Технические науки/3.Отраслевое машиностроение.

Д.ф.-м.н. Баранникова С.А.^1,2,3, к.т.н. Шляхова Г.В.^1,4, д.ф.-м.н. Зуев Л.Б.^1,2

¹Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск

²Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск

³Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск

⁴Северский технологический институт НИЯУ МИФИ, г. Северск

Использование методов сканирующей зондовой микроскопии при исследовании свехпроводящего кабеля

В настоящей работе методами атомно-силовой микроскопии исследована микроструктура элементов сверхпроводящего кабеля на основе сплава Nb-Ti, используемого для изготовления токонесущих элементов в магнитной системе Международного термоядерного экспериментального реактора. Конструкция сверхпроводящего кабеля состоит из нескольких тысяч сверхпроводящих жил диаметром 2…5 мкм, относительное положение которых фиксируется медной матрицей.

Микроструктура многожильного кабеля со сверхпроводящими жилами из сплава Nb-47,5 мас.%Ti (63,7 ат.%Ti) исследовалась на промежуточной стадии волочения при переходе Ø1,3→Ø1,2 мм в поперечных и продольных сечениях.

Рис. 1. Ниобиевый барьер вокруг волокон в матрице проводника в поперечном в бездефектной области: 1 – волокна Nb-Ti, 2 –медная матрица волокна Nb-Ti; 3 – Nb барьер

Для детального выявления рельефа структурных элементов кабеля использовали атомно-силовую микроскопию (Solver PH47-PRO) [1] с применением контактного метода в режиме “постоянной силы“ [2]. В результате сканирования поперечного сечения вокруг волокон Nb-Ti, размещенных в медной матрице, выявлен диффузионный Nb барьер, который отчетливо проявляется в виде выступов рельефа в зоне сопряжения жилы с матрицей (рис. 1 а) [3-5]. Ширина Nb барьера вдоль оси Х составила ≈ 250 нм. Средний размер зерна Cu в медной матрице ≈ 800 нм.

Для исследований продольных сечений на АСМ использовали метод «Grand Analysis». В этом режиме выбирается определенная область сечения, которая маркируется в виде окружности (Рис. 2), далее определяют основные параметры структурных элементов (зерен) и их средние значения (Таблица).

Рис. 2 Области исследований для определения геометрических параметров: (1) - волокна Nb-Ti, (2) –медная матрица, (3) - Nb – барьер

Сравнение данных полученных в программе Grand Analysis и в режиме «Постоянной силы» исследуемых областей, а именно - медной матрицы (область 2) и Nb – барьера (область 3) показало, что средний размер зерна Сu в матрице составил ≈ 790 нм (Grand Analysis) и 800 нм (Постоянной силы). Максимальная ширина Nb – барьера, измеренная по оси Х в указанных программах, составила ≈ 350 нм и 250 нм.

Таблица. Геометрические параметры структурных элементов сверхпроводящего кабеля на основе сплава Nb-Ti в режиме Grand Analysis

Область ииследования	S зерна, мкм^2	Диаметр зерна, мкм	max размер зерна по Х, мкм	max размер зерна по Y, мкм
Медная матрица (1)	0,473	0,787	1,534	0,837
Волокна Nb-Ti (2)	0,001	0,035	0,035	0,035
Nb – барьер (3)	0,013	0,139	0,349	0,070

Таким образом, полученные результаты в двух программах АСМ хорошо согласуются между собой и позволяют выявить более полную информацию по различным областям многожильного сверхпроводящего кабеля.

Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных исследований Государственной академии наук в 2013-2020 гг.

Литература:

1. Гурьев А.М., Старостенков М.Д., Иванов С.Г., Черных Е.В. Методика сканирующей зондовой микроскопии поверхности диффузионных боридных покрытий // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2013. – Т. 10. – № 4. – С. 535-539.

2. Сканирующий зондовый микроскоп Solver PRO. Руководство пользователя. - М: ЗАО «Нанотехнология-МДТ», 2006. - 341 с.

3. Зуев Л.Б., Шляхова Г.В., Баранникова С.А., Колосов С.В. Исследование микроструктуры элементов кабеля из cверхпроводящего сплава Nb-Ti // Металлы. - 2013. –№ 2. – С. 83-89.

4. Баранникова С.А., Шляхова Г.В., Колосов С.В., Зуев Л.Б. Исследование элементов структуры сверхпроводящего кабеля на основе сплава Nb-Ti при многоступенчатом волочении в очаге локализации пластической деформации // Наноинженерия. – 2013. - №7 (25). - С. 31-35.

5. Шляхова Г.В., Баранникова С.А., Зуев Л.Б. Исследование наноструктурных элементов кабеля технических сверхпроводников Nb-Ti // Известия Вузов. Черная металлургия. – 2013. - № 10. - С. 64-67.