К вопросу о токонесущей способности сверхпроводящих композитов на основе Nв₃Sn под нагрузкой
Изучена токонесущая способность композитов различного типа и геометрии на основе интерметаллида Nb₃Sn при 4,2 К в сильных магнитных полях в условиях приложения растягивающих напряжений. Показано, что у проволочных композитов с низким объемным содержанием фазы Nb₃Sn, изготовленных по «бронзовой» техн...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110746 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | К вопросу о токонесущей способности сверхпроводящих композитов на основе Nв₃Sn под нагрузкой / В.М. Горбатенко, М.Б. Лазарева, В.И. Соколенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 42-47. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859626411904466944 |
|---|---|
| author | Горбатенко, В.М. Лазарева, М.Б. Соколенко, В.И. |
| author_facet | Горбатенко, В.М. Лазарева, М.Б. Соколенко, В.И. |
| citation_txt | К вопросу о токонесущей способности сверхпроводящих композитов на основе Nв₃Sn под нагрузкой / В.М. Горбатенко, М.Б. Лазарева, В.И. Соколенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 42-47. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Изучена токонесущая способность композитов различного типа и геометрии на основе интерметаллида Nb₃Sn при 4,2 К в сильных магнитных полях в условиях приложения растягивающих напряжений. Показано, что у проволочных композитов с низким объемным содержанием фазы Nb₃Sn, изготовленных по «бронзовой» технологии, с ростом внешнего растягивающего напряжения появляется локальный максимум Jс, обусловленный компенсацией термических сжимающих напряжений, отсутствующий при увеличении объемного содержания Nb₃Sn и введении в конструкцию стабилизирующего элемента. Для ленточных сверхпроводников, полученных методом жидкофазной диффузии, в макроупругой области характерно незначительное увеличение Тс и практически отсутствует изменение намагниченности. Необратимая деградация сверхпроводящих параметров у всех типов композитов, возникающая при определенных значениях внешней нагрузки, связана с появлением микротрещин в слоях Nb₃Sn.
Вивчена струмонесуча здатність композитів різного типу та геометрії на основі інтерметаліду Nb₃Sn при 4,2 К у високих магнітних полях в умовах накладення напруги що розтягує. Показано, що у дротяних композитах з низьким об’ємним вмістом фази Nb₃Sn, виготовлених по «бронзовій технології» з ростом зовнішнього напруження, що розтягує, з’являється локальний максимум Jс обумовлений компенсацією термічних напружень, які стискують. Він стає відсутній при збільшенні об’ємного вмісту Nb₃Sn та введенні в конструкцію стабілізуючого елементу. Для стрічкових надпровідників, одержаних методом рідиннофазної дифузії в макропружній області характерно незначне збільшення Тс и практично відсутня зміна намагничування. Безповоротна деградація надпровідних параметрів для усіх типів композитів, виникаюча при визначених значеннях зовнішньої напруги, пов’язана з появою мікротріщин у шарах Nb₃Sn
Current-carrying ability in the high magnetic fields at 4,2 К at the action of tension stresses of composites on the basis of compound Nb₃Sn of different type and geometry was studied. It is shown that wire composites manufactured by «bronze» technology, having the low volume content of Nb₃Sn phase, when the external tension rising, have exhibited the local maximum Iс caused by indemnification of thermal compressing pressure, which absent when a volume content of Nb₃Sn increased and a stabilizing element in a design introduced. For the tape-type superconductors obtained by a method of liquid-phase diffusion, in macroelastic area the insignificant increase in Tс is characteristic and practically there is no change of magnetization. Irreversible degradation of superconducting parameters at all kinds of the composites, arising at the certain values of external loading, related to appearance of microcracks in Nb₃Sn layers
|
| first_indexed | 2025-11-29T11:55:11Z |
| format | Article |
| fulltext |
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ И СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
УДК 538.9:539.2
К ВОПРОСУ О ТОКОНЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВЕРХПРОВОДЯ-
ЩИХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ Nв3Sn ПОД НАГРУЗКОЙ
В.М. Горбатенко, М.Б. Лазарева, В.И. Соколенко
Национальный Научный Центр «Харьковский физико-технический институт»,
г. Харьков, Украина; E-mail: mlazareva@kipt.kharkov.ua
Изучена токонесущая способность композитов различного типа и геометрии на основе интерметаллида
Nb3Sn при 4,2 К в сильных магнитных полях в условиях приложения растягивающих напряжений. Показа-
но, что у проволочных композитов с низким объемным содержанием фазы Nb3Sn, изготовленных по «брон-
зовой» технологии, с ростом внешнего растягивающего напряжения появляется локальный максимум Jс,
обусловленный компенсацией термических сжимающих напряжений, отсутствующий при увеличении
объемного содержания Nb3Sn и введении в конструкцию стабилизирующего элемента. Для ленточных сверх-
проводников, полученных методом жидкофазной диффузии, в макроупругой области характерно незначи-
тельное увеличение Тс и практически отсутствует изменение намагниченности. Необратимая деградация
сверхпроводящих параметров у всех типов композитов, возникающая при определенных значениях внешней
нагрузки, связана с появлением микротрещин в слоях Nb3Sn.
