3
КОМПОЗИТНАЯ СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ ЛЕНТА НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЯ NbSn
3
COMPOSITE SUPERCONDUCTING TAPE BASED ON  NbSn COMPOUND

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.
3
3
3
3
Сверхпроводящие соединения NbX, где X выбран из группы металлов, состоящей из Al, Sn и Ge, например, NbSn, NbGe, NbAl, 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.
3
Однако все соединения NbX, в отличие от NbTi, обладают крайне высокой твердостью и хрупкостью и, поэтому, не могут обрабатываться с помощью пластической деформации.
3
3
3
0,8
0,2
Известны проводники на основе интерметаллидов NbSn, NbAl, NbAlGe (WO/2005/088651, МКИ H01B 1/02, опуб. 22.09.2005; WO 2003/058727, МКИ H01L 39/14, опуб. 17.07.2003; US 6,508,889, МКИ H01B 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.
3
Известна проволока (прототип) для NbX 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, H01B 12/00, опуб. 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.
3
3
Согласно изобретению композитная сверхпроводящая лента на основе соединения NbSn, 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 NbSn и слоев сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn таким образом, чтобы слоями, прилежащими к медной оболочке, были слои сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn.
3
3
В настоящем изобретении под термином многослойные пачки из наноструктурных слоев NbSn и сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn понимается структура, состоящая из чередующихся слоев соединения NbSn 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:(8-12):(10-15).
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.
3
Кроме того, наружные слои меди в предлагаемом плоском проводнике при термической обработке, в результате которой образуется соединение NbSn, остаются незагрязненными оловом и, поэтому, ее теплопроводность остается высокой и электрическое сопротивление низким, что положительно сказывается на стабилизирующих свойствах.
3
Увеличение количества слоев сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn и многослойных пачек из наноструктурных слоев NbSn и сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn приводит к увеличению числа промежуточных отжигов при получении такой композитной ленты, что в свою очередь значительно удорожает технологический процесс и увеличивает время его получения.
3
На чертеже приведена конструкция 5-слойной композитной сверхпроводящей ленты на основе соединения NbSn.
3
Композитная сверхпроводящая лента согласно изобретению состоит из слоев 1, образованных медной оболочкой, прилежащих к ней слоев 2 сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn и расположенной между ними многослойной пачки 3 из наноструктурных слоев NbSn и сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn (чертеж).
Приведенные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемое изобретение.
Пример
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°C в течение 40 минут и затем прокатке на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом при 850°C за два прохода с обжатием 25-30% за один проход и далее прокатывался при комнатной температуре до ленты толщиной 0,3 мм.
3
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°C в течение 40 минут и затем прокатке на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом при 850°C за два прохода с обжатием 25-30% за один проход и далее прокатывался при комнатной температуре до ленты толщиной 0,1 мм. Для образования слоев сверхпроводящего соединения NbSn композит отжигался при 750°C в течение 5 ч и при 600-650°C в течение до 300-350 ч.
3-й этап. Пакет собирался согласно следующей конструкции (чертеж): (одна полоса из бронзы толщиной 1,1 мм) / (10 отрезков Nb/Cu - ленты после 2-го этапа толщиной 0,1 мм) / (одна пластина из бронзы толщиной 1,1 мм) и затем оборачивался одним слоем листовой отожженной медной фольги толщиной 0,1 мм.
Nb
Nb
CuSn
CuSn
Nb
CuSn
Nb
CuSn
3
Объемные содержания бронзы и ниобия в заготовке подбирались таким образом, чтобы удовлетворять отношению tN/tN=0,150-0,300, где t и t - толщины слоев ниобия и бронзы, N и N - количество слоев ниобия и бронзы соответственно. При выполнении этого соотношения максимальное количество олова из бронзы и весь ниобий будут израсходованы на образование сверхпроводящего соединения NbSn.
Перед сборкой пластина из бронзы отжигалась при 700-750°C в течение 1 ч. Затем пакет сваривался путем прокатки на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом при 750-800°C 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.
Nb
Nb
CuSn
CuSn
После 3-го этапа расчетные толщины слоев ниобия и бронзы равны соответственно 9,7 нм и 97,3 мкм, количество слоев ниобия и бронзы - 4650 и 2 соответственно. Тогда отношение tN/tN равно 0,232. Это достаточно близко к теоретическому значению отношения (0,288), но с некоторым избытком олова по отношению к его расчетному количеству.
3
В результате был получен композит, состоящий из размещенных между наружными медными слоями двух слоев сплава Cu-(0,5-1,5 wt % Sn) и расположенной между ними многослойной пачки чередующихся наноразмерных слоев NbSn и сплава Cu-(0,5-1,5 мас.% Sn). Расчетные толщины слоев сплава Cu-(0,5-1,5 wt % Sn) равнялась 97,3 мкм, многослойной пачки - 88,5 мкм, наружных слоев меди - 8,8 мкм. Соотношение толщин меди, многослойной пачки и сплава Cu-(0,5-1,5 мас.% Sn) составило 1:10:11.
2
Критическая плотность тока полученного композита составляет 64000 A/см в магнитном поле 6 тесла.
3
Как видно из приведенных примеров, предлагаемое изобретение позволяет получить композитную сверхпроводящую ленту на основе соединения NbSn с высокой критической плотностью тока, способную нести большой суммарный ток и одновременно обладающую повышенными стабилизирующими свойствами.