Сверхпроводящие материалы

 

Зависимость удельного электросопротивления металлов и сплавов монотонно снижается при уменьшении температуры в довольно широких её пределах:

 

,

 

где r и r₀ – удельное электросопротивление при температуре t и при 0°С соответственно, a - температурный коэффициент сопротивления, К^-1.

При определённых низких температурах у некоторых металлов удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью, оно имеет квантовую природу. Температура перехода в сверхпроводящее состояние – это критическая температура Т_к. За исключением металлов первой, и восьмой групп периодической системы Д.И. Менделеева и щёлочноземельных металлов, все остальные металлы способны переходить в сверхпроводящее состояние. В сверхпроводящее состояние могут переходить также различные сплавы и химические соединения.

Значения Т_к большинства материалов лежат ниже температуры кипения жидкого водорода (20,4 К). Явление сверхпроводимости может быть разрушено сильным магнитным полем, даже если температура металла ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Напряжённость такого магнитного поля называется критической напряжённостью Н_кр. Если Н> Н_кр, то сверхпроводник переходит в нормальное состояние. С ростом температуры значение Н_кр уменьшается и при Т ³ Т_к обращается в нуль. Различают сверхпроводники первого и второго рода по значениям критической напряжённости: если критическая напряжённость имеет порядок нескольких тысяч и выше – это сверхпроводник второго рода, в противном случае – первого. Свойства некоторых сверхпроводников приведены в таблице 3.2.

 

 

Таблица 3.2 - Свойства некоторых сверхпроводящих материалов

№ пп*	Вещество	Тк, К	Hк, кА/м
1	Pb	7,2	63,66
2	Ta	4,5	66,05
3	Sn	3,7	24,67
4	Al	1,2	7,96
5	Zn	0,88	4,22
6	W	0,01	0,08
7	Nb	9,25	318,31
8	65БТ	9,7	7957,75
9	Сплав Ti-Ni	9,8	7957,75
10	V3Ga	14,5	27852,12
11	Nb3Sn	18	19894,37
12	(Nb3Al)4Nb3Ge	20	–
13	Nb3Ge	23	–
14	GeTe	0,17	10,35
15	SrTiO3	0,2-0,4	23,87
Примечание: * Вещества 1-6 это сверхпроводники первого рода, 7-12 – сверхпроводники второго рода, 13-15 – полупроводниковые сверхпроводники.

 

Одно из важнейших направлений в металлургии прецизионных сплавов – это разработка сплавов обладающими сверхпроводящими свойствами в условиях не сверхнизких температур и сильных магнитных полей. Хотя явление сверхпроводимости было открыто Камерлинг-Онессом давно – в 1911 г., практическое его использование сдерживалось из-за отсутствия жёстких сверхпроводников – сплавов, сочетающих сверхпроводимость в сильных магнитных полях с высокой пластичностью, необходимой для получения ленты и проволоки, используемой при изготовлении сверхмощных малогабаритных электромагнитов. При использовании сверхпроводящих сплавов удаётся создавать мощные и экономически эффективные магнитные установки. Из большого числа разработанных сплавов, особенно эффективными оказались сплавы системы Ti-Nb типа 65БТ, 50БТ, 35 БТ.

Они так пластичны, что могут быть изготовлены в виде тонкой холоднотянутой проволоки и ленты.

Основа сплавов иного типа – это титан, хотя получение особо чистого титана всё ещё сравнительно ложный технологический процесс.

В последние годы в результате исследований были разработаны немагнитные сверхпроводящие сплавы типа 78ТМ, 73ТФ, 73ТФЮ. Их свойства приведены в таблице 3.3.

 

 

Таблица 3.3 - Свойства сверхпроводников на основе титана

Сплав	l, Вт/(м×К)	r, мкОм×м	a×103, К-1	sв, Мпа	d,%
78ТМ	9,2	1,3	0,1	1080	10
73ТФ	9,2	1,25	0,2	1100	10
73ТФЮ	7,6	1,4	0,2	1100	9

 

Малоуглеродистые никелевые стали типа 0Н6А (6-7% Ni), 0Н9А (8,5-9,5%Ni) используют для изготовления сварных конструкций, работающих при температурах до 77 К. Их предел текучести s_0,2 = 400 – 450 МПа при нормальных температурах, а при 77 К s_0,2 = 680 – 820 МПа. Ударная вязкость этих сталей при 77 К KCU = 1,0 – 1,3 МДж/м². Из этих сталей изготовляют цилиндрические и сферические резервуары для хранения и транспортировки сжиженных газов при температуре не ниже 77К.

Аустенитные криогенные стали делят на три группы. К первой группе относятся хромоникелевые стали 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т, получившие наибольшее применение. Из них изготавливают крупногабаритные установки большой мощности для получения сжиженных газов (O₂, N₂, H₂ и др.), транспортные ёмкости и хранилища сжиженных газов. Они хорошо свариваются и обладают большими запасами вязкости при криогенных температурах. Так, при 20К s_0,2 = 600МПа и KCU = 1М Дж/м². Ко второй группе сталей относятся сложнолегированные аустенитные стали повышенной прочности 07Х21Г7АН5 и 03Х20Н16АГ5. При 20К у этих сталей s_0,2 = 1150 – 1350 МПа и KCU = 1,0 – 1,3М Дж/м². Их применяют для изготовления крупногабаритных сварных конструкций и ёмкостей для транспортировки сжиженных газов. К третьей группе относятся аустенитные стали на хромомарганцевой основе 10Х14Г14Н4Т и 03Х13АГ19. Они используются как заменители дорогостоящих хромоникелевых сталей. Эти стали рекомендуется использовать для изготовления сварных конструкций, работающих при температурах 290 – 77К (03Х13АГ19) и 290 – 20 К (10Х14Г14Н4Т).

 

Твёрдые материалы

 

Твёрдыми называют материалы, изготовленные методами порошковой металлургии и состоящие из карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), соединённых кобальтовой связкой.

Существуют твёрдые материалы трёх групп: вольфрамовые (ВК3, ВК6, ВК8, ВК10), титан вольфрамовые (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12), титано-тантало-вольфрамовые (ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8-Б, ТТ20К9). Если в марке стоит буква «М», например ВК6-М, то материал изготовлен из мелких порошков, «ОМ» – из слабо мелких, а «ВК» – особо крупный карбид вольфрама WC. В марках первые буквы обозначают группу, к которой принадлежит материал ВК – (W), Т – (Ti-W), TT – (Ti-Ta-W). Цифры в вольфрамовой группе – это количество кобальта; первые цифры в титановольфрамовой группе – это количество TiC, а вторые – это количество кобальта; первые цифры в титано-тантало-вольфрамовой группе – это количество карбидов титана и тантала в сумме, а вторые – это количество кобальта.

Для чистовой обработки трудно обрабатываемых материалов и закалённой стали (HRC ³ 55) используют режущий инструмент, оснащённый пластинами из синтетических поликристаллических сверх твёрдых материалов на основе нитрида бора – композитов. В исходный нитрид бора вводят различные легирующие добавки и наполнители и получают прочно связанные мельчайшие кристаллиты (поликристаллы). К группе сверхтвёрдых материалов относятся: композит 01 (эльбор-Р), композит 02 (белбор), композит 10 (гексанит – Р).

Разработаны твёрдые материалы, не содержащие дефицитного вольфрама. Их выпускают на основе TiC-Ni-Mo (сплав ТН-20) и на основе карбонитрида титана Ti(NC)-Ni-Mo (КНТ-16).