КОМПОЗИТНАЯ СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ ЛЕНТА НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЯ NbSn Российский патент 2011 года по МПК H01L39/12 B82B1/00 

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.

Сверхпроводящие соединения Nb₃X, где X выбран из группы металлов, состоящей из Al, Sn и Ge, например, Nb₃Sn, Nb₃Ge, Nb₃Al, 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.

Однако все соединения Nb₃X, в отличие от NbTi, обладают крайне высокой твердостью и хрупкостью, и поэтому не могут обрабатываться с помощью пластической деформации.

Известны проводники на основе интерметаллидов Nb₃Sn, Nb₃Al, Nb₃Al_0,8Ge_0,2 (WO/2005/088651, МКИ Н01В 1/02, опуб. 22.09.2005; WO 2003/058727, МКИ H01L 39/14, опуб. 17.07.2003; US 6508889, МКИ Н01В 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.

Известна проволока (прототип) для Nb₃X 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, Н01В 12/00, опубл. 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.

Согласно изобретению композитная сверхпроводящая лента на основе соединения Nb₃Sn 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 Nb₃Sn и сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn таким образом, чтобы слоями, прилежащими к медной оболочке, были слои многослойных пачек.

В настоящем изобретении под термином многослойные пачки из наноструктурных слоев Nb₃Sn и сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn понимается структура, состоящая из чередующихся слоев соединения Nb₃Sn 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:(3-6):(10-25).

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.

Кроме того, наружные слои меди в предлагаемом плоском проводнике при термической обработке, в результате которой образуется соединение Nb₃Sn, остаются незагрязненными оловом, и поэтому ее теплопроводность остается высокой и электрическое сопротивление низким, что положительно сказывается на стабилизирующих свойствах.

На Фиг.1 приведена конструкция 5-слойной композитной сверхпроводящей ленты на основе соединения Nb₃Sn.

На Фиг.2 приведена конструкция 7-и слойной композитной сверхпроводящей ленты на основе соединения Nb₃Sn.

Композитная сверхпроводящая лента согласно изобретению состоит из слоев 1, образованных медной оболочкой, прилежащих к ней многослойных пачек 2, из наноструктурных слоев Nb₃Sn и сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% и расположенного между ними слоя 3 сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn (Фиг.1) или трех многослойных пачек наноструктурных слоев Nb₃Sn и сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% с расположенным между ними двух слоев сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn 3 (Фиг.2).

Приведенные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемое изобретение.

Пример 1.

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°С в течение 40 минут и затем прокатке на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом при 850°С за два прохода с обжатием 25-30% за один проход и далее прокатывался при комнатной температуре до ленты толщиной 0,3 мм.

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°С в течение 40 минут и затем прокатке на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом при 850°С за два прохода с обжатием 25-30% за один проход и далее прокатывался при комнатной температуре до ленты толщиной 0,1 мм.

3-й этап. Пакет собирался согласно следующей конструкции Фиг1: (5 отрезков Nb/Cu-ленты, после 2-го этапа толщиной 0,1 мм) / (одна полоса из бронзы (сплава меди с 12 мас.% олова) толщиной 2,2 мм) / (5 отрезков Nb/Cu-ленты после 2-го этапа толщиной 0,1 мм) и затем оборачивался одним слоем листовой отожженной медной фольги толщиной 0,1 мм. Объемные содержания бронзы и ниобия в заготовке подбирались таким образом, чтобы удовлетворять отношению t_NbN_Nb/t_CuSnN_CuSn=0,150-0,300, где t_Nb и t_CuSn - толщины слоев ниобия и бронзы, N_Nb и N_CuSn - количество слоев ниобия и бронзы соответственно. При выполнении этого соотношения максимальное количество олова из бронзы и весь ниобий будут израсходованы на образование сверхпроводящего соединения Nb₃Sn.

Перед сборкой пластина из бронзы отжигалась при 700-750°С в течение 1 ч. Затем пакет сваривался путем прокатки на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом при 750-800°С 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.

