Явление сверхпроводимости
Елена Голец 5478
Явление сверхпроводимости заключается в том, что при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, некоторые материалы полностью теряют электросопротивление.
Явление сверхпроводимости в материалах
Явление сверхпроводимости впервые открыл в 1911 году голландский ученый Г. Камерлинг-Онкес. С тех пор ведутся интенсивные поиски новых сверхпроводящих материалов, которые бы позволили использовать это явление в конкретных устройствах с максимальной энергетической и экономической выгодой.
Сверхпроводимость открывает фантастические перспективы перед электротехникой, энергетикой, транспортом. Ведь если сопротивление проводника равно нулю, то по нему можно пропускать сколь угодно большой ток, и при этом совершенно не будет потерь на нагревание. Это мечта электротехников!
Из-за нагрева обычных проводов безвозвратно теряется до 20 % всей вырабатываемой электроэнергии, а в линиях электропередач из сверхпроводников потери будут мизерными. Американский профессор Ричард Мак-Фи подсчитал, что сверхпроводящий кабель толщиной в руку может справиться со всей пиковой мощностью, вырабатываемой электростанциями США.
Открывается возможность получения сверхмощных магнитных полей, которые так необходимы при создании термоядерных реакторов, уникальных конструкций генераторов тока, новых физических приборов, поездов на магнитной подушке и многих других полезных вещей.
Явление сверхпроводимости в композитах
Создавая композиты, можно формировать необходимые физические свойства и тем самым решать разнообразные физические задачи. Одна из них - создание сверхпроводящих устройств. Это очень большая проблема, в работе над ней участвуют люди разных профессий. Задача для физиков и химиков - получение веществ, обладающих сверхпроводимостью.
А использование уже известных сверхпроводящих материалов для создания определенного изделия - сверхпроводящего провода - типичная задача для материаловедов.
Сверхпроводящий провод - композит
Многолетние теоретические и экспериментальные исследования привели физиков к такому заключению относительно конструкции сверхпроводящих проводов: обеспечить надежную работу сверхпроводящего провода можно в том случае, если он будет представлять собой композит, состоящий из теплопроводной (например, медной) матрицы, в которой равномерно распределены непрерывные сверхпроводящие, волокна, ориентированные вдоль оси провода.
Желательно, чтобы диаметр этих волокон не превышал нескольких микрометров, а их количество измерялось тысячами или десятками тысяч. При этом объемная концентрация волокон в матрице должна составлять 5-7 % , а диаметр всего провода - быть порядка 1 мм.
Сверхпроводящие волокна
Задача материаловедов - научиться получать такой провод, задача непростая. Дело в том, что традиционные методы создания композитов для ее решения не годятся:
- Нет сверхпроводящих волокон микрометрового диаметра, имеющих к тому же длину сотни метров или километров.
- Если бы даже таковые существовали, вряд ли удалось бы гарантировать, что они где-то не порвутся в процессе переработки, а это значит, что не было бы уверенности в качестве композита и в его надежности.
Здесь нужно искать какие-то новые, нетрадиционные пути. Необходимо установить, каким материалам присуще явление сверхпроводимости и на сколько целесообразно использовать их в качестве сверхпроводящих волокон. Наиболее подходящими для этого являются сплав ниобий-титан или интерметаллические соединения, такие как Nb3Sn; Nb3Ge, Nb3Ga, и др.
Первый сплав имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние Тк=8-10 К, тогда как у интерметаллидов эта температура составляет 17-20 К. А чем выше температура перехода, тем экономически и технически проще выполнить сверхпроводящую установку в целом. Но у сплавов есть очень существенное преимущество - они пластичны, их можно обрабатывать давлением, не опасаясь, что они разрушатся.
А интерметаллиды - хрупкие, они обработке давлением не поддаются. Чему отдать предпочтение? Материаловеды решают, как получить композит из меди, армированной тончайшими проволочками из сплава ниобий-титан, а так же разрабатывают использования более перспективных волокон. При этом они осмысливают результаты, анализируют информацию, которая, возможно, подскажет какие-то новые пути.
В процессе обдумывания появилась мысль, что нужно использовать хорошие пластические свойства ниобийтитанового сплава и меди и попробовать их совместно деформировать. Можно взять медный слиток, просверлить в нем несколько отверстий, вставить в них прутки из ниобиевого сплава и такую композитную заготовку подвергнуть волочению до нужного диаметра.
Но количество волокон в таком композите будет равно количеству просверленных отверстий. Сколько их можно просверлить? Десяток, сто. А нужны десятки тысяч волокон. Если предположить, что взяли лист бумаги и согнули вдвое, потом еще вдвое, потом еще - и так пятьдесят раз - какую толщину будет иметь полученная стопка бумаги?
Пусть этот лист имеет толщину 0,1 мм. Согнув его вдвое, получим 0,1 • 2=0,2 мм, еще вдвое 0,1 • 22=0,4 мм, еще вдвое - 0,1 • 23=0,8 мм. Каждый перегиб увеличивает толщину в два раза, следовательно, согнув лист пятьдесят раз, мы получим толщину стопки 0,1 • 250 мм. Но 250 ≈ 1015, следовательно, искомая толщина составит 1014 мм = 108 км=100 000 000 км. Сто миллионов километров!
