RU2522901C2 - СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ Nb3Sn - Google Patents
СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ Nb3Sn Download PDFInfo
- Publication number
- RU2522901C2 RU2522901C2 RU2012149055/07A RU2012149055A RU2522901C2 RU 2522901 C2 RU2522901 C2 RU 2522901C2 RU 2012149055/07 A RU2012149055/07 A RU 2012149055/07A RU 2012149055 A RU2012149055 A RU 2012149055A RU 2522901 C2 RU2522901 C2 RU 2522901C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- copper
- diffusion barrier
- wire
- superconducting
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
Landscapes
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Abstract
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. 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. Для решения поставленной технической 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. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
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.
Claims (2)
1. Сверхпроводящий провод на основе Nb3Sn, включающий 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.
2. Сверхпроводящий провод по п.1, отличающийся тем, что 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012149055/07A RU2522901C2 (ru) | 2012-11-20 | 2012-11-20 | СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ Nb3Sn |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012149055/07A RU2522901C2 (ru) | 2012-11-20 | 2012-11-20 | СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ Nb3Sn |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012149055A RU2012149055A (ru) | 2014-05-27 |
RU2522901C2 true RU2522901C2 (ru) | 2014-07-20 |
Family
ID=50775031
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012149055/07A RU2522901C2 (ru) | 2012-11-20 | 2012-11-20 | СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ Nb3Sn |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2522901C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020005089A1 (ru) * | 2018-06-25 | 2020-01-02 | Акционерное Общество "Твэл" | СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ Nb3Sn |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2031463C1 (ru) * | 1990-11-27 | 1995-03-20 | Институт машиноведения Уральского отделения РАН | Способ изготовления сверхпроводящей жилы |
RU2076363C1 (ru) * | 1995-01-12 | 1997-03-27 | Государственный научный центр РФ Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им.акад.А.А.Бочвара | Способ получения многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения nb*003sn |
US6103976A (en) * | 1995-07-19 | 2000-08-15 | Yoshinogawa Electric Wire & Cable Co., Ltd. | Wire and cable for use in robot |
US7514634B2 (en) * | 2004-07-23 | 2009-04-07 | Bruker Eas Gmbh | Reinforced superconductor element |
EP2099080A1 (en) * | 2008-03-03 | 2009-09-09 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel, Ltd.) | Nb3Sn superconducting wire manufactured by internal Sn process and precursor for manufacturing the same |
-
2012
- 2012-11-20 RU RU2012149055/07A patent/RU2522901C2/ru active IP Right Revival
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2031463C1 (ru) * | 1990-11-27 | 1995-03-20 | Институт машиноведения Уральского отделения РАН | Способ изготовления сверхпроводящей жилы |
RU2076363C1 (ru) * | 1995-01-12 | 1997-03-27 | Государственный научный центр РФ Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им.акад.А.А.Бочвара | Способ получения многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения nb*003sn |
US6103976A (en) * | 1995-07-19 | 2000-08-15 | Yoshinogawa Electric Wire & Cable Co., Ltd. | Wire and cable for use in robot |
US7514634B2 (en) * | 2004-07-23 | 2009-04-07 | Bruker Eas Gmbh | Reinforced superconductor element |
EP2099080A1 (en) * | 2008-03-03 | 2009-09-09 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel, Ltd.) | Nb3Sn superconducting wire manufactured by internal Sn process and precursor for manufacturing the same |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020005089A1 (ru) * | 2018-06-25 | 2020-01-02 | Акционерное Общество "Твэл" | СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ Nb3Sn |
RU2770617C1 (ru) * | 2018-06-25 | 2022-04-19 | Акционерное Общество "Твэл" | Сверхпроводящий композиционный провод на основе Nb3Sn |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012149055A (ru) | 2014-05-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Tachikawa et al. | High‐field superconducting properties of the composite‐processed Nb3Sn with Nb‐Ti alloy cores | |
Takeuchi et al. | Status and perspective of the Nb3Al development | |
EP1467418B1 (en) | MgB2 compound sheath superconducting wire and manufacturing method of the same | |
US4743713A (en) | Aluminum-stabilized NB3SN superconductor | |
JP2015185211A (ja) | Nb3Sn超伝導線材の製造方法 | |
JP2002373534A (ja) | 超電導線材とその作製方法及びそれを用いた超電導マグネット | |
JPS6150136B2 (ru) | ||
JP6704589B2 (ja) | Nb3Al超伝導線材用前駆体線材及びNb3Al超伝導線材 | |
RU2522901C2 (ru) | СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ Nb3Sn | |
RU2546136C2 (ru) | СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Nb3Sn СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ПРОВОДА | |
Kosuge et al. | Incorporation of stabilizer to rapid-quenched and transformed Nb/sub 3/Al multifilamentary superconductors | |
US3996662A (en) | Method for the manufacture of a superconductor having an intermetallic two element compound | |
EP3961658B1 (en) | Blank for producing a long nb3 sn-based superconducting wire | |
Takeuchi et al. | Manufacture and superconductivity of tantalum matrix RHQT processed Nb/sub 3/Al superconductors | |
JP5904482B2 (ja) | Nb3Al超伝導線の前駆体線及びNb3Al超伝導線並びにNb3Al超伝導線の前駆体線の製造方法及びNb3Al超伝導線の製造方法 | |
EP1898431A1 (en) | Nb3Sn SUPERCONDUCTING WIRE, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, AND SINGLE-CORE COMPOSITE WIRE USED IN PRODUCTION OF Nb3Sn SUPERCONDUCTING WIRE | |
Iwasa | Recent developments in multifilament V 3 Ga & Nb 3 Sn wires in Japan | |
JP4402815B2 (ja) | Nb3Al超電導多芯線とその製造方法 | |
JP4013335B2 (ja) | Nb3Sn化合物超電導体の前駆線材およびその製造方法、Nb3Sn化合物超電導導体の製造方法、並びにNb3Sn化合物超電導コイルの製造方法 | |
RU171955U1 (ru) | Сверхпроводящий композиционный провод на основе диборида магния | |
JPH0570888B2 (ru) | ||
JP2006147535A (ja) | 超伝導素子の製造方法 | |
JP4386306B2 (ja) | Nb3Al化合物系超電導線の製造方法 | |
JP2003092032A (ja) | 超電導線材及びその製造方法 | |
Tanaka et al. | Multifilamentary stranded compound superconductor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181121 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20200204 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner |