболочку.

Наиболее сложной проблемой изготовления сверхпроводящих проводов является выбор конструкции и технологии формирования сверхпроводящих материалов, большинство которых имеет сравнительно низкие механические свойства, что ограничивает использование традиционных методов деформации и затрудняет получение, например, таких изделий, как проволока или лента, которые в первую очередь нужны для технического использования. Для промышленного изготовления многоволоконных сверхпроводников на основе Nb3Sn в настоящее время используют так называемую бронзовую технологию, в соответствии с которой тонкие нити пластичного ниобия запрессовывают в матрицу из бронзы, содержащую около 13-15% Sn. В результате многократного волочения с промежуточными отжигами получается проводник, предназначенный для непосредственной намотки магнита или изготовления кабеля. В результате дальнейшей термообработки при диффузии олова из матрицы в ниобиевые волокна образуется сверхпроводящее соединение Nb3Sn. Из-за ничтожной растворимости медь в ниобий практически не диффундирует.

Наряду с "бронзовой" технологией применяются и другие, например метод внутреннего источника олова. Этот метод дает возможность значительно улучшить характеристики сверхпроводников и повысить экономическую эффективность производства Nb3Sn проводов для крупномасштабных магнитных систем. В настоящее время основные усилия разработчиков и производителей сверхпроводящих материалов по технологии с внутренним источником олова сосредоточены на совершенствовании конструкций и материалов для улучшения характеристик сверхпроводников и повышении экономической эффективности их производства.

Известен сверхпроводящий провод, изготовленный по методу внутреннего источника олова, и прекурсор для получения этого провода, которые описаны в заявке ЕР 2099080 (А1), МПК H01L 39/24. Провод представляет собой многожильный композиционный провод на основе Nb3Sn, который помещен в трубчатую оболочку из меди (или сплава на основе меди), между многожильным проводом и оболочкой размещен слой диффузионного барьера, например, из тантала. Конструкция прекурсора для изготовления провода характеризуется расположенными определенным образом ниобиевыми прутками или прутками из сплава на основе ниобия, в которую вставлен сердечник из олова (или из сплава на основе олова). Также в конструкцию прекурсора входят упрочняющие элементы, находящиеся вокруг одножильных проводов, диффузионный барьерный слой и стабилизирующая медная оболочка. Для получения сверхпроводящего провода прекурсор подвергают многостадийной обработке с целью формирования из него многожильного проводника и получения сверхпроводящей фазы на основе соединения Nb3Sn.

Однако повышение механической прочности сверхпроводников описанной конструкции достигается за счет значительного уменьшения критической плотности тока сверхпроводника, поскольку упрочняющие элементы в объеме проводника заменяют собой сверхпроводящие волокна. Это ограничивает возможность их использования, например, при создании установок управляемого термоядерного синтеза, в магнитных системах ускорителей, магнитах для NMR и других современных применений, где требуется критическая плотность тока выше 800 А/мм2.

Известен упрочненный провод и кабель на его основе для использования в робототехнике [патент US 6103976 (А), МПК Н01В 11/02]. Упрочняющей составляющей в этом проводе является Cu-Ag, Cu-Cr или Cu-Ag, Cr композит, наличие которого позволяет достигать прочности проводника в 1000 МПа. Использование упрочняющих составляющих такого типа приводит к значительному удорожанию сверхпроводника в случае упрочнения на основе Cu-Ag и Cu-Ag, Cr композита, и к получению более низких прочностных свойств и худшей электропроводности медной оболочки сверхпроводника из-за ее отравления хромом во время диффузионной термообработки при использовании Cu-Cr композита.

Также известен упрочненный сверхпроводник на основе интерметаллида Nb3Sn, изготавливаемый по бронзовому методу [патент US 6849137 (В2), МПК C22F 1/08, С22С 27/02, H01L 39/24]. Провод состоит из наружной медной оболочки, диффузионного барьера и сердцевины, включающей бронзовую матрицу, ниобиевые волокна, для образования Nb3Sn, и упрочняющие волокна из тантала. Такая конструкция проводника приводит к существенному снижению токонесущей способности, т.к. значительная часть площади его поперечного сечения занимают упрочняющие элементы.

