книги / Механика пластического деформирования трансверсально-изотропных композиционных сверхпроводниковых материалов

ПРЕДИСЛОВИЕ

Производство качественной и конкурентоспособной продукции, соответствующей по технико-экономическим показателям лучшим мировым образцам, – важнейшая задача деятельности промышленных предприятий на современном этапе. Решение этой задачи зависит от разработки ивнедрения наукоемких технологических процессов.

К таким процессам относятся сверхпроводниковые технологии – технологии, связанные с использованием явления сверхпроводимости. Характерным для сверхпроводников является нулевое электрическое сопротивление при температурах ниже критических величин, для низкотемпературных сверхпроводников (НТСП) – это температуры жидкого гелия.

Достижение в сверхпроводниках повышенного комплекса свойств реализовано путем эффективного использования наноструктурного состояния компонентов композиционных проводников. В Высокотехнологичном научно-исследовательском институте неорганических материалов (ВНИИНМ) им. академика А.А. Бочвара (г. Москва) разработаны защищенные патентами РФ уникальные технологии деформирования и термообработки многокомпонентных (Ta, Nb, Nb–Ti, Cu, Cu–Sn), композиционных материалов, содержащих десятки тысяч сверхпроводящих волокон с размерами сечения менее 10 мкм и зеренной структурой менее 50 нм, что обеспечило почти двукратное увеличение эксплуатационныхсвойств втехнических сверхпроводниках.

Область практического применения сверхпроводников с каждым годом непрерывно расширяется. Низкотемпературные сверхпроводники (Nb–Ti, Nb3Sn) применяются в энергетике (магнитные системы термоядерных установок, накопители электроэнергии), транспорте, электротехнике, медицине (томографы), науке (магниты ускорителей, спектрометры и др).

Сверхпроводники выпускаются в виде длинномерных проводов и лент, позволяющих изготавливать крупномасштабные изделия различного назначения, такие как криодвигатели, медицинские диагно-

5

стические томографы, кабели для мощных линий электропередач, трансформаторы, токоограничители, накопители электроэнергии, магнитные системы установок термоядерного синтеза и ускорительной техники и др.

На основе сверхпроводников изготовляются сверхпроводящие магниты, обмотка которых изготовлена из сверхпроводника. Расчет показывает, что для создания магнитного поля напряженностью 8·106 А/м (~105 Э) в соленоиде диаметром до 1 м сверхпроводящие магниты требуют в 104 раз меньшую мощность, чем обычные электромагниты. В настоящее время на основе интерметаллида Nb3Sn созданы сверхпроводящиемагниты, позволяющиеполучатьполядо~ 6·106 А/м(–7· 104 Э).

Общемировой объем выпуска разного рода сверхпроводников в настоящее время составляет 1800–2000 т в год, причем на долю низкотемпературных сверхпроводников на основе Nb–Ti-сплава приходится более 80 % (в основном для ЯМР-томографов). По оценочному прогнозу к 2010 г. рынок НТСП составит около 3000 т/год (3650 млн долл. США), а рынок ВТСП возрастет с 50 до 1600 млн долл. США к 2013 г. – более чем в 30 раз. По оценкам специалистов всемирного банка, к 2020 г. рынок электротехнических устройств, основанных на использовании явления сверхпроводимости, составит 244 млрд долл. США – за 20 лет возрастет более чем на два порядка.

В настоящее время российские компании совместно с рядом зарубежных фирм участвуют в подготовке и реализации выпуска сверхпроводников для сверхпроводящей магнитной системы международного термоядерного экспериментального реактора (ITER), общее количество которых составляет свыше 700 т. В настоящее время на базе ОАО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов, Удмуртия) разворачивается масштабное промышленное производство низкотемпературных сверхпроводников.

6

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Основной задачей данной работы является разработка основ технологии волочения композиционных заготовок для сверхпроводников, поэтому в данной главе рассмотрены основные положения теории сверхпроводимости и критерии, характеризующие свойства сверхпроводников [1–19].

Для металлов важным является соотношение между внешним напряжением и вызванным им током. Это соотношение имеет вид равенства V/I = R, где V – напряжение, I – ток, а R – электрическое сопротивление. Согласно этому закону (закон Ома) электрический ток пропорционален напряжению при любом значении величины R, которая является коэффициентом пропорциональности. Сопротивление обычно не зависит от тока, но зависит от температуры.

Сверхпроводимость – явление исчезновения электрического сопротивления некоторых металлов, сплавов и химических соединений при температуре, близкой к абсолютному нулю(–273 °С).

Первой теорией сверхпроводников была феноменологическая теория Лондонов (1935 г.). Теория Лондонов рассматривает электроны в сверхпроводнике как совокупность сверхпроводящих и нормальных электронов. В состоянии сверхпроводимости плотность сверхпроводящих электронов nS равняется плотности всех свобод-

ных электронов металла. Теория не объясняла механизм сверхпроводимости на электронном уровне.

Некоторые противоречия теории Лондонов были сняты феноменологической теорией В.Л. Гинзбурга и Л.Д. Ландау (теория ГЛ), которая построена на основе теории фазовых переходов второго рода и оказалась справедливой лишь вблизи критической температуры сверхпроводника Тс . Применив теорию ГЛ к изучению сверхпрово-

дящих сплавов, А.А. Абрикосов (1957 г.) создал теорию сверхпроводников второго рода.

