Технические науки/3.Отраслевое машиностроение.

Д.ф.-м.н. Баранникова С.А., к.т.н. Шляхова Г.В., д.ф.-м.н. Зуев Л.Б.

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Россия

Исследование элементов структуры сверхпроводящего кабеля

Использования сверхпроводников позволяет решить ряд важных технических проблем в тех областях техники, где применение традиционных электротехнических материалов экономически нецелесообразно или принципиально невозможно. К таким сверхпроводящим кабелям на стадии изготовления предъявляются высокие требования, наиболее важными из которых являются стабильность токовых характеристик, безобрывность сверхпроводящих волокон (жил), их структурная однородность по длине провода и малые отклонения от геометрических размеров поперечного сечения [1]. В работе проведен анализ влияния холодной деформации волочением на структуру многожильного сверхпроводника на основе сплава Nb-Ti.

Материалы и методика эксперимента. Многожильный сверхпроводящий кабель на основе сплава Nb-Ti представляет собой трехслойную конструкцию, в которой между медными сердечником и внешней оболочкой располагается промежуточный слой из волокон Nb-Ti, размещенных в медной матрице (композит) (рис. 1).

Рис. 1. Поперечное сечение кабеля технических сверхпроводников Nb-Ti на промежуточной стадии волочения при переходе Ø1,3→Ø1,2 мм

Металлография поперечных сечений проводников показала, что в промежуточном слое на границе с медным сердечником проводника жилы Nb-Ti имеют округлую форму co средним диаметром ~10 мкм. В промежуточном слое на границе с медной оболочкой все Nb-Ti волокна приобретают вытянутую форму с диагоналями ~13 и 11 мкм соответственно.

Исследование продольного сверхпроводника на атомно-силовом микроскопе показало, что вокруг волокон Nb-Ti, размещенных в медной матрице, обнаружен диффузионный Nb барьер, который отчетливо проявляется в виде выступов рельефа в зоне сопряжения жилы с матрицей. На профилограмме, построенной методом секущих Nb барьер проявляется в виде высокоамплитудных максимумов шириной до 250…260 нм (рис. 2).

Рис. 2. Ниобиевый барьер вокруг волокон в матрице проводника в продольном сечении в бездефектной области

В результате интенсивной пластической деформации медь в сердечнике приобретает субмикрокристаллическую структуру со средним размером зерен ~800 нм. Сильнее всего медь в сердечнике продеформирована по границе «сердечник - промежуточный слой проводника», где максимальный размер зерна составил ~2120 нм, а минимальный ~310 нм. В промежуточном слое между волокнами в матрице медь представлена равноосными зернами со средним размером ~800 нм. В то же время средний размер зерен меди в оболочке проводника составил ~1050 нм [2].

В ходе микроскопических исследований в промежуточном слое со стороны внутренней поверхности на границе с медным сердечником обнаружен специфический дефект в местах обрыва сверхпроводящих жил [12] (Рис. 3).

2

1

2

1

Рис. 3. Обрыв волокна проводника в продольном сечении в исходном состоянии без шлифования в бездефектной области: 1– медная матрица, 2 – волокно Nb-Ti

Выводы. При анализе влияния деформации волочением на структуру многожильного сверхпроводника на основе сплава Nb-Ti обнаружены следующие особенности: 1) в результате интенсивной пластической деформации медь в элементах кабеля приобретает субмикрокристаллическую структуру со средним размером: в сердечнике ~800 нм, в промежуточном слое между волокнами в матрице ~800 нм; 3) выявлен диффузионный Nb барьер вокруг волокон Nb-Ti, размещенных в медной матрице, шириной ~ 250 нм в бездефектной области.

Работа выполнена при частичной поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 11-08-00237-а.

Литература:

1. Kozlenkova N., Vedernikov G., Shikov A. at all. Study on Ic(T, B) for the Nb-Ti Strand Intended for ITER PF Insert Coil // IEEE Trans. Appl. Supercond. - 2004. - V. 14. - No. 2. - P. 1028-1030.

2. Л.Б. Зуев, С.А. Баранникова, Г.В. Шляхова, С.В. Колосов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2012. – Т. 9. – № 4. – С. 417-421.