CS232364B1 - Sposob výroby supravodičov z intořmetaliekej zlúčeniny NbgSn - Google Patents

Abstract

Ůčelom vynálezu je odstránil závislost parametrov diíúznych NbgSn supravodičov na kvalitě vstupnej podložky, zvýšil priemernú úroveň týchto parametrov a súčasne zjednoduší technologický proces výroby. Uvedeného účelu sa dosiahue disociačným žíháním povrchovo oxidovanéj podložky zo zliatiny niobu a zirkónia, počas ktorého dochádza k tepelnému rozkladu kysličníkov niobu, ale súčasne zostáva kyslík sústredený v povrchovej vrstvě podložky, kde sa vytvára vrstva nióbovej matrice presýtenej kyslíkem. Takto připravená podložka sa pokryje vrstvou oínu alebo zliatiny cínu a podrobí difúznemu žíhaniu.

Description

1 - 232 364

Vynález sa týká spósobu výroby supravodiča z intermetalic-kej zlúčeniny Nb^Sn, připravovaného metodou difúzie z kvapalnejfázy.

Známy spósob výroby Nb^Sn supravodiča je možné rozdělitna tri základné technologické operácie: příprava podložky z nio-bu alebo zliatiny niobu, pokovenie podložky cínom alebo zliati-nou cínu, difúzne žíhánie pokovenéj podložky· Výrazné zvýšeniekritických prúdov a kritických prúdových hustót, ktoré sa do-siahlo u komerčných Nb^Sn supravodičov připravených uvedenou ttechnologiou, bolo do značnéjmiery umožněné využitím poznatkovo vplyve častíc kysličníka zirkoničitého ZrOg, nachádzajúcichsa v niobovéj podložke, na tvorbu a vlastnosti vrstvy Nb^Sn.Částice ZrOg sa připravujú vnútornou oxidáciou podložky zo zlia-tiny niobu a zirkonia, pri jej difúznom nasýtení kyslíkom· Pod-mienkou je, aby chemický potenciál kyslíka umožňoval iba selek-tívnu oxidáciu, t*j· iba oxidáciu prvku zliatiny s vyššou afini-tou ku kyslíku· U zliatiny niobu a zirkonia má vyššiu afinituku kyslíku zirkonium, a preto sa za vhodných podmienok pri vnú-tornej oxidócii vytvórajú v matrici, ktorú tvoří tuhý roztokkyslíka v niobe, nekoherentné globulárne částice kysličníka zir-koničitého ZrOg· V praxi sa vnútorne oxidovaná podložka zo zlia-tiny niobu a zirkonia připravuje obvykle tak, že najprv sa vhod-ným spósobom /anodickou oxidáciou, zahriatím na vzduchu ap·/vytvoří na povrchu podložky vrstva kysličníkov, ktorá sa počasvnútornej oxidácie, t.j. žíhania v prostředí s parciálnym tla-kom kyslíka nižším ako disociačný tlak kysličníkov niobu vytvo-řených pri povrchovej oxidócii, rozkládá a uvolněný kyslík di-funduje do objemu podložky· Přitom dochádza k odstráneniu gra-dientu koncentrácie kyslíka v nióbovej matrici a ako výsledek - 2 - 232 384 chemickéj reakcie a difúzie vznikajú částice ZrOg· Takto při-pravená podložka sa potom prechodom cez kúpeT z roztaveného cí-nu alebo zliatiny cínu pokryje vrstvou tohoto kovu a podrobí di-fúznemu žíhaniu, počas ktorého sa na jej povrchu vytvára tenkávrstva Nb^Sn·

Uvedený spósob výroby Nb^Sn supravodiče má niekoTko základ-ných nedostatkoví

Vytvorenie častíc ZrOg a vniknutie kyslíka do iňterstieiál-nych polfih mriežky niobu spósobuje lokálně deformácie mriežkya vznik vnútorných pnutí, v ddsledku čoho sa úměrně s narasta-ním obsahu kyslíka v podložko zvyšuje jej pevnost a křehkost·Konkrétné podložka zo zliatiny niobu s 1,5 hmotnostným % zirkó-nia je pri obsahu kyslíka váčšom ako cca 0,3? hmotnostného %natoTko křehká, že nie je možné ju <3alej technologicky spraco-vat. Ke3že kritický prúd Nb^Sn supravodiče připraveného na vnú-torne oxidovanéj podložko vzrastá pri zvyšovaní obsahu kyslíkaaj nad túto kritickú hranicu, představuje uvedené krehnutie vý-razná překážku pri Salšom zvyšovaní parametrov supravodiča· Z potřeby dosiahnutia maximálněj hodnoty kritického prúdusupravodiča vyplývá požiadavka, aby sa obsah kyslíka v podložkočo najviac blížil k svojej kritickéj hodnoto, pri ktorej sa pod-ložka stává technologicky nespracovateTnou· VzhTadom na rdznuhrůbku, obsah zirkónia a rýchlost povrchovéj oxidácie podložiekz uvedenej požiadavky vyplývajú vysoké nároky na přesnost sta-novenia takých parametrov procesu povrchovéj oxidácie, ktoré za-ručuj ú optimálny obsah kyslíka v podložko, čo značné komplikujetento proces·

