RU170080U1 - Сверхпроводящий композиционный провод на основе диборида магния - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники при создании длинномерных композиционных проводов на основе сверхпроводящих соединений, предназначенных для изготовления электротехнических изделий.Сверхпроводящий композиционный провод на основе диборида магния, выполненный из многоволоконной заготовки путем размещения в металлическом чехле сердечника из проводящего металла и множества сверхпроводящих волокон, где каждое волокно имеет сердцевину из диборида магния, размещенную в металлической оболочке, множество волокон расположено вокруг сердечника из проводящего металла, причем множество сверхпроводящих волокон расположено по направлению от центра к периферии последовательными коаксиальными слоями, каждый из которых размещен в матрице из высоко электро- и теплопроводного материала.Техническим результатом является обеспечение стабильности и высокой токонесущей способности сверхпроводящего длинномерного композиционного провода на основе диборида магния.

Description

Полезная модель относится к области электротехники при создании длинномерных композиционных проводов на основе сверхпроводящих соединений, предназначенных для изготовления электротехнических изделий.

Известны многоволоконные композиционные сверхпроводящие провода на основе диборида магния, полученные путем заполнения металлической оболочки из высокочистого железа порошком диборида магния, деформации полученной заготовки до необходимого размера, сборки полученных прутков в металлическом чехле из железа, запайки концов с помощью медных цилиндров и резьбовых крышек из малоуглеродистой стали и последующим волочении до конечного размера [Μ.Н. Hancock, N. Bay. Effect on Deformation Process of Adding a Copper Core to Multifilament MgB2 Superconducting Wire, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 17, NO. 2, JUNE 2007]. В результате получают 19-волоконные сверхпроводящие провода, где моноволоконные прутки расположены коаксиальными слоями, начиная от центра сборки.

Недостатком такого расположения моноволоконных прутков является отсутствие в конструкции высоко электро- и теплопроводного материала, что может привести к нестабильному поведению проводника в магнитном поле, возможности перехода всего проводника в нормальное состояние.

Во втором случае сборка формируется путем расположения 8- моноволоконных прутков вокруг медного сердечника в один слой. Наличие центрального медного сердечника является благоприятным фактором, который приводит к более стабильному поведению проводника в магнитном поле при криогенных температурах. Однако наличие одного медного сердечника в качестве внутренней стабилизации будет недостаточным при работе многоволоконных сверхпроводников в магнитных полях выше 1 Тл при температуре более 5 К и может привести к переходу сверхпроводника в нормальное состояние.

Также недостатком указанных конструкций является наличие в проводниках в качестве материала чехла и оболочки высокочистого железа, поскольку при температуре синтеза бор из порошковой сердцевины будет реагировать с железом с образованием соединений, что приводит к наличию балластных фаз и препятствует повышению токонесущей способности многоволоконного композиционного сверхпроводящего провода.

Известен сверхпроводник на основе диборида магния [патент WO 03/035575 А1, опубл. 2003 г.], полученный путем изготовления цилиндрической моноволоконной заготовки, которую получают путем деформирования металлической оболочки, внутри которой заранее размещено соединение - диборид магния или элементы его прекурсора, прокатки провода, а затем термообработки в диапазоне температур от 800 до 870°С. Для получения многоволоконной заготовки формируют сборку из множества круглых проводов, представляющих собой мерные части моноволоконного прутка, изготовленных путем волочения; располагают полученную сборку в металлическом чехле; затем проводят волочение для получения многоволоконного провода до конечного размера. Материалом металлической трубы и чехла является железо, никель, медь или сплавы на их основе.

К недостаткам указанной конструкции сверхпроводника относится использование в качестве материала оболочки меди, поскольку медь реагирует с магнием, как элементом прекурсора, что снижает количество сверхпроводящей фазы и может привести к снижению токонесущей способности сверхпроводника. Железо также может реагировать с бором, что снижает количество этого элемента в реакции синтеза диборида магния и может привести к снижению токонесущей способности проводника. Кроме этого, данный тип конструкции не содержит высоко электро- и теплопроводного материала, что делает полученные провода не стабильными в магнитном поле выше 1 Тл и затрудняет их использование в электротехнических устройствах.

Наиболее близким является сверхпроводящий композиционный провод (AU 2012201062, опубл. 2012 г.) со сверхпроводящей фазой диборида магния, состоящий из сердечника из проводящего металла, множества волокон, где каждое волокно имеет сердцевину из диборида магния, множество волокон расположено вокруг сердечника из проводящего металла внутри внешней металлической оболочки, окружающей множество волокон, причем внешняя металлическая оболочка обеспечивает внешнюю защиту и механическое упрочнение, и как минимум один слой металла, используемый как покрытие сердцевины из проводящего металла и/или каждого из множества волокон, и как минимум один слой металла, химически совместимый с диборидом магния, и как минимум один слой металла, являющегося препятствием для диффузии из сердцевины проводящего материала по направлению к множеству волокон.