ВВЕДЕНИЕ
При изготовлении высокополевых лабораторных
соленоидов, магнитных систем ускорительной тех-
ники, установок термоядерного синтеза и др. [1] ис-
пользуются сверхпроводящие материалы с высоки-
ми критическими параметрами (Тс, Нс2, Jc). Наряду с
техническими сверхпроводниками на основе дефор-
мируемых сплавов системы Nb-Ti, которые облада-
ют достаточно высокой токонесущей способностью
в полях до 10 Тл, для получения более сильных маг-
нитных полей применяются сверхпроводящие
композиты на основе соединений со структурой А-
15 [2]
Критические параметры сверхпроводящих мате-
риалов зависят от ряда факторов, определяющих
степень и характер структурной неупорядоченности
кристаллической решетки. Если высокие значения
таких характеристик, как Тс и Нс2 определяются осо-
бенностями электронного и фононного спектров, то
величина Jc существенно зависит от структурно-фа-
зового состояния, связанного с условиями получе-
ния и режимами термообработок [2-4].
Как известно, в поперечном магнитном поле на
проводник с током действует сила Лоренца, что
приводит к возникновению значительных напряже-
ний и деформаций в обмотках магнитной системы.
По оценкам работы [5], при радиусе витка соленои-
да 10 см механические растягивающие напряжения
в сечении провода могут достигать величины
500 МПа. Механические воздействия, особенно при
резких изменениях тока и поля в соленоидах, могут
привести к неконтролируемым изменениям критиче-
ских параметров в магнитных системах, к отклоне-
нию характеристик магнитных систем от расчетных
как сразу после намотки, так и в процессе длитель-
ной эксплуатации. Поэтому для разрабатываемых
технических сверхпроводников на основе соедине-
ний со структурой А-15 (в частности соединений
Nb3Sn) различной конструкции, получаемых по раз-
личным технологическим схемам, возникла необхо-
димость выяснить физическую природу и механиз-
мы влияния напряжений, в том числе прикладывае-
мых при температуре жидкого гелия в сильных маг-
нитных полях, на токонесущую способность таких
сверхпроводящих материалов.
Целью настоящей работы явилось изучение по-
ведения критических сверхпроводящих параметров
композитов на основе интерметаллида со структу-
рой А-15 (Nb3Sn) различной конструкции (проволо-
ка, плющеная проволока и лента, полученные по
бронзовой технологии и методом жидкофазной диф-
фузии) в условиях приложения растягивающих на-
грузок при криогенных (4,2 К) температурах в силь-
ных магнитных полях напряженностью до 7 Тл.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА
ИССЛЕДОВАНИЯ
Проволочные композиты различались числом
жил, формой сечения и режимами термообработки.
В проводах диаметром d=0,5 мм, содержащих
n=7225 жил в бронзовой матрице, сверхпроводящий
слой формировался при отжиге в режиме:
Тотж=1020 К в течении 2 ч. Стабилизированный и
нестабилизированный ниобием плющеный провод
на основе соединения Nb3Sn толщиной h=0,3 мм
(площадь сечения 1,2 мм2) и стабилизированный
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.42-47.
42
mailto:mlazareva@kipt.kharkov.ua
провод круглого сечения диаметром d=0,3 мм с
n=14641 (коэффициент заполнения по ниобию
17,5 %) термообрабатывались при Тотж=970 К в
течение 2 и 48 ч. В стабилизированных проводах
бронзовая матрица была отделена от наружного
слоя меди диффузионным ниобиевым барьером.
Ленточные образцы изготавливались из ниоби-
евой ленты, легированной цирконием (≈1 мас. %), с
однородными по толщине слоями Nb3Sn, сформиро-
ванными в результате жидкофазной диффузии
(Тотж=1210 К, τ=0,5 ч) по 4…5 мкм и с напаянными с
каждой стороны слоями меди толщиной
~50 мкм [6].
Измерения критического тока и критической
температуры выполнялись на установке [7], позво-
ляющей измерять критический ток (Jc) сверх-про-
водников в поперечном магнитном поле c индукци-
ей до 7 Тл в ненагруженом состояниях и при дей-
ствии растягивающей нагрузки с одновременной за-
писью кривой растяжения. Исследования влияния
растягивающей нагрузки на намагниченность лен-
точного композита проводились с помощью специ-
ального устройства [8].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Эксперименты показали, что для сверхпроводни-
ков на основе Nb3Sn поведение Jс под нагрузкой в
значительной мере зависит от их конструкции и ре-
жима формирования основной сверхпроводящей
фазы Nb3Sn и отличается от поведения Nb-Ti-сверх-
проводников, для которых характерно монотонное
снижение Jс с увеличением растягивающего напря-
жения выше пороговой величины [9,10].
На рис.1 представлены зависимости Jс от растя-
гивающего напряжения σ для нестабилизированного
многожильного (n=7225) проводника в бронзовой
матрице в поле 6,3 Тл.