Tvorba zlúčeniny Nb^Sn počas difúzneho žíhania je výsled-kom komplexu procesov, v rámci ktorých hrajú hlavně v počiatoč-nom štádiu významná úlohu procesy rozpúštaco-usadzovacie. Pretomá na kinetiku tvorby Nb^Sn závažný vplyv hrúbka vrstvy cínualebo zliatiny cínu, nachádzajúca sa na povrchu podložky předdifúznym žíháním· Rovnoměrná hrúbka tejto vrstvy po celej plochépodložky je přitom nutnou podmienkou pre dosiahnutie homogénnychvlastností supravodiče· So splněním tejto podmienky sú však spo-jené značné problémy.

Difúzia cínu a nukleácia fázy Nb^Sn sú procesy citlivé naštruktúru podložky a příměsi rdznych prvkov v podložko· Už malérozdiely v Štruktúre a obsahu příměsí v podložkách majú za nás- - 3 - 232 384 ledok výrazné rozdiely v kritických prúdoch supravodičov. D6s-ledkom toho je nízká reprodukovateTnost parametrov Nb^Sn supra-vodičov vyrobených v prevádzkových podmienkach aj na podložkáchod jedného výrobců a rovnako deklarovaných.

Uvedené nevýhody v podstatnej miere odstraňuje navrhovanýspósob výroby Nb^Sn supravodičov, ktorý umožňuje zjednodušitvýrobu a zvýšit reprodukovateTnost parametrov supravodičov. Pod-stata vynálezu spočívá v tom, že podložka sa po povrchovej oxi-dácii podrobí disociačnému žíhaniu vo vékuu alebo inertnej at-mosféře , počas ktorého dochédza k tepelnej disociácii kysliční-kov niobu, ale súčasne sa zachovává gradient kyslíka v podložke.V ddsledku toho sa na povrchu podložky vytvoří vrstva niobovejmatrice presýtenej kyslíkom, v ktorej sa nachédzajú častíceeuboxidu niobu a kysličníka zirkoničitého. Tým sa na dosiahnu-tie vysokých kritických parametrov Nb^Sn supravodiča využívánielen vplyv kyslíka na zirkonium a produkt ich vzéjomnej reak-cie, ako při vnútornej oxidácii podložky, ale sa využívá ajvplyv kyslíka na nióbovú matricu. Při správné zvolených parametroch procesu disociačného Ží-hania sa na povrchu podložky vytvoří vrstva, ktoré má výraznépozitivny vplyv na tvorbu a vlastnosti Nb^Sn a umožňuje:

Dosahovat vysoké hodnoty kritického prúdu Nb^Sn supravodi-čov bez zhoršenia mechanických vlastností podložky, lebo kyslíkje sústredený prakticky iba v povrchovej vrstvě a vnútorné vrs-tvy podložky, kde nedochádza k tvorbě Nb^Sn, obsahujú málo kys-líka a zachovávajú si dobré mechanické vlastnosti.

Zjednodušit proces povrchovej oxidácie, lebo v ddsledkusústredenia kyslíka v povrchovej vrstvě podložky nie je pri vý-běre parametrov procesu povrchovej oxidácie potřebné brat do ú-vahy geometriu podložky a v dósledku vysokého stupňa presýteniatejto vrstvy kyslíkom aj relativné veTké změny v obsahu kyslíkamajú iba malý vplyv na hodnotu kritického prúdu supravodiča.

Regulovat hrůbku vrstvy cínu alebo zliatiny cínu pri poko-vovaní podložky, lebo změnou parametrov procesu disociačnéhožíhania je možné měnit stupeň disociácie povrchovej kysličníko-vej vrstvy a tým silné ovplvvňovat zmáčavost povrchu podložkykupeTom.

Dosahovat homogénnejšie parametre vyrábaných Nb^Sn supra-vodičov, lebo presýtenie povrchovej vrstvy podložky kyslíkomv značnej miere nivelizuje diferencie v štruktúre a obsahu prí- - 4 - 232 384 mesí medzi jednotlivými častami podložky alebo podložkami. ffalšou významnou výhodou navrhovaného spdsobu výroby Nb^Sn supravodičov je, že v ddsledku vysokéj rýchlosti disociácie kys-ličníkov niobu pri teplotách vyšších ako 700*0 umožňuje spojitdo jednej technologickéj operácie disociačné žíhanie a pokovenie,čo značné zefektivňuje a zjednodušuje celý technologický procesvýroby.