К недостаткам указанной конструкции сверхпроводника относится отсутствие достаточного количества проводящего металла, например матрицы, вокруг каждого из множества сверхпроводящих волокон. Наличие сердечника из проводящего металла в качестве внутренней стабилизации композиционного провода не является достаточным для обеспечения его стабильной работы в магнитных полях выше 1 Тл при температуре более 5 К, поскольку не позволяет своевременно отводить тепло от тех сверхпроводящих волокон, которые не граничат с проводящим металлом сердечника.

Технической проблемой является получение длинномерного стабилизированного композиционного провода на основе диборида магния с высокой токонесущей способностью, работающего в магнитных полях выше 1 Тл при температуре более 5 К.

Техническим результатом является обеспечение стабильности и высокой токонесущей способности сверхпроводящего длинномерного композиционного провода на основе диборида магния.

Технический результат достигается в сверхпроводящем композиционном проводе на основе диборида магния, выполненном из многоволоконной заготовки путем размещения в металлическом чехле сердечника из проводящего металла и множества сверхпроводящих волокон, расположенных вокруг него, где каждое волокно имеет сердцевину из диборида магния, размещенную в металлической оболочке, причем множество сверхпроводящих волокон расположено по направлению от центра к периферии последовательными коаксиальными слоями, каждый из которых размещен в матрице из высоко электро- и теплопроводного материала.

В частном варианте исполнения используют металлическую оболочку из биметаллической трубы, наружный слой которой выполнен из меди или сплава на основе меди, а внутренний слой выполнен из ниобия или сплава на основе ниобия.

В частном варианте исполнения используют металлическую оболочку из материала, обладающего высоким сродством к кислороду, например из высокочистого титана или сплава на основе титана.

В частном варианте исполнения используют металлическую оболочку из биметаллической трубы, наружный слой которой выполнен из высоко электро- и теплопроводного материала, а внутренний слой выполнен из материала, обладающего высоким сродством к кислороду, например высокочистого титана или сплава на основе титана.

В частном варианте исполнения сердечник выполнен из прутков высоко электро- и теплопроводного материала одного размера.

В частном варианте исполнения матрица выполнена из прутков высоко электро- и теплопроводного материала одного размера.

В частном варианте исполнения в качестве материала металлического чехла используют упрочненный сплав на основе меди, или нанокомпозиционный сплав меди с содержанием ниобия до 20%, или никель, или железо, или сплав меди с никелем, или биметаллический материал, наружный слой которого выполнен из высоко электро- и теплопроводного материала.

Таким образом, применение в конструкции сверхпроводящего провода сердечника и матрицы из высоко электро- и теплопроводного материала позволяет своевременно отводить тепло, которое возникает при протекании тока, от сверхпроводящих волокон. Это значительно снижает вероятность перегрева провода в целом и минимизирует вероятность перехода его в несверхпроводящее состояние при рабочих условиях и повышает стабильность его работы.

Использование для изготовления матрицы и сердечника высоко электро- и теплопроводных материалов, таких как алюминий, медь, серебро, золото и сплавы на их основе, обусловлено их высокими электрофизическими характеристиками, такими как электропроводность и теплопроводность (Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, A.M. Братковский и др. / Под ред. И.С. Григорьева. - М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 340-344, таблица «Теплопроводность простейших химических веществ»).

Использование в качестве материала металлической оболочки металла или сплава, обладающего высоким сродством к кислороду, позволяет снизить количество в сверхпроводящей сердцевине балластных примесных несверхпроводящих соединений, таких как оксид магния, что приводит к повышению количества и качества образовавшегося сверхпроводящего диборида магния и способствует увеличению токонесущей способности провода.

Использование в качестве материала металлического чехла упрочненного сплава на основе меди, или нанокомпозиционного сплава медь-ниобий с содержанием ниобия до 20%, или никеля, или сплава медь-никель, или биметаллического материала, наружный слой которого выполнен из высоко электро- и теплопроводный материала и позволяет обеспечить удовлетворительные механические свойства композиционного материала, что способствует устойчивому деформированию многоволоконной заготовки и получению неизменной геометрии поперечного сечения провода по длине.

Кроме этого, при деформировании многоволоконной композиционной заготовки путем волочения максимальные растягивающие напряжения сосредоточены в ее центре. Если в центре заготовки находится элемент, содержащий порошок, возрастает вероятность обрывности такого элемента, что приводит к разрыву всего проводника. Наличие в центре высоко электро- и теплопроводного материала, например меди, снижает вероятность обрывности проводника и способствует получению длинномерного провода на основе диборида магния.

При деформировании многоволоконной заготовки, состоящей из сверхпроводящих волокон, может произойти искажение геометрии поперечного сечения, обрывность металлической оболочки отдельных сверхпроводящих волокон, увеличение или уменьшение их размера в процессе деформации. При этом искажение формы отдельного сверхпроводящего волокна приводит к искажению формы другого сверхпроводящего волокна, накопление таких нарушений по всем сверхпроводящим волокнам может привести к обрывности единичных волокон и последующей обрывности группы сверхпроводящих волокон и провода в целом. Расположение сверхпроводящих волокон в матрице позволяет предотвратить искажение их формы в готовом проводнике, препятствует передаче деформации и искажения от сверхпроводящих волокон одного коаксиального слоя к сверхпроводящим волокнам последующих коаксиальных слоев, что способствует более устойчивому протеканию деформации и ведет к получению длинномерного провода с высокой токонесущей способностью.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом.

На чертеже представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки, собранной для изготовления длинномерного сверхпроводящего композиционного провода на основе диборида магния. В центре собранной заготовки (см. чертеж) размещают сердечник 1 из высоко электро- и теплопроводного материала, вокруг которого коаксиальными слоями располагают сверхпроводящие волокна 2, где каждое волокно имеет сердцевину 3, окруженную металлической оболочкой 4, в матрице 5 из высоко электро- и теплопроводного материала. Затем сформированную сборку размещают в металлическом чехле 6.

Технология изготовления сверхпроводника по заявляемому способу включает следующие основные этапы:

1. Формирование моноволоконной заготовки.

2. Деформирование моноволоконной заготовки до прутка требуемого размера.

3. Резка полученного прутка на мерные части - сверхпроводящие волокна.

4. Формирование многоволоконной заготовки.

5. Деформирование полученной заготовки до необходимого размера.

6. Проведения отжига провода для образования сверхпроводящего соединения.

Пример. Порошки магния и аморфного бора смешивают до образования однородной шихты. Полученную смесь порошков размещают в металлической оболочке, в качестве которой используют металлическую трубу из высокочистого титана длиной 300 мм, внешним диаметром 18 мм, с толщиной стенки 1,4 мм. Полученную моноволоконную заготовку с порошковой смесью деформируют волочением с промежуточными отжигами при температурах (500-550)°С вплоть до размера «под ключ» 3,1 мм.

Из прутков с размером «под ключ» 3,1 мм, полученных после волочения, но до их термообработки, изготавливали многоволоконные провода. При этом полученные прутки разрезают на мерные части - сверхпроводящие волокна, и формируют многоволоконную композиционную заготовку путем помещения 18 сверхпроводящих волокон вокруг медного сердечника, затем набирают матрицу из 24 медных прутков с размером «под ключ» 3,1 мм, следующий коаксиальный слой формируют из 30 сверхпроводящих волокон, затем размещают медный матричный материал. Полученную многоволоконную сборку помещают в медный чехол длиной 400 мм с внутренним диаметром 45 мм, а внешним диаметром 56 мм. После проводят деформирование полученной многоволоконной заготовки путем волочения до диаметра 1 мм. Длина полученного сверхпроводящего провода составила более 1000 м. Отжиг полученного многоволоконного композиционного провода проводили в среде высокочистого аргона при температуре 600°С в течение 20 ч. Затем проводили измерения критического тока на образцах полученных многоволоконных проводов.

Определение величины критического тока полученных проводов проводили стандартным четырехконтактным методом в собственном поле. Критический ток определяли из вольт-амперных характеристик на уровне напряжений Е=1 мкВ/см. Плотность критического тока рассчитывают как отношение величины критического тока к площади поперечного сечения сверхпроводящей сердцевины. На всех полученных проводах плотность критического тока составила не менее 6,5⋅10⁶ А/см².

Таким образом, полученный длинномерный стабилизированный композиционный провод на основе диборида магния обладает высокой токонесущей способностью.

Claims (8)

1. Сверхпроводящий композиционный провод на основе диборида магния, выполненный из многоволоконной заготовки путем размещения в металлическом чехле сердечника из проводящего металла и множества сверхпроводящих волокон, расположенных вокруг него, где каждое волокно имеет сердцевину из диборида магния, размещенную в металлической оболочке, отличающийся тем, что множество сверхпроводящих волокон расположено по направлению от центра к периферии последовательными коаксиальными слоями, каждый из которых размещен в матрице из высоко электро- и теплопроводного материала.

2. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что в нем используют металлическую оболочку из биметаллической трубы, наружный слой которой выполнен из меди или сплава на основе меди, а внутренний слой выполнен из ниобия или сплава на основе ниобия.

3. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что в нем используют металлическую оболочку из материала, обладающего высоким сродством к кислороду, например из высокочистого титана или сплава на основе титана.

4. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что в нем используют металлическую оболочку из биметаллической трубы, наружный слой которой выполнен из высоко электро- и теплопроводного материала, а внутренний слой выполнен из материала, обладающего высоким сродством к кислороду, например высокочистого титана или сплава на основе титана.

5. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что сердечник выполнен из прутков высоко электро- и теплопроводного материала одного размера.

6. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что матрица выполнена из прутков высоко электро- и теплопроводного материала одного размера.

7. Сверхпроводящий композиционный провод п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала металлического чехла используют упрочненный сплав на основе меди, или нанокомпозиционный сплав меди с содержанием ниобия до 20%, или никель, или железо, или сплав меди с никелем, или биметаллический материал, наружный слой которого выполнен из высоко электро- и теплопроводного материала.

8. Сверхпроводящий композиционный провод по любому из пп. 1, 4, 5, 6, 7, отличающийся тем, что в качестве высоко электро- и теплопроводного материала используют алюминий, медь, серебро, золото или сплавы на их основе.

Images