Механически усиленные ВТСП проводники 1-го поколения и сверхпроводниковые магнитные системы на их основе

2015, Tом 12, выпуск 5

Тематика: ВТСП материалы 1-го поколения

Относительно недавно компанией Sumitomo Electric Industries была представлена новая технология механического усиления ВТСП-лент 1-го поколения. Доступные на данный момент ленты 1-го поколения производства Sumitomo находят широкое применение в различных ВТСП устройствах, в частности, в линиях электропередачи постоянного (Япония и России) и переменного (Германия) токе. Стандартный коммерческий ВТСП проводник 1-го поколения (Type H по классификации производителя, параметры приведены в таблице ниже) способен нести ток до 200 А (примерно 400 А/см) при температуре жидкого азота в собственном поле. На опытных образцах достигнут критический ток до 273 А при 77К.

Наиболее слабой стороной ВТСП проводников 1-го поколения, существенно ограничивающей область их применения, является устойчивость к внешним механическим воздействиям. Известно, что в процессе работы магнитной системы обмотки подвергаются воздействию существенных механических напряжений. Особенно это касается высокополевых магнитных систем, а также обмоток со сложным профилем, например, диполей или квадруполей. Установлено, что даже кратковременное воздействие механических напряжений способно необратимо снизить критический ток проводника. В случае лент «Type H», деградация начинается уже при воздействии продольного растягивающего механического напряжения в 130 МПа (в целом ряде проектов устройств из ВТСП-2 проводников механические напряжения в обмотках достигают 500-600 МПа). Для улучшения механических свойства ВТСП проводников 1-го поколения до уровня ВТСП проводников 2-го поколения компанией Sumitomo прилагаются значительные усилия. Были созданы проводники, дополнительно усиленные медной (Type HT-CA) и нержавеющей фольгой (Type HT-SS). Механическое напряжение, при котором начинается деградация токонесущей способности для новых ВТСП лент составляло около 500 МПа (измерения проводились при температуре жидкого азота). Тем не менее, возникает другая проблема: механическое усиление ВТСП лент путем нанесения дополнительных металлических слов, требуемое для магнитных систем с высокими плотностями тока, негативно сказывается на масс-габаритных характеристиках и стоимости устройств.

Для механического усиления ВТСП проводников 1-го поколения без существенного увеличения их толщины было применено ламинирование слоем никель-хромовой фольги. Данный сплав был выбран исходя из отсутствия намагниченности и высокой механической прочности. Для сравнения, модуль Юнга нержавеющей стали составляет около 180 ГПа, а напряжение разрыва порядка 1200 МПа. Соответствующие показатели для никель-хромового сплава равны 200 ГПа и 1800 МПа. Стоит отметить, что никель-хромовая фольга стоит примерно в три раза дороже, чем аналогичная нержавеющая фольга.

Таблица 1. Сравнительные характеристики ВТСП лент 1-го поколения Sumitomo

Компанией Sumitomo была изготовлена ВТСП лента уменьшенной толщины, так называемый «Новый Type H». Проводники, механически усиленные никель-хромовой фольгой толщиной 35 мкм, получили обозначение «ХХ». Пайка фольги производилась на обе стороны ленты припоем, не содержащим свинца. В Таблице 1 приведены сравнительные характеристики разработанных компанией Sumitomo ВТСП лент 1-го поколения. Как видно из Таблицы 1, при уменьшении толщины ВТСП лент для сохранения величины критического тока приходится увеличивать их ширину.

Установлено, что предварительное механическое нагружение ламинирующей фольги (вплоть до образования большого числа микротрещин) увеличивает ее механическую прочность и, соответственно, улучшает механические свойства всего ВТСП проводника. В экспериментах усилие предварительного натяжения никель-хромовой ленты достигало 140 Н.

Механические испытания на растяжение проводились при температуре жидкого азота. Согласно полученным результатам, критическое механическое напряжение (при котором критический ток образца снижается на 5%) составляло в среднем 530 МПа для ВТСП проводников “Type HT-XX” и 510 МПа - для нового “Type HT-XX” (см. Рис. 1.). Эти показатели практически совпадают с полученными ранее результатами для ВТСП лент, усиленных нержавеющей сталью (Type HT-SS). Учитывая, что толщина нержавеющей фольги в составе ВТСП лент “Type HT-SS” составляла 100 мкм, а предварительное натяжение производилось до усилия 161 Н, механические свойства проводников Type HT-XX и нового Type HT-XX следует признать крайне высокими. Разница между критическими механическими напряжениями различных разновидностей проводников “Type HT-XX” пока объясняется разницей в толщине базовых ВТСП лент “Type H”. Однако, авторами запланированы дальнейшие исследования этого вопроса.

Рис. 1. Зависимость нормированного критического тока от растягивающих механических напряжений для усиленных ВТСП проводников Sumitomo

В дополнение к механическим испытаниям на растяжение, были проведены испытания на изгиб и усталость. Образцы ВТСП лент нагружались до 485 МПа, что соответствует растяжению на 0,48%. Каждый образец был подвергнут 10000 циклам нагружения. Повреждений или разрывов образцов не было зарегистрировано, многократное механическое нагружение практически не отразилось на величине критического тока образцов (среднее падение составило около 1 А). В настоящее время проводится новая серия экспериментов.