Рис.1. Изменения Jс под действием растягивающей
нагрузки при 4,2 К (1) и после разгрузки (2) для не-
стабилизированного многожильного (n=7225) про-
волочного композита (d=0,5 мм, Тотж=1020 К,
t=2 ч) [10]
Отличительной особенностью поведения Jс(σ)
для этого материала является наличие максимума: с
ростом напряжения Jс первоначально увеличивается
(максимальный прирост Jс составляет ∼35%), а затем
по достижении некоторого напряжения, близкого к
пределу пропорциональности σпр, резко уменьшает-
ся (см. рис.1, кр.1).
Характер изменения Jс, измеряемого после сня-
тия внешней нагрузки (см. рис.1, кр.2), качественно
повторяет ход Jс при увеличении нагрузки. При этом
величина Jс после разгрузки для интервала значений
предварительно прикладывавшегося напряжения от
~50 до ~270 МПа существенно (на ∼25 %) превыша-
ет исходную. Лишь на заключительном этапе нагру-
жения (выше макроупругой области) Jс после раз-
грузки начинает снижаться, оставаясь все же выше
значения в нагруженном состоянии.
Сравнение влияния растягивающих напряжений
на изменение критического тока стабилизированных
и нестабилизированных сверхпроводящих компози-
тов на основе соединения Nb3Sn (в том числе под-
вергнутых предварительной деформации прокаткой
для плющения) было изучено на образцах, прошед-
ших термообработку различной длительности при
Т=1020 К (рис.2). Как видно из рисунка, поведение
под нагрузкой Jc нестабилизированного проводника,
отожженного в течение 2 ч (см. рис.2, кр. 1), по ха-
рактеру зависимости подобно изменению Jc прово-
лочных образцов диаметром 0,5 мм, термообрабо-
танных в том же режиме (см. рис.1): с ростом напря-
жения критический ток сначала увеличивается (на
~20 %), а при σ>0,5σВ начинает уменьшаться. Для
образцов, отожженных в течение 48 ч, поведение
критического тока под нагрузкой имеет совершенно
иной характер (см. рис.2, кр. 2): до напряжений σ≈
0,2σВ критический ток практически не изменяется,
затем в интервале 0,2…0,85 σВ снижается на ~8 %,
после чего резко падает.
Рис.2. Зависимости нормированной плотности кри-
тического тока Jc/Jci при В=7 Тл от нормированно-
го напряжения σ/σB плющеных проволочных компо-
зитов (n=14641) толщиной 0,3 мм, отожженных
при Тотж=1020 К в течение 2 (1, 3) и 48 (2, 4) ч:
1, 2 – нестабилизированные (Jci=2,48·104 А/см-2);
3,4 – стабилизированные (Jci=2,71·104 А/см-2)
В случае образцов, стабилизированных ниобием,
изменение критического тока с ростом растягиваю-
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.42-47.
43
щего напряжения имеет монотонный характер (см.
рис.2, кр. 3,4): приложение небольших напряжений
(σ~0,1σВ) приводит к снижению Jс в образцах, ото-
жженных как в течение 2 ч, так и 48 ч, причем в по-
следнем случае эффект снижения Jс более сильно
выражен до напряжений ~0,9σВ.
Повышение критического тока при действии
внешней нагрузки в нестабилизированных компози-
тах, термообработанных в течение 2 ч, следует свя-
зать с тем, что объемная доля фазы Nb3Sn в данном
случае еще невелика и при растяжении образца при
определенном уровне нагрузки происходит компен-
сация сжимающих внутренних напряжений. В
многожильных проводниках на основе Nb3Sn, изго-
товленных по бронзовой технологии, возникают при
охлаждении до 4,2 К аксиальные сжимающие напря-
жения, действующие на слои интерметаллида,
вследствие более высокого коэффициента термиче-
ского расширения бронзовой матрицы по сравнению
с соединением Nb3Sn. Согласно [11] в интервале
температур 1000…4,2 К бронза, Nb3Sn и Nb сжима-
ется на 1,82; 0,77 и 0,71 % соответственно. При воз-
действии внешних растягивающих напряжений в
процессе испытаний внутренние сжимающие напря-
жения снижаются, что приводит к возрастанию кри-
тического тока. Кроме того, определенный вклад в
увеличение Jс можно ожидать за счет появления
субкритических микротрещин и границ двойников.
Наблюдаемое максимальное увеличение Jc будет со-
ответствовать уровню напряжений, предшествую-
щему этапу массового возникновения более круп-
ных поперечных микротрещин, в результате чего
нарушится cплошность сечения сверхпроводящих
жил.
Данные фрактографии, полученные при исследо-
вании нестабилизированного проводника, показали,
что при напряжениях σ~0,3 σВ в слое интерметалли-
да образуются локализованные поперечные микро-
трещины, количество которых увеличивается с
дальнейшим ростом напряжения. К моменту разру-
шения композита трещины наблюдаются по всей
длине жил. Следует отметить, что вплоть до разру-
шения трещины, образовавшиеся в слое Nb3Sn, прак-
тически не проникают в центральную часть жилы,
состоящую из ниобия.