Известен упрочненный элемент сверхпроводника на основе интерметаллида Nb3Sn, изготавливаемого по методу внутреннего источника олова [патент US 7514634 (В2), МПК Н01В 12/00]. В проводнике этой конструкции в качестве упрочняющего элемента используется слой диффузионного барьера. Недостатком этой конструкции является необходимость существенного увеличения (более 10% об.) толщины слоя диффузионного барьера. Это приводит к существенному падению токонесущей способности провода за счет уменьшения объема сверхпроводящего соединения Nb3Sn.

Задачей предлагаемого изобретения является создание конструкции сверхпроводника с высокой механической прочностью (выше 700 МПа) для использования в крупных магнитных системах с полями выше 12 Тл.

Технический результат состоит в получении сверхпроводящих проводников с высокими прочностными свойствами, а также повышенной стойкостью к деградации критических свойств сверхпроводника под воздействием механических напряжений, возникающих как при охлаждении магнитной системы до криогенных температур, так и под воздействием магнитного поля.

Для решения поставленной задачи сверхпроводящий провод на основе Nb3Sn, включает многожильный сердечник, содержащий соединение Nb3Sn, размещенный на поверхности сердечника слой диффузионного барьера на основе ниобия и/или тантала и наружную оболочку из меди или сплава на основе меди, отличающийся тем, что между слоем диффузионного барьера и наружной оболочкой размещен слой из нанокомпозитного материала Cu-Nb, содержащий от 5 до 30% Nb и имеющий механическую прочность от 1000 до 2000 МПа, причем отношение площадей нанокомпозитного слоя и слоя наружной медной оболочки в поперечном сечении проводника составляет от 0,1 до 9.

Для решения поставленной задачи нанокомпозитный материал Cu-Nb имеет временное сопротивление разрыву при растяжении в интервале 1000÷2000 МПа, толщину Nb волокон 5÷30 нм, расстояние между волокнами 40÷80 нм и электропроводность 40÷80% IACS.

IACS - Международный стандарт отожженной меди, где 100% IACS=1,7241 µΩ*см.

Приведенные выше отличительные признаки изобретения показывают, что его сущность составляет совокупность признаков, выражающаяся в выборе материалов для двухслойной оболочки проводника, а также в выборе соотношений геометрических размеров выполненных из этих материалов слоев оболочки. Использование предлагаемого решения в технологии изготовления сверхпроводников методом внутреннего источника олова обеспечивает дополнительные преимущества. Это обусловлено тем, что упрочнение оболочки наноструктурированным Cu-Nb материалом позволяет в значительной мере компенсировать повышенную хрупкость сверхроводящего интерметаллида Nb3Sn, а следовательно, и возможные потери токонесущей способности проводника. Расположение Cu-Nb нанокомпозита непосредственно между диффузионным барьером и стабилизирующим медным слоем позволяет снизить вероятность возникновения разрывов в диффузионном барьере сверхпроводника при его деформации в процессе изготовления. Это значительно повышает выход в годное и позволяет уменьшить содержание в проводе такого дорогостоящего компонента как тантал, например при изготовлении Резерфордовского кабеля.

На фигуре приведено поперечное сечение изготовленного сверхпроводящего провода на основе Nb3Sn. Провод состоит из многожильного сердечника 1, содержащего соединение Nb3Sn, диффузионного барьера 2 из ниобия и/или тантала, первого слоя 3 покрытия проводника из нанокомпозитного материала Cu-Nb, содержащего от 5 до 30% Nb и слоя 4 покрытия проводника из Cu или сплава на основе Cu.

Технология получения провода заявляемой конструкции включает следующие основные стадии.

1. Изготовление композиционной заготовки внутренней части провода, состоящей из волокон на основе Nb или сплава Nb, распределенных в матрице на основе меди или медного сплава, а также содержащей источник (или источники) олова в виде отдельных прутков и/или лент.

2. Изготовление внешней трубной композиционной заготовки, состоящей из концентрически размещенных слоев следующих материалов:

- внутренний слой из технологической меди или медного сплава,

- диффузионный барьер из Та и/или Nb,

- Cu-Nb нанокомпозитный материал с экстремально высокой прочностью и электропроводностью,

- внешний слой из стабилизирующей меди.

3. Сборка заготовки провода из композиционной заготовки внутренней части провода и внешней трубной композиционной заготовки.

4. Деформация заготовки провода методами термомеханической обработки материалов до нужных размеров.

В соответствии с предложенным техническим решением методом внутреннего источника олова был изготовлен проводник с седьмую сверхпроводящими субэлементами, поперечное сечение которого представлено на фигуре.

Каждый субэлемент этого проводника сформирован из 805 волокон с эффективным диаметром волокон около 50 мкм.

Ниже приведены геометрические размеры элементов изготовленного проводника:

внешний диаметр проводника - 0,70 мм,

внешний диаметр слоя упрочнения из Cu-Nb нанокомпозитного материала - 0,52 мм,

внешний диаметр диффузионного барьера - 0,46 мм,

толщина диффузионного барьера - 0,015 мм.

Слой из нанокомпозитного материала Cu-Nb содержит 18% Nb и имеет предел прочности около 1300 МПа.

Отношение площадей Cu-Nb слоя и слоя наружной медной оболочки в поперечном сечении опытной партии проводника составило 0,27.

Предлагаемое изобретение может быть использовано при разработке и изготовлении технических сверхпроводников на основе соединения Nb3Sn с высокими прочностными и сверхпроводящими свойствами, способных выдерживать без деградации критического тока значительные деформации. Такие провода могут найти применение в магнитных системах установок управляемого термоядерного синтеза или ядерно-магнитного резонанса, а также в магнитных системах ускорителей и других устройств и установок с полями более 12 Тл, где требуется снизить деградацию критических свойств сверхпроводника под воздействием напряжений, возникающих как при охлаждении магнитной системы до криогенных температур, так и при работе под воздействием магнитного поля, а также повысить надежность работы этих установок. Применение предложенных сверхпроводников перспективно и при создании компактных магнитных систем различного назначения с повышенными критическими характеристиками. Важной особенностью предлагаемого сверхпроводника является достижение существенного повышения прочности провода, а именно, предел прочности провода может быть увеличен более чем на 40% до проведения реакционной термообработки и более чем на 15% после проведения реакционной термообработки, без снижения других важнейших характеристик: критической плотности тока, гистерезисных потерь, электро- и теплопроводности внешнего стабилизирующего слоя.

Достигнутый технический результат позволяет обеспечить комплекс свойств сверхпроводника - высокую прочность, сохранение высокой критической плотности тока и снижение деградации критических свойств сверхпроводника - позволяет эффективно использовать сверхпроводящий провод на основе Nb3Sn, заявленной конструкции, в частности, при изготовлении Резерфордовского кабеля.

1. Сверхпроводящий провод на основе Nb3Sn, включающий многожильный сердечник, содержащий соединение Nb3Sn, размещенный на поверхности сердечника слой диффузионного барьера на основе ниобия и/или тантала и наружную оболочку из меди или сплава на основе меди, отличающийся тем, что между слоем диффузионного барьера и наружной оболочкой размещен слой из нанокомпозитного материала Cu-Nb, содержащий от 5 до 30% Nb и имеющий механическую прочность от 1000 до 2000 МПа, причем отношение площадей нанокомпозитного слоя и слоя наружной медной оболочки в поперечном сечении проводника составляет от 0,1 до 9.

2. Сверхпроводящий провод по п.1, отличающийся тем, что нанокомпозитный материал Cu-Nb имеет временное сопротивление разрыву при растяжении в интервале 1000÷2000 МПа, толщину Nb волокон 5÷30 нм, расстояние между волокнами 40÷80 нм и электропроводность 40÷80% IACS.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к керамическому проводнику. В предложенном способе керамическую пленку-предшественник осаждают на подложку проводника.

Изобретение относится к сверхпроводящему электрическому кабелю. .

Изобретение относится к способу изготовления оксидной сверхпроводящей тонкой пленки для применения при изготовлении сверхпроводящего провода посредством процесса нанесения покрытия пиролизом с использованием бесфтористого металлоорганического соединения в качестве исходного материала.

Изобретение относится к сверхпроводящему тонкопленочному материалу и способу получения сверхпроводящего тонкопленочного материала. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к сверхпроводящему ленточному проводу, сверхпроводящему устройству и к способу изготовления сверхпроводящего ленточного провода.

Изобретение относится к области химической технологии получения покрытий так называемых сверхпроводящих проводников второго поколения. .

Изобретение относится к сверхпроводящему тонкопленочному материалу и способу его изготовления. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способу изготовления сверхпроводящего провода и к сверхпроводящему устройству с таким проводом. .

Изобретение относится к тонкопленочному материалу с монокристаллическим тонкопленочным слоем и способу его изготовления. .

Изобретение относится к области технологии сверхпроводящих тонких пленок и может найти применение в производстве сверхпроводящих лент на основе высокотемпературных сверхпроводников для сверхпроводящих кабелей передачи электрической энергии, работающих при температуре жидкого азота. Устройство для нанесения однородных гладких тонких пленок различных материалов на твердые подложки методом импульсного лазерного испарения содержит мощный импульсный лазер, обычную оптическую систему, фокусирующую излучение на мишени, и вакуумную камеру. В вакуумной камере расположены узел мишени, скоростной фильтр и узел подложки. В качестве подложки использована длинномерная гибкая металлическая лента на катушке с механизмом протяжки, а скоростной фильтр выполнен в виде вращающегося диска с отверстием для прохождения испаренного вещества. Узел мишени выполнен с возможностью смены мишени в процессе нанесения пленки, что позволяет создавать многослойные структуры без вынесения подложки из вакуума на воздух. Изобретение обеспечивает получение однородных гладких тонких пленок различных материалов на длинномерных металлических лентах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к проводникам, обладающим свойствами сверхпроводимости. Идеальный проводник содержит нормальный проводник с обычным сопротивлением и средство для придания нормальному проводнику свойства сверхпроводимости, при этом средство для придания нормальному проводнику свойства сверхпроводимости выполнено в виде предварительно нагретого при некритических температурах до расплавленного или полурасплавленного состояния ферромагнетика и впоследствии нанесенного на нормальный проводник или помещенного внутрь отвердевшего ионизированного ферромагнетика нормального проводника. Задача придания нормальному проводнику свойства сверхпроводимости решена за счет полного вталкивания магнитного поля, излучаемого нормальным обычным металлическим проводником при пропускании через него электрического тока, внутрь самого проводника без возможности его выхода за пределы проводника путем воздействия на нормальный проводник электромагнитным полем специальным образом подобранных вида и толщины слоя ионизированного ферромагнетика. В качестве ферромагнетика было выбрано соединение Fe2O3SrO. Заявлены два варианта выполнения проводника и способы получения проводника. Изобретение позволяет эксплуатировать проводник при некритических температурах и сохранять гибкие свойства, присущие обычному кабелю. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к сверхпроводникам и технологии их получения. Оксидный сверхпроводящий провод включает лентообразный оксидный сверхпроводящий слоистый материал 1, сформированный путем нанесения промежуточного слоя 4 на стороне передней поверхности металлической лентообразной подложки 3, оксидного сверхпроводящего слоя 5 на промежуточном слое 4 и защитного слоя 6 на оксидном сверхпроводящем слое 5, и покрытие, включающее металлическую ленту 2 и слой металла с низкой точкой плавления 7, при этом ширина металлической ленты 2 больше, чем ширина оксидного сверхпроводящего слоистого материала 1, и лента 2 закрывает поверхность защитного слоя 6 оксидного сверхпроводящего слоистого материала 1, обе боковые поверхности оксидного сверхпроводящего слоистого материала 1 и оба концевых участка 3а задней поверхности подложки 3 в поперечном направлении, причем оба концевых участка металлической ленты 2 в поперечном направлении закрывают оба концевых участка 3а задней поверхности подложки 3а, слой металла с низкой точкой плавления 7 заполняет щели между оксидным сверхпроводящим слоистым материалом 1 и металлической лентой 2, окружающей оксидный сверхпроводящий слоистый материал 1, и соединяет металлическую ленту 2 и оксидный сверхпроводящий слоистый материал 1 друг с другом, а часть 7с заполняющего слоя металла с низкой точкой плавления продолжается в область углубленного участка 2d, сформированного между обоими концевыми участками металлической ленты 2 в поперечном направлении. Полученная структура сверхпроводящего провода способна предотвращать проникновение влаги, в результате чего оксидный сверхпроводящий слой не разрушается. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 10 ил., 6 табл.

