Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Механика пластического деформирования трансверсально-изотропных композиционных сверхпроводниковых материалов

..pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
8.02 Mб
Скачать

1.2. Сверхпроводники 1-го и 2-го рода

По особенностям взаимодействия с магнитным полем сверхпро-

водники делятся на сверхпроводники первого рода и сверхпроводники второго рода.

В 1933 г. Мейсснер и Оксенфельд экпериментально показали, что при T < Tкр внешнее магнитное поле не проникает в образец

(рис. 1.1). Выявленный эффект носит имя авторов открытия – эффект Мейснера–Оксенфельда. Эффект Мейсснера–Оксенфельда наблюдается у сверхпроводников первого рода.

Рис. 1. 1. Магнитный поток проникает в стержень, находящийся в нормальном состоянии (а), но выталкивается из стержня, охлажденного до сверхпроводящего состояния (б)

При наличии магнитного поля в поверхностном слое сверхпроводника возникают токи, которые полностью компенсируют внешнее поле в толще образца. Если сверхпроводник имеет форму длинного цилиндра и находится в поле, параллельном его оси, то глубина проникновения может быть порядка 3 10–6 см. При достижении критического поля сверхпроводимость исчезает, и поле полностью проникает внутрь материала. Критические поля для сверхпроводников 1-го рода лежат обычно в пределах от 100 до 800 Гс. Хотя у сверхпроводников 1-го рода малая глубина проникновения, они имеют большую длину когерентности – порядка 10–4 см.

11

В настоящее время для создания технических устройств наиболее широко используются сверхпроводники второго рода. Впервые этот термин был введен в работах А.А. Абрикосова (1957 г.). Сверхпроводники 2-го рода характеризуются большой глубиной проникновения (около 2 10–5 см) и малой длиной когерентности (5 10–7 см). При наличии слабого магнитного поля (меньше 500 Гс) весь магнитный поток выталкивается из сверхпроводника 2-го рода.

При увеличении напряженности внешнего магнитного поля от Н0 до некоторого значения внутри образца появляется магнитное поле, которое называется первымкритическимполемиобозначается Нкр1.

Увеличение магнитной индукции внутри проводника будет происходить до тех пор, пока среднее значение Н внутри цилиндра не станет равным внешнему полю и все сечение проводника, кроме тонкого поверхностного слоя, перейдет в несверхпроводящее состояние. Это поле называется вторымкритическим полеми обозначается Нкр2.

Проникновение магнитного поля в сверхпроводник второго рода происходит в виде квантованных вихревых нитей. Вихри, проникнув в сверхпроводник, располагаются друг от друга на расстоянии λ, образуя в поперечном сечении правильную треугольную решетку (рис.1.2). Вихревая нить имеет нормальную сердцевину в виде длинного цилиндра, вытянутого вдоль направления внешнего магнитного поля. Вокруг сердцевины течет незатухающий ток, ориентированный так, чтобы создаваемое им магнитное поле было направлено вдоль нормальной сердцевины и совпадало по направлению свнешним магнитным полем. Вихревой токзахватывает область, имеющую радиуспорядка λ.

Рис. 1.2. Правильная треугольная решетка, образования сверхпроводящими вихрями (сердцевины вихрей заштрихованы)

12

Таким образом, любой сверхпроводник характеризуют два параметра: ξ и λ . В сверхпроводнике на расстояниях порядка λ сильно

изменяется магнитное поле, а на расстояниях порядка ξ – число

сверхпроводящих электронов, связанных в куперовские пары. Физическим признаком принадлежности материалов к сверхпроводникам второго рода является то, что длина когерентности ξ меньше глубины проникновения λ .

Условием, характеризующим поведение материала как сверх-

проводника второго рода, является следующее: k = λ / ξ > 1/

2 .