В случае проводников с более тонкими слоями
Nb3Sn внутренние напряжения в слое будут выше по
сравнению с более толстыми слоями. С различием
уровня сжимающих напряжений и связаны наблю-
даемое первоначальное увеличение Jс у композита
после отжига минимальной продолжительности
(2 ч) и отсутствие такого эффекта у образцов, ото-
жженных в течение 48 ч, в которых толщина слоя
интерметаллида будет выше, что обеспечивает су-
щественное уменьшение уровня сжимающих напря-
жений. Механические испытания показали, что дли-
тельный отжиг приводит к значительному сниже-
нию предела текучести композита (на 23, 65 и 34%
при 300, 77 и 4,2 К соответственно), что способству-
ет протеканию релаксационных процессов на меж-
фазных границах за счет маломасштабных переме-
щений дислокаций в матрице под действием нарас-
тающих с понижением температуры термических
напряжений. В результате приложение внешней на-
грузки к композиту, прошедшему длительный отжиг
(48 ч), не приводит к столь резкому изменению кри-
тического тока. Слабое снижение Jс при напряжени-
ях вплоть до 0,85σВ, вероятно, обусловлено посте-
пенным медленным развитием микротрещин,
объемная доля и размер которых еще не оказывают
значительного влияния на Jс, и лишь по достижению
напряжений σ>0,85σВ происходит развитие трещи-
нообразования и лавинообразное разрушение образ-
ца.
Роль ниобиевого барьера, как оказалось, в прово-
дах данной конструкции весьма значительна. Он
обеспечивает более высокий уровень прочностных
характеристик. Так для стабилизированных ото-
жженных при 970 К 2 ч σВ возрастает на 28%, тогда
как после отжига 48 ч - на 36% по сравнению с не-
стабилизированным сверхпроводником. Последний
фактор в большей мере проявляется при меньшем
диаметре провода, что связано с ростом объемной
доли фазы (ν ) Nb3Sn в жилах композита: для прово-
дов с d=1,5; 1,0 и 0,5 мм значение ν составляет 77,3,
95,1 и 99,1 %, соответственно. Поэтому для стабили-
зированного проводника с d=0,3 мм (см. рис.2, кр.1),
также как и с d=0,5 мм [8] эффект первоначального
увеличения Jс не выявляется, в то же время в про-
воднике с d=0,8 мм наблюдается рост критического
тока при напряжениях до σ~0,5σВ [9,10]. На рис. 2
обращает внимание существенная разница в поведе-
нии нормированной плотности критического тока
под нагрузкой стабилизированных ниобием прово-
дов круглого сечения и плющеных: у образцов круг-
лого сечения критический ток не изменяется до зна-
чений σ=0,8σВ, тогда как у плющеных образцов при
σ=0,1σВ происходит необратимое падение критиче-
ского тока. Такой характер изменения критического
тока под нагрузкой, по-видимому, связан с увели-
ченной долей сверхпроводящей фазы в плющеных
образцах по сравнению с проволоченными вслед-
ствие того, что скорость «восходящей диффузии»,
контролирующей «наработку» сверхпроводящей
фазы, существенно зависит от предварительной де-
формации материала и в образцах, подвергнутых де-
формации плющением, будет выше.
Из вышеизложенного следует, что основным
фактором, определяющим поведение Jс композитов
на основе Nb3Sn в условиях приложения внешних
растягивающих напряжений, является объемная
доля сверхпроводящей фазы, скорость образования
которой зависит от характера напряженно-дефор-
мированного состояния исходного материала, опре-
деляемого конечным диаметром провода, а также
наличием этапа предварительной деформации плю-
щением. Присутствие стабилизирующего элемента в
конструкции сверхпроводящего композита помимо
увеличения его механической устойчивости обу-
словливает снижение уровня сжимающих напряже-
ний, в результате чего у провода с минимальной
толщиной слоя Nb3Sn (h=0,3 мм, t=2 ч) не возникает
стадия увеличения Jс, предшествующая стадии мо-
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.42-47.
44
нотонного снижения критического тока под нагруз-
кой.
Исследования влияния механических напряже-
ний на намагниченность проводились на ленточном
композите со слоем Nb3Sn в средней части.
На рис.3,а приведен график зависимости намаг-
ниченности М в относительных единицах от прило-
женной нагрузки при фиксированной величине поля
(В=1,4 Тл), значительно превышающей Нс1 для
Nb3Sn. Как видно, растяжение образца при 4,2 К в
области напряжений σ=0…250 МПа не приводит к
изменению величины намагниченности. При напря-
жениях σ~250 МПа начинается некоторое плавное
снижение величины М, а при σ=440 МПа намагни-
ченность резко падает. Разгрузка образца в этой об-
ласти напряжений не восстанавливает значения на-
магниченности. Вид кривых намагниченности также
резко меняется с деформацией - скачки исчезают,
кривые становятся гладкими, и при нагрузках, близ-
ких к разрывным, величина намагниченности и ее
гистерезис резко уменьшается.