Vrstva Nb^Sn, ktorá sa vytvářa počas difúzneho žíhania napodložke s povrchovou vrstvou presýtenou kyslíkom, je zloženáz rovnoosých globulérnych zrn o priemere 0,2 až 0,3 jum, jej kri-tický prúd sa vyznačuje len slabou anizotropiou a kritická prú-dová hustota dosahuje hodnoty až 2.10 A.m v magnetickom po-li B » 5 T kolaom na rovinu vzorky a pri teplote 4>2 K. Příklad 1

Podložka zo zliatiny niobu s 1,5 hmotnostným % zirkoniav tvare pásky ‘Širokéj 10 mm, ktorej obsah kyslíka sa po povrcho-vé j oxidácii zvýšil o 0,34 hmotnostného %, bola podrobené diso-ciačnému žíhaniu vo vákuu 5.10~^ Pa pri teplote Tg = 900’C podobu tg * 4 minúty. Vo vákuu 5.10”4 p© ©© podložka pokovilaprechodom cez kúpeT zo zliatiny cínu s 26 hmotnostnými % médipri teplote T^ * 700*0 po dobu tp = 40 8 a difúzne žíhala priteplote T^ * 900’C po dobu tg » 11 minút. Po takomto spracovanídosiahol kritický prúd supravodiče hodnotu 941 A v kolmom mag-netickom poli B = 5 T pri teplote 4,2 K. Příklad 2

Podložka zo zliatiny niobu a 1,5 hmotnostným % zirkoniav tvare pásky širokej 10 mm bola podrobené povrchovej oxidáciizahriatím na vzduchu, po ktorej bolo zistené zvýšenie obsahukyslíka o 0,34 hmotnostného %. Disociačné žíhanie a pokoveniesa uskutočnilo v jednej technologickéj operécii, realizovanéjvo vákuu 5.10**^ Pa s použitím kúpeTa zo zliatiny cínu s 26 hmot-nostnými % médi pri teplote T« 5 T_ - 900°C po dobu to=t = 40 s,po ktorej následovalo difúzne žíhanie při teplote Tg 880’C podobu tg = 11 minút. Z takto připravenéj 58 m dlhej supravodivéjpásky boli vybrané vzorky zo začiatku a z konca, u ktorých bolzistený kritický prúd 1 146 A a 915 A v kolmom magnetickom poliB = 5 T pri 4,2 K. - 5 - Příklad 3 232 384

Niobová páska legované 1,5 hmotnostním % zirkónia a širo-ká 10 mm mala po povrchovej oxidácii zahriatím na vzduchu ob-sah kyslíka zvýšený o 0,27 hmotnostného %. Vo vákuu 5.10”^ Pasa v jednej operácii realizovalo disociačné žíhanie i pokove-nie a použitím kúpel’a zo zliatihy cínu s 26 hmotnostnými % médipři teplote T2 5 * 900*0 po dobu t^ Ξ ť = 40 s, po ktorej nesledovalo difúzne žíhanie pri teplote Tg = 880*C po dobu « tg = 11 minút. Supravodivá páska dlhá 74 m mala na začiatkukritický prúd 1 040 A a na konci 1 080 A v kolmom magnetickom * poli B =5T při 4j2 K.

Uvedený spósob výroby Nb^Sn supravodičov je možné využitaj na přípravu supravodičov iných tvarov ako je páska, pričomvysoké parametre takto vyrobených supravodičov umožňujú použitich hlavně na konštrukciu supravodivých solenoidov a vysokýmimagnetickými poTami.

Claims (2)

1. 6 232 364 PREDMET VYNÁLEZU

   1. Spdsob výroby supravodičov z intermetalickej zlúčeninyNb^Sn, připravovaných metodou difúzie z kvapalnej fázy, spočívá·júci v povrchovej oxidácii podložky zo zliatiny niobu a zirkó-nia, pokovení podložky cínom alebo zliatinou cínu a jej nésled-nom difúznom žíhaní vyznačujúci ša tým, že povrchovo oxidovanápodložka s obsahom kyslíka 0,2 až 0,45 hmotnostného % sa podro-bí disociačnému žíhaniu pri teplote 700 až 1 000*0 po dobu *2 —4- 10 až 600 s vo vókuu 10 až 30 Pa alebo v prostředí s par-ciálnym tlakom kyslíka nižším ako je disociačný tlak kysliční-kov niobu vytvořených na podložke počas povrchovej oxidácie.
2. 2. SpSsob výroby supravodičov z intermetalickej zlúčeninyNb^Sn podl’a bodu 1 vyznačujúci sa tým, že povrchovo oxidovanápodložka s obsahom kyslíka 0,2 až 0,45 hmotnostného % sa v jed-nej technologickéj operácii podrobí disociačnému žíhaniu i po-koveniu prechodom cez kúpel’ z roztaveného cínu alebo zliatinycínu pri teplote 700 až 950“C po dobu 10 až 120 s. X' Vytiskly Moravské tiskařské závody,provoz 12, Leninova 21, Olomouc Cena: 2,40 Kčs