 

В табл. 1.3 представлены характеристики различных сверхпро-

водников.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица

 

1 . 3

 

Критические температуры и поля

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Материалы

Критическая температура

,

°К

Критические поля

(0

),

Гс

 

 

°К

 

Сверхпроводники

 

 

 

 

 

 

 

 

1-го рода

 

 

 

 

 

 

 

 

Родий

0, 000325

 

 

0,049

 

 

 

Титан

0,39

 

 

60

 

 

 

Кадмий

0,52

 

 

28

 

 

 

Цинк

0,85

 

 

55

 

 

 

Галлий

1,08

 

 

59

 

 

 

Таллий

2,37

 

 

180

 

 

 

Индий

3,41

 

 

280

 

 

 

Олово

3,72

 

 

305

 

 

 

Ртуть

4,15

 

 

411

 

 

 

Свинец

7,19

 

 

803

 

 

 

Сверхпроводники

 

 

 

Hкр1

 

Hкр2

 

2-го рода

 

 

 

 

 

 

 

 

Ниобий

9,25

 

 

1735

 

4040

 

Nb3Sn

18,1

 

 

 

220 000

Nb3Ge

23,2

 

 

 

400 000

Из представленных в табл. 1.3 сверхпроводников в настоящее время представляют интерес Nb, Nb3Sn и сплав Nb–Ti, которые в основном и рассматриваются в данной работе.

13

1.3. Конструкции и технологии производства сверхпроводниковых изделий

Число открытых сверхпроводников составляет несколько тысяч. Однако для практического применения интерес представляет только небольшая группа сплавов и соединений. В области низкотемпературных сверхпроводников работы ведутся в направлении совершенствования основных операций промышленной технологии получения сверхпроводников на основе Nb3Sn и сплава NbTi [20].

Технические сверхпроводники должны обладать высокими критическими параметрами – температурой, магнитным полем, токонесущей способностью, а также заданными механическими свойствами, высокой коррозионной стойкостью, устойчивостью к циклическому изменению температур и напряжений, облучению и другим воздействиям.

Технический сверхпроводник является нанокомпозитом, состоящим из разнородных материалов, отличающихся физикохимическими и механическими свойствами. Обычно это многожильный провод, в котором нити из сверхпроводящего материала находятся в медной или бронзовой матрице с диффузионными барьерными слоями, армирующими элементами и перегородками из материала с высоким электросопротивлением. Многожильные сверхпроводники имеют диаметр 0,1–6,0 мм, длину порядка 102–104 метров и состоят из нескольких десятков тысяч сверхпроводящих нитей диаметром 1–50 мкм, скрученных вокруг оси провода.

К сверхпроводникам предъявляются высокие требования по стабильности сверхпроводящих характеристик, однородности строения и целостности нитей, по химической и структурной однородности. В большинстве случаев многожильные сверхпроводники изготавливают обработкой давлением составных композитных заготовок.

В случае сверхпроводников Nb3Sn или V3Ga ниобиевые (ванадиевые) стержни располагаются в матрице из оловянной (галлиевой) бронзы. В процессе горячего выдавливания заготовок происходит сварка отдельных элементов композиции. В результате дальнейшей холодной деформации волочением с промежуточными термообработками получается длинномерный многожильный композит, яв-

14

ляющийся в случае Nb–Ti сплава готовым сверхпроводником. В интерметаллидных сверхпроводниках сверхпроводящая фаза образуется в процессе дополнительного диффузионного отжига.

Обычно геометрия сечения готового композита в основном соответствует геометрии сечения исходной составной заготовки. В тех случаях, когда элементы заготовки состоят из материалов с сильно отличающимися прочностными характеристиками либо когда имеет место неблагоприятное объемное соотношение и расположение сверхпроводящих жил в сечении составной заготовки, наблюдается нарушение геометрии илиразрыв готового композитав процессе деформации.

1.3.1.Композиционные проводники на основе сплавов Nb–Ti

Во всех крупных сверхпроводящих магнитных системах, изготовленных в последние годы, использованы материалы на основе ниобий-титанового сплава, обнаруживающего сверхпроводимость при 9,6 °К (–263,4 °C). Этот сплав завоевал лидирующее положение среди технических сверхпроводников главным образом из-за своей технологичности как в производстве проводов, так и при изготовлении из них магнитов. Достигнутыми к настоящему времени успехами прикладная сверхпроводимость во многом обязана именно этому материалу, на основе которого и создают так называемые композиционные сверхпроводники. Ежегодно в мире производится более тысячи тонн этого вещества. В России промышленный выпуск низкотемпературных сверхпроводников организован в ОАО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов, Удмуртия).

