МНОГОСЛОЙНЫЙ ЛЕНТОЧНЫЙ НАНОСТРУКТУРНЫЙ КОМПОЗИТ НА ОСНОВЕ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО СПЛАВА НИОБИЙ-ТИТАН
MULTI-LAYER TAPE NANOSTRUCTURE COMPOSITE BASED ON SUPERCONDUCTING NIOBIUM-TITANIUM ALLOY

Изобретение относится к области создания новых многослойных наноструктурных композиционных сверхпроводников на основе сплавов ниобия с улучшенными токонесущими способностями и может быть использовано, в частности, для создания обмоток сверхпроводящих магнитов.
В настоящее время большой интерес представляют материалы, содержащие сплавы Nb-Ti и Nb-Zr. Многослойные плоские наноструктурные композиты на основе таких сплавов являются перспективными для создания сверхпроводящих материалов с высокой токонесущей способностью. Наличие в ленточном сверхпроводнике плоских параллельных слоев, толщина которых составляет 10-100 нм, и поэтому сравнима с длиной когерентности сверхпроводника, позволяет использовать эффект влияния протяженной плоской поверхности, параллельной внешнему магнитному полю, на пиннинг (закрепление) вихрей Абрикосова и, следовательно, величину критической плотности тока.
Известен многослойный композит [патент US 5230748, H01L 39/24, July 19, 1991 г.], в котором сверхпроводящие слои сплавов системы Nb-Ti-Zr-V-Hf-Ta на конечной стадии изготовления сверхпроводника получают путем диффузионного отжига композита из чередующихся слоев этих металлов или их сплавов, причем толщина нормальных и сверхпроводящих слоев, образовавшихся при отжиге должна быть меньше 1000 нм.
Однако проведение диффузионного отжига композита приводит к усложнению технологического процесса.
Известны также два патента, относящиеся к получению плоских сверхпроводников, в которых сверхпроводящие слои являются плоскими по всей ширине ленты. В первом [US 4729801, H01L 39/24, 1986 г.] предлагается наносить сверхпроводящее соединение на движущуюся плоскую подложку методом электронно-лучевого напыления, во втором [JP 1212747, B22D 11/01, 1988 г.] - протягиванием медной подложки через расплав сверхпроводника.
Однако хотя оба эти способа и позволяют получать тонкие слои сверхпроводника и достигать высокой критической плотности тока, но они не позволяют получать многослойные проводники, способные нести большой суммарный ток, так как для этого требуется, чтобы таких слоев было как можно больше.
Известен, принятый за прототип, многослойный ленточный наноструктурный композит на основе сплава ниобий-титан, содержащий чередующиеся слои ниобия и сплава ниобий-титан, состоящий из 64000 слоев ниобия и сплава Nb-50 мас.% Ti со средней толщиной каждого слоя 2,5 нм [М.И.Карпов, В.П.Коржов, В.И.Внуков, В.Н.Зверев, И.С.Терехова «Анизотропия плотности сверхпроводящего критического тока в слоистых наноструктурных композитах, содержащих слои сплава Nb-50% Ti» // “Материаловедение”, 2008, №6, с.35-38]. Плоские слои сверхпроводящего сплава Nb-50 мас.% Ti, толщина которых, равная 2,5 нм, сравнима с длиной когерентности сверхпроводника, позволяют использовать эффект влияния протяженной плоской границы между слоем ниобия и слоем из сплава Nb-50 мас.% Ti, параллельной внешнему магнитному полю, на пиннинг вихрей Абрикосова и, следовательно, величину критической плотности тока.
2
Однако критическая плотность тока в описанном выше сверхпроводящем композите не превышала 4500 А/см в магнитном поле 6 Тесла.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания наноструктурного композита со значительно более высокой критической плотностью тока, способного нести большой суммарный ток.
Поставленная задача достигается предлагаемой структурой многослойного ленточного наноструктурного композита на основе сверхпроводящего сплава ниобий-титан, содержащего чередующиеся слои ниобия и сплава ниобий-титан, новизна которого заключается в том, что в качестве сплава Nb-Ti он содержит сплав Nb-(25-45) мас.% Ti, толщина слоя которого составляет не более 50 нм. При этом толщина каждого слоя ниобия составляет 50-70% толщины слоя сплава.
Для стабилизации сверхпроводника наружные поверхности наноструктурного композита покрыты слоем меди.
2
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в получении сверхпроводящего материала, критическая плотность тока которого составляет 58000 А/см при 6 Тесла при оптимальных толщинах слоев составляющих композита.
В таблице 1 приведены показатели критической плотности тока при 6 Тесла заявляемого многослойного наноструктурного композита в зависимости от содержания титана в сплаве. Толщина слоя сплава составляла ~12 нм; толщина слоя ниобия - ~8 нм.
В таблице 2 приведены показатели критической плотности тока при 6 Тесла заявляемого многослойного наноструктурного композита в зависимости от толщины слоя сплава. Толщина слоя ниобия составляла ~67% слоя сплава Nb-30 мас.% Ti.
В таблице 3 приведены показатели критической плотности тока при 6 Тесла заявляемого многослойного наноструктурного композита в зависимости от толщины слоя ниобия. Толщина слоя сплава Nb-30 мас.% Ti составляла ~12 нм.