Рис.3. Зависимости намагниченности М (а),
потенциала U (б) и ∆Тс/Тс0 (в) ленточного сверхпро-
водящего композита на основе Nb3Sn, полученного
жидкофазной диффузией, от приложенной нагруз-
ки при 4,2 К [8]
На рис.3,в приведено изменение критической
температуры сверхпроводящей ленты в условиях
растяжения. Видно, что по мере увеличения механи-
ческих напряжений критическая температура снача-
ла возрастает, достигая максимального значения в
интервале σ≈200…300 МПа (прирост составляет
≈7,5∙10-4 К/МПа), а затем снижается.
В области напряжений, близких к 440 МПа, на
образце при пропускании через него тока I=25…
I00 A (см. рис.3,б) возникает падение напряжения.
Исследование структуры поверхности Nb3Sn после
нагружения образца до уровня напряжений, соответ-
ствующих началу резкого спада намагниченности,
показало, что в слое Nb3Sn имеется множество по-
перечных микротрещин, образующихся при напря-
жениях, превышающих предел упругости композит-
ной ленты примерно на 60 %. Именно с нарушением
сплошности слоя Nb3Sn следует связать необрати-
мое снижение намагниченности, появление конеч-
ного электрического напряжения на образце и сни-
жение температуры сверхпроводящего перехода.
Сравним уровень изменения Tс ленточного
композита на основе Nb3Sn в случае всестороннего
сжатия и при одноосном растяжении. Для соедине-
ния Nb3Sn согласно данным [11] в условиях высокой
степени гидростатичности приложенного давления
величина ∂Тс/∂P≅–2,5⋅10-4 K/МПа. В наших экспери-
ментах при растягивающем напряжении σ≈250 МПа
получены значения ΔТс≈7,5·10-2 К и δТс/δσ ≈ 3⋅10-
4 К/МПа. Близость абсолютных значений PT c ∂∂ и
δ σδ T c соответствует существующим теоретиче-
ским [15] и экспериментальным данным [11] об
уменьшении Tc Nb3Sn с деформацией. Количествен-
ное различие может быть, в частности, связано с от-
личием эффектов тетрагональных деформаций и де-
формации всестороннего сжатия с изменением
объема.
Учитывая приведенные выше результаты, на-
блюдаемые в наших экспериментах, попробуем оце-
нить эффекты изменения токонесущей способности
сверхпроводящих композитов Nb3Sn под действием
приложенных нагрузок.
Для композита, состоящего из двух компонент с
различным температурным ходом коэффициента
термического расширения (КТР) и соотношением
упругих модулей в пренебрежении различия коэф-
фициентов Пуассона, упругую деформацию нити
Nb3Sn можно приблизительно оценить по формуле
[12,13]:
EE 21
11 /1 ⋅ℜ+
∆−≈ −
δ
ε , (1)
где Δδ – разница значений термических сжатий
компонентов, ℜ – отношение объемов, занимае-
мых матрицей и Nb3Sn, Е1 и Е2 - модули Юнга Nb3Sn
и матрицы. Оценим величину сжимающих напряже-
ний термической природы в приближении σ1≈ε1Е1
на примере нестабилизированного плющеного про-
водника с числом сверхпроводящих жил 14641, тер-
мообработанного по режиму Тотж=970 К, t=2 ч, для
которого характерно проявление максимума Jc по-
сле приложения растягивающего напряжения σ≈
0,4…0,5σВ (см. рис. 1, кр.1). Подставляя в формулу
(1) типичные значения ∆δ системы медь-Nb3Sn [14],
значения модуля Юнга компонент при 4,2 К [15] и
ℜ ≈4,7, что соответствует коэффициенту заполне-
ния 17,5 %, имеем ε1≈0,37. При значении Е1=4,9⋅
104 МПа при 4,2 К получаем величину сжимающих
напряжений σ1≈ 180 МПа, что соответствует значе-
нию ≈ 0,32σВ. Абсолютное значение этой величины
с точностью до 80 % соответствует нижней границе
интервала растягивающих напряжений, соответству-
ющих достижению максимального значения плотно-
сти критического тока.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.42-47.
45
В случае приложения растягивающих напряже-
ний дополнительным фактором изменения критиче-
ского тока при малых деформациях может быть об-
разование субкритических трещин в интерметалли-
ческом слое, зарождающихся на локальных неодно-
родностях структурно-фазового состава, которые
будут закрываться (частично либо полностью) после
снятия нагрузки. Эти дефекты при размерах, сопо-
ставимых с длиной когерентности (в Nb3Sn при
Т=4,2 К ξ≈4 нм [16],) могут служить дополнитель-
ными центрами пиннинга. О возможности пиннинга
на дефектах данного типа сообщалось в [14]. С дру-
гой стороны, микротрещины, как дефекты, с кото-
рыми связано локальное разупорядочение Nb3Sn,
должны приводить к снижению Tc, что, как показы-
вает проведенный анализ, будет способствовать
уменьшению элементарной силы пиннинга и соот-
ветственно деградации критического тока.