В настоящее время ОАО «Чепецкий механический завод» является единственным предприятием в России, обладающим уникальным оборудованием для выпуска сверхпроводников на основе сплава Nb–Ti и соединения Nb3Sn. В апреле 2010 г. на ОАО «Чепецкий механический завод» открыто промышленное производство сверхпроводящих материалов для экспериментального термоядерного реакто-

ра ИТЭР (International Termonuclear Experimental Reactor).

Сверхпроводники на основе Nb–Ti выпускаются как в стабилизированном состоянии, с оболочкой из меди, так и без медной оболочки. В бруске меди просверливают множество отверстий и туда вводят стержни сверхпроводника. Затем брусок вытягивают в длин-

15

ную проволоку, которую разрезают на куски и снова вводят в медный брусок. Эту операцию повторяют многократно: вытягивают проволоку, разрезают на куски и т.д. В результате получается кабель, содержащий до миллиона сверхпроводящих жил, из которого и наматывают катушки для электромагнитов. В таком кабеле сверхпроводящий ток распределяется по всем жилам. Для сверхпроводника даже медь является хорошим изолятором – при параллельном соединении медного и сверхпроводящего проводников весь ток течет по сверхпроводнику. Для снижения механических напряжений в композите и улучшения электропроводимости в центре изделия может располагаться сплошной медный сердечник.

В процессе горячей деформации и при длительных термических обработках на границе контакта «Cu – сплав NbTi» происходит образование интерметаллида Cu–Ti. Твердые частицы интерметаллида с размерами, соизмеримыми с толщиной нитей, могут «перекусывать» их, что приводит к обрыву композита при деформации и к снижению транспортных токов. С целью предотвращения данного явления на границе контакта «Cu–сплав NbTi» располагают диффузионный барьер из тантала и ниобия.

Технология получения сверхпроводников включает получение литой заготовки, прессование и волочение на конечный размер с промежуточными отжигами. Операция волочения является одной из самых трудоемких, продолжительных и ответственных в технологической цепочке изготовления сверхпроводников и в значительной степени определяет качество готовой продукции.

Сечение проводника для сверхпроводящих магнитных систем представляет сложный геометрический объект и может быть представлено как двухили трехслойная система (биили триметалл), наружный слой которой состоит из медной токостабилизирующей оболочки, а промежуточный слой или сердечник являются композитом, состоящим из Nb–Ti-волокон, размещенных в медной матрице. Количество сверхпроводящего материала в сечении провода может колебаться в широких пределах. Обычно это многожильный провод, в котором нити из сверхпроводящего материала находятся в медной или бронзовой матрице с диффузионными барьерными слоями, армирующими элементами и перегородками из материала с высоким

16

PNRPU

электросопротивлением. Многожильные сверхпроводники имеют диаметр 0,1…6,0 мм, длину до 3·104 м и состоят из нескольких десятков тысяч сверхпроводящих нитей диаметром 1…50 мкм, скрученных вокруг оси провода. Некоторые конструкции сверхпроводников на основе Nb–Ti-сплавов представлены на рис. 1.3 и 1.4 [21].

Рис. 1.3. Конструкции сверхпроводников на основе Nb–Ti-сплавов

Рис. 1.4. Перспективные конструкции композиционных проводников на основе сплавов Nb–Ti (а): 1 – оболочка; 2 – промежуточный слой, состоящий из Nb–Ti-волокон; 3 – сплошной медный сердечник; (б) микроструктура сердечника композиционного проводника с волокнами из сплава НТ-50 (диаметр

0,85 мм, число волокон – 8970)

17

Для ниобий-титанового проводника стренды для ИТЭР должны иметь диаметр 0,73 мм. Они должны содержать в медной матрице ниобий-титановые волокна диаметром 5…7 микрон. Еще более сложны композиты на основе Nb3Sn-соединения. Они содержат около десяти тысяч ниобиевых волокон в высокооловянной бронзовой матрице, отделенной от медной стабилизации ниобиевым барьером с танталовыми вставками. Диаметр сверхпроводников 0,82 мм.

Изготовление многоволоконных сверхпроводников является сложным технологическим процессом, при котором подвергаются одновременной деформации материалы с различными механическими свойствами.