7

В 1957 г. появилась работа Дж. Бардина, Л. Купера и Дж. Шриффера (теория БКШ), которая объяснила явление сверхпроводимости на микроскопическом уровне.

Дальнейшее развитие теория сверхпроводимости получила в работах Л. П. Горькова (1958 г.). Теория сверхпроводимости, построенная на основе работ отечественных ученых В.Л. Гинзбурга, Л.Д. Ландау, А.А. Абрикосова и Л.П. Горькова, получила название в виде аббревиатуры ГЛАГ. Необходимо отметить следующий факт: в 2003 г. В.Л. Гинзбург и А.А. Абрикосов удостоены Нобелевской премии в области физики заработы посверхпроводимости.

Сверхпроводимость исчезает под действием следующих факторов:

1)повышение температуры;

2)действие достаточно сильного магнитного поля;

3)наличие достаточно большой плотности тока в образце. Сверхпроводимость наблюдается как у элементов, так и у спла-

вов и металлических соединений. Среди элементов периодической таблицы она обнаружена в двух основных группах: 1) в переходных элементах; 2) в группах II (ряды 5, 7, 9), III (8), IV (4,6,8). Сверхпроводимостью обладают Hg, Sn (белое), Pb, Tl, Tn, Ga, Ta, Th, Ti, Nb.

Хотя сверхпроводимость обнаружена лишь в 26 элементах, число сверхпроводящих соединений значительно больше. Некоторые из бинарных соединений состоят из обоих сверхпроводящих элементов (например, Nb3Sn), другие включают лишь один сверхпроводящий элемент (например, V3Si), а некоторые не имеют ни одного (например, SrBi3). Кроме того, имеется множество сверхпроводящих спла-

вов, например, Nb–Ti, Nb–Zr, Mo–Re, Pb–Bi.

Для возникновения сверхпроводимости наиболее благоприятны большой атомный объем (большой параметр решетки) и характерное среднее число валентных электронов в атоме. В переходных элементах, сплавах и соединениях сверхпроводимость возникает только при числе валентных электронов в атоме от двух до восьми.

1.1. Качественные характеристики сверхпроводников

Материалы, обладающие свойством сверхпроводимости при температурах, близких к температуре жидкого гелия, называются

низкотемпературными сверхпроводниками (НТСП).

8

1.1.1. Критическая температура и критическая напряженность магнитного поля сверхпроводника

Для сверхпроводников характерны понятия критическая температура Ткр, при которой происходит переход из нормального состоя-

ния в сверхпроводящее, и критическая напряженность магнитного поля Hкр , при которой происходит исчезновение сверхпроводимо-

сти. Температура перехода вещества определяется соотношением двух «противоположных сил»: одна стремится упорядочить электроны, а другая – разрушить этот порядок. Например, тенденция к упорядочиванию в таких металлах, как медь, золото и серебро, столь мала, что эти элементы не становятся сверхпроводниками даже при температуре, лежащей лишь на несколько миллионных кельвина выше абсолютного нуля. Абсолютный нуль (0 К, –273,16 °С) – это нижняя граница температуры, при которой вещество теряет все свое тепло. Другие металлы и сплавы имеют температуры перехода в диапазоне от 0,000325 до 23,2°К. В 1986 г. были созданы сверхпроводники из керамических материалов с необычайно высокой температурой перехода. Так, для образцов керамики YBa2Cu3O7 температура перехода превышает 90° К.

В табл. 1.1 представлены значения Ткр и Нкр для некоторых сверхпроводников.

Из табл. 1.1 видно, что наиболее высоким значением Hкр , а также Tкр обладает ниобий. Именно этот металл составляет основу большин-

ства промышленных сплавов для производства низкотемпературных сверхпроводников.

9

Условием существования сверхпроводящего состояния в металле является то, что при определенной температуре напряженность поля должна быть меньше критического значения. Значение критической напряженности поля в зависимости от температуры описывается уравнением

где Н0 – максимальное значение напряженности критического магнитного поля при температуре, равной абсолютному нулю; Hкр – напряженность критического магнитного поля при температуре Т; Ткр – критическая температура, являющаяся наивысшей температурой сверхпроводящего состояния.

1.1.2. Глубина проникновения магнитного поля

Глубина проникновения – расстояние, на которое магнитный поток проникает в сверхпроводник. Глубина проникновения оказывается функцией температуры и различна в разных материалах: от 3 10–6 до 2 10–5 см. Магнитный поток выталкивается из сверхпроводника токами, циркулирующими в поверхностном слое, толщина которого приблизительно равна глубине проникновения.

Полное выталкивание магнитного потока энергетически выгодно не для всех сверхпроводников. В некоторых материалах состояние с минимальной энергией в магнитном поле достигается, если некоторые из линий магнитного потока частично проникают в вещество, образуя мозаику из сверхпроводящих областей, где магнитное поле отсутствует, и из нормальных, где оно есть.

Уравнения теории Лондонов определяют характерную длину, на которой происходит ослабление магнитного поля в глубине сверхпроводника в е раз. Эта величина называется лондоновской глубиной проникновения магнитного поля λ изависитоттемпературы(табл. 1.2).