После 3-го этапа расчетные толщины слоев ниобия и бронзы равны соответственно 9,7 нм и 194,7 мкм, количество слоев ниобия и бронзы - 4650 и 1 соответственно. Тогда отношение t_NbN_Nt/t_CuSnN_CuSn равно 0,232. Это достаточно близко к теоретическому значению отношения (0,288), но с некоторым избытком олова по отношению к его расчетному количеству.

В результате был получен композит, состоящий из размещенных между наружными медными слоями двух многослойных пачек, представляющих собой чередующиеся наноразмерные слои Nb₃Sn и сплава Cu-(0,5-1,5 wt % Sn) и расположенного между ними слоя из сплава Cu-(0,5-1,5 мас.% Sn) (Фиг.1). Расчетные толщины слоя сплава Cu-(0,5-1,5 wt % Sn) равнялась 194,7 мкм, многослойных пачек - 44,3 мкм, наружных слоев меди - 8,8 мкм. Соотношение толщин меди, многослойных пачек и сплава Cu-(0,5-1,5 мас.% Sn) составило 1:5:22. По данным растровой электронной микроскопии расчетные толщины слоев удовлетворительно совпадали с измеренными усредненными толщинами слоев.

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 пинкинг на межслойной поверхности) и перпендикулярно плоскости наноламината и транспортному току (в этом случае пиннинг на межслойной поверхности отсутствует). Критическую плотность тока определяли отношением общего транспортного тока к площади поперечного сечения, занимаемой многослойными слоями, в составе которых находились наноразмерные слои соединения Nb₃Sn.

Критическая плотность тока полученного композита составляет 62000 А/см² в магнитном поле 6 Тесла.

Пример 2.

На первом этапе собирался пакет из 14 Cu- и 15 Nb-фольг толщиной 0,3 и 0,3 мм соответственно, таким образом, что наружными фольгами были фольги из ниобия, пакеты после сборки оборачивались одним слоем отожженной медной фольги толщиной 0,3 мм, а затем подвергались прокатке на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом при 850°С за два прохода с обжатием 25-30% за один проход и далее прокатывался при комнатной температуре до ленты толщиной 0,3 мм.

2-й этап. Пакет собирался из 31 фольги после 1-го этапа толщиной 0,3 мм. И после сборки оборачивался одним слоем отожженной медной фольги толщиной 0,1 мм. Затем пакет подвергался той же обработке, что и на первом этапе.

3-й этап. Пакет собирался согласно следующей конструкции: (5 отрезкоз Nb/Cu-ленты, после 2-го этапа толщиной 0,1 мм) / [одна полоса из бронзы (сплава меди с 12 мас.% олова) толщиной 2,2 мм] / (5 отрезков Nb/Cu-ленты после 2-го этапа толщиной 0,1 мм) и затем оборачивался одним слоем листовой отожженной медной фольги толщиной 0,1 мм. Объемные содержания бронзы и ниобия в заготовке подбирались таким образом, чтобы удовлетворять отношению t_NbN_Nb/t_CuSnN_CuSn=0,150-0,300, где t_Nb и t_CuSn - толщины слоев ниобия и бронзы, N_Nb и N_CuSn - количество слоев ниобия и бронзы соответственно. При выполнении этого соотношения максимальное количество олова из бронзы и весь ниобий будут израсходованы на образование сверхпроводящего соединения Nb₃Sn.

Перед сборкой пластина из бронзы отжигалась при 700-750°С в течение 1 ч. Затем пакет сваривался путем прокатки на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом при 750-800°С за два прохода с обжатием 30-35% за один проход и далее прокатывался при комнатной температуре до ленты толщиной 0,3 мм.

После 3-го этапа расчетные толщины слоев ниобия и бронзы равны соответственно 9,7 нм и 194,7 мкм, количество слоев ниобия и бронзы - 4650 и 1 соответственно. Тогда отношение t_NbN_Nb/t_CuSnN_CuSn равно 0,232. Это достаточно близко к теоретическому значению отношения (0,288), но с некоторым избытком олова по отношению к его расчетному количеству.

В результате был получен композит, состоящий из размещенных между наружными медными слоями двух многослойных пачек, представляющих собой чередующиеся наноразмерные слои Nb₃Sn и сплава Cu-(0,5-1,5 wt % Sn) и расположенного между ними слоя из сплава Cu-(0,5-1,5 мас.% Sn). Расчетные толщины слоя сплава Cu-(0,5-1,5 wt % Sn) равнялась 194,7 мкм, многослойных пачек - 44,3 мкм, наружных слоев меди - 8,8 мкм. Соотношение толщин меди, многослойных пачек и сплава Cu-(0,5-1,5 мас.% Sn) составило 1:5:22. По данным растровой электронной микроскопии расчетные толщины слоев удовлетворительно совпадали с измеренными усредненными толщинами слоев.

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) и перпендикулярно плоскости наноламината и транспортному току (в этом случае пиннинг на межслойной поверхности отсутствует). Критическую плотность тока определяли отношением общего транспортного тока к площади поперечного сечения, занимаемой многослойными слоями, в составе которых находились наноразмерные слои соединения Nb₃Sn.

Критическая плотность тока полученного композита составляет 62000 А/см² в магнитном поле 6 Тесла.

Пример 3.

То же, что в примере 1, только пакет собирался согласно следующей конструкции: (4 отрезков Nb/Cu-ленты после 2-го этапа толщиной 0,1 мм) / (одна полоса из бронзы толщиной 1,1 мм) / (4 отрезков Nb/Cu-ленты после 2-го этапа толщиной 0,1 мм) / (одна полоса из бронзы толщиной 1,1 мм) / (4 отрезков Nb/Cu-ленты после 2-го этапа толщиной 0,1 мм) и затем оборачивался одним слоем листовой отожженной медной фольги толщиной 0,1 мм.

После 3-го этапа расчетные толщины слоев ниобия и бронзы равны соответственно 9,2 нм и 91,7 мкм, количество слоев ниобия и бронзы - 5580 и 3 соответственно. Тогда отношение t_NbN_Nb/t_CuSnN_CuSn равно 0,176. Это означает, что в композите содержится избыток олова, по отношению к его расчетному количеству.

В результате был получен композит (Фиг.2), состоящий из размещенных между наружными медными слоями трех пачек чередующихся наноразмерных слоев Nb₃Sn и сплава Cu-(0,5-1,5 мас.% Sn) и расположенных между ними двух слоев сплава Cu-(0,5-1,5 wt % Sn). Расчетные толщины слоев сплава Cu-(0,5-1,5 wt % Sn) равнялась 91,7 мкм, многослойных пачек - 33,3 мкм, наружных слоев меди - 8,3 мкм. Соотношение толщин меди, многослойных пачек и сплава Cu-(0,5-1,5 мас.% Sn) составило 1:4:11.

Критическая плотность тока полученного композита составляет 41000 А/см² в магнитном поле 6 Тесла.

Как видно из приведенных примеров, предлагаемое изобретение позволяет получить композитную сверхпроводящую ленту на основе соединения Nb₃Sn с высокой критической плотностью тока, способную нести большой суммарный ток и одновременно обладающую повышенными стабилизирующими свойствами.

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. Сущность изобретения: композитная сверхпроводящая лента на основе соединения Nb₃Sn 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 Nb₃Sn и сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn таким образом, чтобы слоями, прилежащими к медной оболочке, были слои многослойных пачек. Изобретение обеспечивает увеличение критической плотности тока проводника и улучшенную степень стабилизации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Композитная сверхпроводящая лента на основе соединения Nb₃Sn, состоящая 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 Nb₃Sn и сплава Cu-(0,5-1,5) мас.% Sn таким образом, чтобы слоями, прилежащими к медной оболочке, были многослойные пачки из наноструктурных слоев.

2. Композитная сверхпроводящая лента по п.1, отличающаяся тем, что для улучшения стабилизирующих свойств ленты соотношение толщин слоев медной оболочки, многослойных пачек и сплава составляет 1:(3-6):(10-25).