Еще одним фактором, который может оказать
влияние на изменение токонесущей способности
композитов на основе Nb3Sn, является изменение до-
менной структуры интерметаллида. Как известно
[17,18], при превращении из кубической структуры
А-15 в тетрагональную фиксируется образование
двойниковой доменной структуры. Для Nb3Sn
превращение идет с уменьшением объема элемен-
тарной ячейки. Можно полагать, что после опреде-
ленного уровня приложенных растягивающих
напряжений в зернах Nb3Sn будет снижаться количе-
ство доменных границ двойникового типа. Учиты-
вая, что с двойниковыми границами связаны обла-
сти искажений шириной несколько параметров ре-
шетки, такие границы могут давать определенный
вклад в пиннинг вихревой решетки, а снижение их
количества будет способствовать уменьшению токо-
несущей способности. Если провести аналогию с
двойникованием в металлических кристаллах, то и в
случае Nb3Sn следует ожидать, что образование
двойников с большей вероятностью будет происхо-
дить в материале с большим размером зерна. Поэто-
му для ленточного композита, полученного методом
жидкофазной диффузии с размером зерна больше,
чем у многожильного провода, возможный эффект
изменения доменной структуры под нагрузкой бу-
дет большим. С данным обстоятельством может
быть связано отсутствие заметного изменения на-
магниченности вплоть до напряжений σ≈0,5σB, что
можно отнести к компенсации эффекта роста крити-
ческого тока вследствие увеличения Тс и его сниже-
ния из-за уменьшения количества доменных границ.
ВЫВОДЫ
Изучено влияние одноосных растягивающих
напряжений при 4,2 К в поперечном магнитном
поле напряженностью 7 Тл на критические парамет-
ры сверхпроводников на основе Nb3Sn.
Показано, что у проволочных композитов с низ-
ким объемным содержанием фазы Nb3Sn, изготов-
ленных по «бронзовой» технологии, с ростом внеш-
него растягивающего напряжения появляется ло-
кальный максимум Jс, обусловленный компенсацией
термических сжимающих напряжений, отсутствую-
щий при увеличении объемного содержания Nb3Sn и
введении в конструкцию стабилизирующего элемен-
та.
Для ленточных сверхпроводников, полученных
методом жидкофазной диффузии, в макроупругой
области характерно незначительное увеличение Тс и
практически отсутствует изменение намагниченно-
сти.
Необратимая деградация сверхпроводящих па-
раметров у всех типов композитов, возникающая
при определенных значениях внешней нагрузки,
связана с появлением микротрещин в слоях Nb3Sn.
ЛИТЕРАТУРА
1. M. Уилсон. Сверхпроводящие магниты.
М.:«Мир», 1985, 407 с.
2. В.М Пан, В.Г. Прохоров, А.С. Шпигель. Метал-
лофизика сверхпроводников. К.: «Наукова
думка», 1984, 189 с.
3. Б.Г. Лазарев, В.М. Пан. О перспективах повы-
шения критических параметров сверхпроводни-
ков // Металлофизика. 1979, т.1, в.1, с.52-62.
4. В.П. Коржов. Способы получения сверхпрово-
дящих материалов на основе интерметалличе-
ских соединений со структурой А-15 // Вопросы
технической сверхпроводимости: Обзор. Черно-
головка, 1984, с.5-43.
5. Р.Г.Минц, А.Л.Рахманов. Неустойчивости в
сверхпроводниках. М.: «Наука», 1984, 262 с.
6. Л.С Лазарева, Б.Г Лазарев, В.А Полтавец,
Н.А. Черняк. Лента Nb3Sn с высокими критиче-
скими токами // Труды конференции по техни-
ческому использованию сверхпроводимости,
Алушта, 1975. М.: «Атомиздат», 1977. т.4:
Сверхпроводящие материалы. С.80-82.
7. И.А.Гиндин, М.Б.Лазарева, Я.Д. Стародубов,
М.П. Старолат. Устройство для исследования
электрических и магнитных свойств сверхпро-
водящих материалов под нагрузкой // Вопросы
атомной науки и техники. Серия «Фундамен-
тальная и прикладная сверхпроводимость».
1976, в.1(4), с.62-63.
8. И.А. Гиндин, Б.Г. Лазарев, М.Б. Лазарева,
В.А. Полтавец, В.И. Соколенко, Л.С. Лазарева,
Я.Д. Стародубов, В.М. Горбатенко. Влияние
растягивающих нагрузок на критическую тем-
пературу и намагниченность ленты Nb3Sn // Во-
просы атомной науки и техники. Серия «Общая
и ядерная физика». 1981, в. 3(17), с. 19-21.
9. И.А. Гиндин, М.Б. Лазарева, Я.Д. Стародубов,
М.П. Старолат, В.Ф. Гогуля, А.П. Голубь,
В.И. Соколенко, А.Д. Никулин. Влияние растя-
гивающей нагрузки на критические токи и тем-
пературы сверхпроводящих проводов// Вопросы
атомной науки и техники. Серия «Атомное ма-
териаловедение». 1981, в. 1(7), с.38-41
10. И.А. Гиндин, Я.Д. Стародубов, М.Б. Лазарева,
В.М. Горбатенко, А.Д. Никулин, А.П. Голубь,
А.Е. Воробьева, А.К. Шиков. Влияние механи-
ческих напряжений на критический ток сверх-
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.42-47.