Приведенные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемое изобретение.
Пример 1.
Образцы многослойного ленточного наноструктурного композита в виде ленты шириной 30-40 мм и толщиной 0,15 мм получали, как и в описанном ранее способе [Карпов М.И., Внуков В.И., Волков К.Г., Медведь Н.В., Ходос И.И., Абросимова Г.Е. «Возможности метода вакуумной прокатки как способа получения многослойных композитов с нанометрическими толщинами слоев», Материаловедение, 2004, №1, с.48-53] методом многоцикловой прокатки. Каждый цикл состоял из трех последовательных операций: сборки пакета из исходных пластин, горячей вакуумной прокатки, холодной прокатки. В первом цикле исходными пластинами были компоненты композита, во втором и последующих циклах - пластины, полученные в предыдущем цикле.
Первая сборка композита Nb\(Nb-30 мас.% Ti) состояла из 16 фольг ниобия и 15 фольг сплава Nb-30 мас.% Ti. Толщина исходных фольг сплава была равна 0,3 мм, при этом толщина каждой фольги ниобия составляла 0,2 мм или 66,7% толщины фольги сплава.
Вакуумную прокатку в каждом цикле проводили за 2 прохода с подогревом образцов до 900°С и суммарным обжатием 50%. Холодную прокатку в каждом цикле заканчивали на толщине 0,3 мм. В третьем цикле прокатку вели до конечной толщины 0,15 мм. В результате был получен композит, состоящий из 28830 слоев ниобия и сплава Nb-30 мас.% Ti. Расчетная толщина слоев сплава равнялась 12 нм, расчетная толщина каждого слоя ниобия равнялась 8 нм, что составляло 66,7% толщины слоя сплава. По данным растровой электронной микроскопии расчетные толщины слоев удовлетворительно совпадали с измеренными усредненными толщинами слоев.
После последней прокатки все образцы отжигали при 400°С в течение 3-х часов для выделения дисперсных частиц α-фазы в слоях сплава Nb-30 мас.% Ti.
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), перпендикулярно плоскости наноламината, и транспортному току (в этом случае пиннинг на межслойной поверхности отсутствует). Критическую плотность тока определяли отношением общего транспортного тока ко всей площади поперечного сечения композита.
2
Критическая плотность тока полученного композита составляет 58000 А/см в магнитном поле 6 Тесла.
Пример 2.
То же, что в примере 1, только перед последней прокаткой сборку пакета помещают между двумя пластинами меди.
При этом полученный композит приобретает стабилизирующие свойства.
Пример 3.
То же, что в примере 1, только содержания Ti в сплаве Nb-Ti варьировали от 20 до 50 мас.%. Толщина слоя сплава составляла ~12 нм; толщина слоя ниобия - ~8 нм. Показатели критической плотности тока при 6 Тесла получаемого многослойного ленточного наноструктурного композита приведены в таблице 1.
Как видно из таблицы, при снижении содержания Ti в сплаве Nb-Ti ниже 25 мас.% и при повышении содержания Ti в сплаве выше 45 мас.% наблюдалось сильное падение критической плотности тока
Пример 4.
То же, что в примере 1, только толщину слоя сплава Nb-30 мас.% Ti в композите варьировали от 2,5 до 55 нм. Толщина слоя ниобия составляла ~67% слоя сплава Nb-30 мас.% Ti. Показатели критической плотности тока при 6 Т получаемого многослойного наноструктурного композита приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы, при повышении толщины слоя сплава Nb-30 мас.% Ti в композите выше 50 нм наблюдалось заметное понижение критической плотности тока.
Пример 5.
То же, что в примере 1, только толщину слоя Nb в композите варьировали от 45-75% толщины слоя сплава. Толщина слоя сплава Nb-30 мас.% Ti составляла ~12 нм. Показатели критической плотности тока при 6 Тесла получаемого многослойного наноструктурного композита приведены в таблице 3.
Как видно из таблицы, при снижении толщины слоя Nb в композите ниже 50 и выше 70% толщины слоя сплава наблюдалось уменьшение критической плотности тока.
2
Приведенные выше примеры подтверждают получение многослойного наноструктурного композита на основе сплава ниобий-титан с высоким на современном этапе уровне техники показателем критической плотности тока, равным 58000 А/см в магнитном поле 6 Тесла.
Таблица 1.
№ п/п
Содержание Ti в сплаве Nb-Ti, мас.%
Показатели критической плотности тока при 6 Тл,А/см<sup>2</sup>
1
20
15200
2
25
50500
3
30
58000
4
45
49800
5
50
37000
Таблица 2.
№ п/п
Толщина слоя сплава Nb-30 мас.% Ti в композите, нм
Показатели критической плотности тока при 6 Тл, А/см<sup>2</sup>
1
2.5
47900
2
5.0
57800
3
12
58000
4
50
54300
5
55
22500
Таблица 3.
№ п/п
Толщина слоя Nb в композите в % от толщины слоя сплава Nb-30 мас.% Ti
Показатели критической плотности тока при 6 Тл, А/см<sup>2</sup>
1
45
38400
2
50
55000
3
67
58000
4
70
57600
5
75
41000