1.3.2. Композиционные проводники на основе сплавов А15

Для производства сверхпроводящих магнитных систем помимо проводников на основе ниобий-титановых сплавов используются композиционные проводники на основе соединений типа А15. Сверхпроводники структуры А15 являются сверхпроводниками 2-го рода и имеют более высокие значения Tc и jc, чем сверхпроводники на основе сплавов Nb–Ti. Для сравнения, низкотемпературные сверхпроводники Nb–Ti имеют Jc = 300 кА/см2 (при 4 К и 5 Тл), а изготовленные из Nb3Sn имеют Jc = 100–200 кА/см2 (при 4 K и 10 Тл). Наиболее перспективными термодинамически стабильными соединениями являются интерметаллические соединения Nb3Sn и V3Ga.

В настоящее время основным методом получения соединений типа А15 является метод селективной твердофазной диффузии – «бронзовая технология», разработанная в 1970 г. для получения соединения Nb3Sn.

1.3.3. Композиционные проводники на основе сплавов Nb3Sn, получаемые по методу «внутреннего источника олова»

Разработка и исследование сверхпроводников на основе соединения Nb3Sn с внутренним источником олова, предназначенных для обмотки магнитной системы международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР, позволили в значительной степени систематизировать основные принципы создания конструкций проводов этого типа. В перспективе это дает возможность разработчи-

18

кам и производителям сверхпроводящих материалов посредством оптимизации конструкций значительно улучшить характеристики сверхпроводников и повысить экономическую эффективность производства Nb3Sn-проводов с внутренним источником олова для крупномасштабных магнитных систем.

Рис. 1.5. Конструкция стабилизированного многожильного сверхпроводника с однослойным барьером

Рис. 1.6. Поперечное сечение стабилизированного сверхпроводника с двухслойным барьером

Сверхпроводники на основе Nb3Sn выпускаются как в стабилизированном состоянии с оболочкой из меди, так и без стабилизирующей медной оболочки. В стабилизированных проводниках, с це-

19

лью предотвращения загрязнения меди оловом в процессе диффузионного отжига, ее отделяют от бронзовой матрицы диффузионным однослойным барьером из тантала или двухслойным барьером из тантала и ниобия. Поперечное сечение двух типов проводников показано на рис. 1.5 и 1.6.

В настоящее время к промышленному производству в ОАО «Чепецкий механический завод» принята конструкция, сечение которой показано на рис.1.6.

Данная конструкция сверхпроводника создана во Всероссийском НИИ неорганических материалов и предназначена [20]:

для сверхпроводников на основе Nb3Sn, изготавливаемых по «бронзовой» технологии, для катушки – вставки в модель центрального соленоида ИТЭР;

сверхпроводников на основе сплава Nb–Ti, предназначенных для обмотки полоидального поля.

Как видно из рис. 1.6, композиционный сверхпроводник является структурно-неоднородным телом, изготовление которого относится к сфере современных нанотехнологий.

Первые работы по механике структурно-неоднородных тел выполнены в 20-х гг. XX в. В. Фойгтом и Э. Рейссом, которые развивали феноменологический подход. Особенность феноменологического подхода заключается в том, что механические свойства компонентов задают с помощью общепринятых в механике феноменологических уравнений, а макроскопические свойства композита определяются путем осреднения по элементарному микрообъему. Они предложили вычислять эффективные модули упругости и податливости микронеоднородных тел по правилу механического смешивания.

Дальнейшее развитие механика структурно-неоднородных тел получила в работах М. Берана, Е. Кренера, Дж. Сендецки, И.М. Лившица, Л.Л. Ландау, Р.Н. Розенцвейга, Р.И. Нигматуллина, А.Г. Залазинского, Ю.В. Соколкина, А.А. Ташкинова, Р. Иеха, Р. Хилла, Б. Розена и др.

Моделирование процессов пластического деформирования струк- турно-неоднородных тел развито в работах Е.И. Астрова, Г.Э. Аркулиса, Н.Н. Беклемишева, Г.А. Бричко, А.Г. Залазинского, С.И. Ковалева,

20

Соседние файлы в папке книги