Рис. 2. Зависимость нормированного критического тока от диаметра изгиба механически усиленных ВТСП проводников Sumitomo

Испытания на изгиб дали следующие результаты: критический диаметр изгиба для ВТСП проводников “Type HT-XX” составляет 34 мм, что сравнимо с аналогичным результатом для “Type HT-SS”. Что касается нового “Type HT-XX”, точного результата получить не удалось. Авторы обладали возможностью проводить измерения только на диаметрах 20 мм и 30 мм, в первом случае происходило механическое разрушение образцов, во втором случае существенной деградации токонесущей способности не наблюдалось (см. Рис. 2.). Можно сделать вывод, что предварительное натяжение образца положительным образом сказывается на его прочности к изгибу.

Также были проведены испытания ВТСП лент во внешнем магнитном поле до 17 Тл при температуре жидкого гелия. По техническим причинам, в распоряжении авторов находились лишь образцы, прошедшие предварительное натяжение с усилием 100 Н и 170 Н. Предполагалось, что пониженная температура приведет к возникновению существенных сжимающих усилий в образцах по причине разницы в коэффициентах температурного расширения ВТСП лент и ламинирующего материала. Второй причиной могло бы стать наличие микротрещин, возникших при предварительном натяжении. Так как воздействие сжимающих механических напряжений на ВТСП ленты 1-го поколения вызывает более сильную деградацию их токонесущей способности (экспериментально подтверждено для проводников “Type H”, “Type HT-SS” и “Type HT-CA”), ожидалось, что при испытаниях в жидком гелии произойдет существенное падение критического тока по сравнению с не нагруженными образцами. Тем не менее, образец, прошедший предварительное натяжение до 100 Н, показал лучший результат, чем ВТСП проводник “Type H” без усиливающего слоя. На образце, прошедшем предварительное натяжение до 170 Н, наблюдалась деградация токонесущей способности. Предположительно, предварительного натяжения до 100 Н недостаточно для развития микротрещин (см Рис. 3). 

Рис. 3. Полевые зависимости критических токов для ВТСП проводников с различным усилием предварительного натяжения.

Также, снижение толщины ВТСП лент позволило добиться увеличения инженерной критической плотности тока.  Для ВТСП проводника “Type HT-XX” критическая плотность тока в жидком гелии составляет 290 А/мм² при 10 Тл и 270 А/мм² при 15 Тл. Для более тонкого (на 8,4%) нового “Type HT-XX”, проводника критическая плотность тока при 4,5 К и 10 Тл превышает 300 А/мм².

На основе механически усиленных ВТСП проводников 1-го поколения с малым сечением компанией Sumitomo было изготовлено несколько экспериментальных сверхпроводниковых соленоидов, параметры которых представлены в Таблице 2.

Таблица 2. Характеристики сверхпроводниковых соленоидов на основе механически усиленных ВТСП проводников 1-го поколения.

Благодаря использованию лент, устойчивых к механическим воздействиям, удалось значительно уменьшить габариты сверхпроводниковых магнитных систем. В частности, магнитная система с теплым отверстием 70 мм и магнитной индукцией 6 Тл весит всего 100 кг при габаритных размерах 0,8х0,3х0,3 м (вместе с криостатом), при этом, значительную часть устройства занимает криокулер (см. Рис. 4.). По утверждениям авторов, конструкция магнитной системы позволяет временно отключать криокулер, сохраняя работоспособность ВТСП соленоида, что позволяет проводить чувствительные к вибрации эксперименты.

Рис. 4. ВТСП магнитная система Sumitomo MS 6 T-70, 6 Тл в теплом отверстии 70 мм.

Работы по механическому усилению ВТСП лент 1-го поколения ведутся и другими авторскими коллективами. В частности, недавно была опубликована совместная работа Северо-западного Политехнического Университета (Сиань, КНР) и Северо-западного института цветных металлов (Сиань, КНР). Процесс механического усиления ВТСП лент 1-го поколения состоял в электролитическом осаждении структурированного никелевого слоя толщиной от 30 до 90 мкм.

Опытные образцы ВТСП проводников были подвергнуты механическим испытаниям на продольное растяжение при температуре жидкого азота. Авторы отмечают, что нанесение более толстого никелевого покрытия одновременно увеличивает как механическую прочность лент, так и их устойчивость к внешним механическим воздействиям. Деградация токонесущей способности образцов с более тонким никелевым покрытием (или его отсутствии) наступает значительно быстрее (см. Рис. 5).

Рис. 5. Зависимость нормированного критического тока механически усиленных ВТСП лент от растягивающих напряжений.

В целом, работы по механическому усилению ВТСП лент 1-го поколения крайне важны, в первую очередь, с точки зрения практического применения сверхпроводников. Увеличение устойчивости ВТСП лент к механическим воздействиям, при одновременном увеличении критической плотности тока, позволит снизить габаритные размеры и вес сверхпроводниковых устройств.

1. Nakashima T. et all, “Drastic Improvement in Mechanical Properties of DI-BSCCO Wire With Novel Lamination Material” IEEE Transactions Applied Superconductivity 25, 6400705 (2015).

2. Bai L. et all “Entitled to full text Improvement mechanical properties for Bi-2223 tapes reinforced by electrodeposited Ni coating” J Alloys Compounds 651, 78 (2015).

3. Takeshi Kato, “DI-BSCCO Wires and Associated Product Applications” ISTEC Superconductivity Web 21, September (2015).

Д.Н.Диев