СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ NbSn

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.