46
проводящих проводов на основе сплава НТ-50 и
соединения Nb3Sn // // Вопросы атомной науки
и техники. Серия «Атомное
материаловедение». 1987, в.2(25), с.43-45.
11. J.W Ekin. Effect of transversal compressive stress
on the critical current and upper critical field of
Nb3Sn // J. Appl. Phys. 1987, v.62, №12, р.4829-
4834.
12. G Rupp. Parameters affecting prestrain and Bc2 in
multifilamentary Nb3Sn conductors // Adv. Cryog.
Eng. Mater. 1980, v. 26, р.522-528.
13. D.O Welch. Alteration of the superconducting
properties of A-15 compounds and elementary
composite superconductors by nonhydrostatic elas-
tic strain // Adv. Cryog. Eng. Mater. 1980, v.26,
р.48-65.
14. А.А. Мацакова. Влияние изгибающих напряже-
ний на температуру сверхпроводящего перехода
диффузионных слоев Nb3Sn // Вопросы атом-
ной науки и техники. Серия «Общая и ядерная
физика». 1985, в.1(4), с.9-15.
15. M. Pocrier, R Plamondon., J.D.N Cheeke. Elastic
constants of polycrystalline Nb3Sn between 4,2 and
300 K // J/ Appl/ Phys. 1984, v.55, № 3, р.3227-
3232.
16. J.W Ekin. Mechanisms for critical current degrada-
tion in NbTi and Nb3Sn multifilamentary wires //
IEEE Trans. Magn. 1977, v. MAG-13, №1, р.127-
130.
17. J.L McDougall. Copper matrix filamentary Niobi-
um-tin superconductors // Cryogenics. 1976, v.16,
№6, р.323-325.
18. С.В Вонсовский, Ю.А., Изюмов, Э.З. Курмаев.
Сверхпроводимость переходных металлов и их
сплавов. М.: «Наука», 1977, 383 с.
ДО ПИТАННЯ ПРО СТРУМОНЕСУЧУ ЗДАТНІСТЬ НАДПРОВІДНИХ
КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ Nв3Sn ПІД НАВАНТАЖЕННЯМ
В.М.Горбатенко, М.Б.Лазарєва, В.І.Соколенко
Вивчена струмонесуча здатність композитів різного типу та геометрії на основі інтерметаліду Nb3Sn при
4,2 К у високих магнітних полях в умовах накладення напруги що розтягує. Показано, що у дротяних
композитах з низьким об’ємним вмістом фази Nb3Sn, виготовлених по «бронзовій технології» з ростом
зовнішнього напруження, що розтягує, з’являється локальний максимум Jс обумовлений компенсацією
термічних напружень, які стискують. Він стає відсутній при збільшенні об’ємного вмісту Nb3Sn та введенні
в конструкцію стабілізуючого елементу. Для стрічкових надпровідників, одержаних методом рідиннофазної
дифузії в макропружній області характерно незначне збільшення Тс и практично відсутня зміна
намагничування. Безповоротна деградація надпровідних параметрів для усіх типів композитів, виникаюча
при визначених значеннях зовнішньої напруги, пов’язана з появою мікротріщин у шарах Nb3Sn
TO A QUESTION ABOUT CURRENT-CARRYING ABILITIES
OF SUPERCONDUCTING COMPOSITES ON THE BASIS OF Nв3Sn
UNDER LOADING
V.M. Gorbatenko, M.B. Lazareva, V.I. Sokolenko
Current-carrying ability in the high magnetic fields at 4,2 К at the action of tension stresses of composites on the
basis of compound Nb3Sn of different type and geometry was studied. It is shown that wire composites manufac-
tured by «bronze» technology, having the low volume content of Nb3Sn phase, when the external tension rising,
have exhibited the local maximum Ic caused by indemnification of thermal compressing pressure, which absent
when a volume content of Nb3Sn increased and a stabilizing element in a design introduced. For the tape-type super-
conductors obtained by a method of liquid-phase diffusion, in macroelastic area the insignificant increase in Tc is
characteristic and practically there is no change of magnetization. Irreversible degradation of superconducting pa-
rameters at all kinds of the composites, arising at the certain values of external loading, related to appearance of mi-
crocracks in Nb3Sn layers
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.42-47.