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к проводу на основе оксидного сверхпроводника, и сверхпроводящей катушке, образованной посредством наматывания указанного провода. Провод на основе оксидного сверхпроводника включает в себя слоистую структуру со сверхпроводником, которая содержит подложку, которая образована в форме ленты, и промежуточный слой, слой оксидного сверхпроводника и стабилизирующий слой металла, которые наслоены на подложку, и слой изолирующего покрытия, которым покрыта наружная поверхность слоистой структуры со сверхпроводником, при этом либо вся наружная поверхность, либо вся внутренняя поверхность слоя изолирующего покрытия покрыта слоем из фторкаучука, обеспечивающим снижение деформации сверхпроводящей катушки, вызванной отслаивающим напряжением на границе раздела между слоем покрытия из фторкаучука и пропитывающей смолой, что является техническим результатом изобретения. Достигнуто также улучшение сверхпроводимости провода в охлажденном состоянии. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 10 ил., 4 табл.
Изобретение относится к текстурированной подложке для выращивания на ней эпитаксиальной пленки оксидного сверхпроводящего материала для использования в различных типах электросилового оборудования. Текстурированная подложка содержит слой текстурированного металла, по меньшей мере, на одной стороне, который включает в себя слой меди, имеющий кубическую текстуру, и слой никеля, имеющий толщину 100-20000 нм, сформированный на слое меди; слой никеля имеет слой оксида никеля, сформированный на его поверхности, имеющий толщину 1-30 нм, и слой никеля дополнительно включает в себя палладий-содержащую область, сформированную из палладий-содержащего никеля, на поверхности раздела со слоем оксида никеля. Верхний слой текстурированной подложки, т.е. слой оксида никеля, имеет шероховатость поверхности преимущественно 10 нм или менее. Ультратонкий слой оксида никеля оказывает улучшающее воздействие на ростовые свойства и адгезию эпитаксиальной пленки. Подложка имеет кристаллическую ориентацию, обеспечивающую возможность формирования высококачественной эпитаксиальной пленки на ее поверхности. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 табл.

Изобретение относится к области электротехники. Сверхпроводящий провод, содержащий cверхпроводящую слоистую структуру, включающую подложку и промежуточный слой, сверхпроводящий слой и металлический стабилизирующий слой, которые наслоены на подложку; и изолирующий покрывающий слой, покрывающий внешнюю поверхность сверхпроводящей слоистой структуры и сформированный посредством спекания материала смолы. При этом максимальная высота Rz по меньшей мере части внешней поверхности сверхпроводящей слоистой структуры, покрытой изолирующим покрывающим слоем, составляет 890 нм или меньше. Повышается проводимость провода за счет исключения расслаивания его структуры. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.
Наверх