Совершенно неожиданный результат. Это же больше, чем половина расстояния от Земли до Солнца. Вдруг стало ясно, как решить задачу. Ведь волокна можно заставить размножаться! Все очень просто, нужно использовать свойства геометрической прогрессии.
Можно взять заготовку из меди (предположим, диаметром 100 мм), просверлить в ней отверстие диаметром 25 мм, вставить туда пруток из ниобийтитанового сплава и такую заготовку подвергнуть волочению до диаметра, скажем, 10 мм. Потом длинный биметаллический пруток нужно разрезать на несколько коротких (пусть на 7) прутков одинаковой длины, уложить их вместе в медный стакан и снова подвергнуть совместному волочению или экструзии.
Получится длинный медный пруток, в нем уже будет запрессовано 17 ниобийтитановых стерженьков, диаметр которых намного меньше исходного. Его снова можно разрезать на 7 частей, снова уложить в медный стакан и снова продавить через фильеру. После этого получим медный прут будет уже 72=49 ниобийтитановых проволочек, диаметр которых еще уменьшится.
Если повторить те же операции 5 раз, получим в медной матрице 75=16 807, если 6 раз - 76= 117 649 волокон из сверхпроводящего сплава. Не обязательно, конечно, разрезать прутки на 7 частей, можно на любое другое число, например, 10, 15, 19 и т. д. Принципиальное решение найдено. Конечно, будет еще немало препятствий при его реализации, еще многое не будет получаться, но когда есть уверенность, что ты на правильном пути, все препятствия преодолимы.
В качестве сверхпроводящего материала использовался пластичный сплав. Для многих сверхпроводящих устройств свойства полученного композитного провода недостаточны. Необходимо решить, как ввести в композит хрупкие интерметаллические волокна, например из Nb3Sn. О прежней технологии нечего и говорить - пластической деформации Nb3Sn не поддается.
Волочить его бесполезно даже совместно с медной матрицей - все равно разрушится. Хотя то же самое межфазное взаимодействие, с которым столько неприятностей при создании жаропрочных композитов, в данном случае можно заставить выполнять полезную работу. Сделать недруга союзником и помощником.
Можно же поступить так: подвергать волочению совместно с матрицей не соединение Nb3Sn, а чистый ниобий, а потом, получив нужную структуру материала, превратить каким-нибудь образом ниобий в Nb3Sn. Это, наверное, не так и сложно сделать. Нужно решить, как доставить к ниобиевым волокнам олово, а дальше при нагреве ниобий будет взаимодействовать с ним, образуя нужное нам соединение.
Обращаемся к прежней технологии, только вместо сплава ниобий-титан используем чистый ниобий, а вместо чистой меди - ее сплав с оловом (бронзу). И ниобий, и бронзу можно подвергать пластической деформации. После того как композит бронза - ниобий будет доведен до нужной структуры, то есть ниобиевые волокна будут иметь диаметр несколько микронов, нагреем полученный провод.
При нагревании резко ускоряется диффузия, атомы олова из бронзы начнут проникать в ниобий и образовывать с ним соединение.
Недостаток бронзовой матрицы - пониженная тепло- и электропроводность по сравнению с медью. Уменьшить этот недостаток можно за счет использования смешанной матрицы, включающей наряду с бронзой чистую медь. Но при нагреве медь может реагировать с оловом, что опять ухудшит ее электро- и теплофизические показатели.
Чтобы этого не произошло, нужно между медью и бронзой поставить барьеры, которые заодно будут снижать вихревые токи. Удобен для этой цели тантал. Как выглядит провод, содержащий волокна Nb3Sn. Схематически его структура состоит из 19 многоугольников, форма которых близка к шестиугольной,- это проволоки из композита бронза - Nb3Sn.
Все они расположены в медной матрице. Сечение одной такой проволоки состоит из 187 групп, содержащих волокна из Nb3Sn, причем в каждой группе по 19 таких волокон, а между ними - бронзовая матрица. Всего в композитном проводе содержится 67 507 волокон диаметром ~ 5 мкм (вернее, каждое волокно состоит из ниобиевого сердечника, покрытого слоем Nb3Sn толщиной ~ 1 мкм).
В завершение процесса изготовления всему композиту придается прямоугольное сочетание, чтобы его можно было плотно намотать на сердечник. Такой прямоугольный композитный проводник, имеющий поперечное сечение 1,75x5,46 мм, способен пропускать ток 5000 А в поле 6 Т и 1250 А в поле 12 Т. Но требования техники с каждым годом повышаются, и для их удовлетворения необходимы материалы с еще более высокими свойствами.
А значит, нужно идти дальше, выдвигать новые идеи, разрабатывать новые технологии, создавать новые материалы. Такие вопросы, как явление сверхпроводимости, и как с помощью композитов удается решать задачи, которые обычным материалам не под силу, решает не один человек и не одна организация. И решает в течение не одного года. Работа очень большая и трудоемкая.
Для ее выполнения объединяют усилия специалисты разных профессий - физики, химики, математики, конструкторы, материаловеды.