47
Национальный Научный Центр «Харьковский физико-технический институт»,
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110746 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-29T11:55:11Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Горбатенко, В.М. Лазарева, М.Б. Соколенко, В.И. 2017-01-06T09:55:52Z 2017-01-06T09:55:52Z 2008 К вопросу о токонесущей способности сверхпроводящих композитов на основе Nв₃Sn под нагрузкой / В.М. Горбатенко, М.Б. Лазарева, В.И. Соколенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 42-47. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110746 538.9:539.2 Изучена токонесущая способность композитов различного типа и геометрии на основе интерметаллида Nb₃Sn при 4,2 К в сильных магнитных полях в условиях приложения растягивающих напряжений. Показано, что у проволочных композитов с низким объемным содержанием фазы Nb₃Sn, изготовленных по «бронзовой» технологии, с ростом внешнего растягивающего напряжения появляется локальный максимум Jс, обусловленный компенсацией термических сжимающих напряжений, отсутствующий при увеличении объемного содержания Nb₃Sn и введении в конструкцию стабилизирующего элемента. Для ленточных сверхпроводников, полученных методом жидкофазной диффузии, в макроупругой области характерно незначительное увеличение Тс и практически отсутствует изменение намагниченности. Необратимая деградация сверхпроводящих параметров у всех типов композитов, возникающая при определенных значениях внешней нагрузки, связана с появлением микротрещин в слоях Nb₃Sn. Вивчена струмонесуча здатність композитів різного типу та геометрії на основі інтерметаліду Nb₃Sn при 4,2 К у високих магнітних полях в умовах накладення напруги що розтягує. Показано, що у дротяних композитах з низьким об’ємним вмістом фази Nb₃Sn, виготовлених по «бронзовій технології» з ростом зовнішнього напруження, що розтягує, з’являється локальний максимум Jс обумовлений компенсацією термічних напружень, які стискують. Він стає відсутній при збільшенні об’ємного вмісту Nb₃Sn та введенні в конструкцію стабілізуючого елементу. Для стрічкових надпровідників, одержаних методом рідиннофазної дифузії в макропружній області характерно незначне збільшення Тс и практично відсутня зміна намагничування. Безповоротна деградація надпровідних параметрів для усіх типів композитів, виникаюча при визначених значеннях зовнішньої напруги, пов’язана з появою мікротріщин у шарах Nb₃Sn Current-carrying ability in the high magnetic fields at 4,2 К at the action of tension stresses of composites on the basis of compound Nb₃Sn of different type and geometry was studied. It is shown that wire composites manufactured by «bronze» technology, having the low volume content of Nb₃Sn phase, when the external tension rising, have exhibited the local maximum Iс caused by indemnification of thermal compressing pressure, which absent when a volume content of Nb₃Sn increased and a stabilizing element in a design introduced. For the tape-type superconductors obtained by a method of liquid-phase diffusion, in macroelastic area the insignificant increase in Tс is characteristic and practically there is no change of magnetization. Irreversible degradation of superconducting parameters at all kinds of the composites, arising at the certain values of external loading, related to appearance of microcracks in Nb₃Sn layers ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы К вопросу о токонесущей способности сверхпроводящих композитов на основе Nв₃Sn под нагрузкой До питання про струмонесучу здатність надпровідних композитів на основі Nb₃Sn під навантаженням To a questionabout current-carrying abilities of superconducting composites on the basis of Nb₃Sn under loading Article published earlier |
| spellingShingle | К вопросу о токонесущей способности сверхпроводящих композитов на основе Nв₃Sn под нагрузкой Горбатенко, В.М. Лазарева, М.Б. Соколенко, В.И. Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы |
| title | К вопросу о токонесущей способности сверхпроводящих композитов на основе Nв₃Sn под нагрузкой |
| title_alt | До питання про струмонесучу здатність надпровідних композитів на основі Nb₃Sn під навантаженням To a questionabout current-carrying abilities of superconducting composites on the basis of Nb₃Sn under loading |
| title_full | К вопросу о токонесущей способности сверхпроводящих композитов на основе Nв₃Sn под нагрузкой |
| title_fullStr | К вопросу о токонесущей способности сверхпроводящих композитов на основе Nв₃Sn под нагрузкой |
| title_full_unstemmed | К вопросу о токонесущей способности сверхпроводящих композитов на основе Nв₃Sn под нагрузкой |
| title_short | К вопросу о токонесущей способности сверхпроводящих композитов на основе Nв₃Sn под нагрузкой |
| title_sort | к вопросу о токонесущей способности сверхпроводящих композитов на основе nв₃sn под нагрузкой |
| topic | Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы |
| topic_facet | Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110746 |
| work_keys_str_mv | AT gorbatenkovm kvoprosuotokonesuŝeisposobnostisverhprovodâŝihkompozitovnaosnovenv3snpodnagruzkoi AT lazarevamb kvoprosuotokonesuŝeisposobnostisverhprovodâŝihkompozitovnaosnovenv3snpodnagruzkoi AT sokolenkovi kvoprosuotokonesuŝeisposobnostisverhprovodâŝihkompozitovnaosnovenv3snpodnagruzkoi AT gorbatenkovm dopitannâprostrumonesučuzdatnístʹnadprovídnihkompozitívnaosnovínb3snpídnavantažennâm AT lazarevamb dopitannâprostrumonesučuzdatnístʹnadprovídnihkompozitívnaosnovínb3snpídnavantažennâm AT sokolenkovi dopitannâprostrumonesučuzdatnístʹnadprovídnihkompozitívnaosnovínb3snpídnavantažennâm AT gorbatenkovm toaquestionaboutcurrentcarryingabilitiesofsuperconductingcompositesonthebasisofnb3snunderloading AT lazarevamb toaquestionaboutcurrentcarryingabilitiesofsuperconductingcompositesonthebasisofnb3snunderloading AT sokolenkovi toaquestionaboutcurrentcarryingabilitiesofsuperconductingcompositesonthebasisofnb3snunderloading |