NM / Тема_3

37

3 ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

3.1 Поводниковые металлы и сплавы

Проводниковые металлы и сплавы должны обладать высокой электропро-

водностью, достаточно высокими механическими свойствами, сопротивляемо-

стью к атмосферной коррозии, способностью поддаваться обработке давлением в горячем и холодном состоянии.

После серебра наиболее высокой электропроводностью обладают медь и алюминий. Они и являются наиболее распространенными проводниковыми материалами. Проводимость отожженного проводникового алюминия состав-

ляет приблизительно 62% проводимости стандартной меди. Но плотность алю-

миния мала, поэтому проводимость 1 кг алюминия составляет 214% проводи-

мости 1 кг меди. Следовательно, алюминий экономически более выгоден для использования в качестве проводникового материала.

Применяемые в настоящее время проводниковые материалы можно раз-

делить на следующие группы: проводниковая медь, проводниковый алюминий,

проводниковые сплавы, проводниковое железо, сверхпроводники.

Проводниковая медь. При наличии в меди даже небольшого количест-

ва примесей ее электропроводность быстро уменьшается (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Влияние примесей на электропроводность меди

38

Для изготовления электрических проводов применяют электролитиче-

скую (катодную) медь, с суммарным содержанием примесей не более 0,05%.

Катоды переплавляются в слитки, при этом содержание примесей в меди по-

вышается. Проводниковая медь марки Ml должна содержать не более 0,1%

примесей, в том числе не более, %: 0,001 Bi; 0,002 Sb; 0,002 As; 0,005 Fe; 0,002

Ni; 0,005 Pb; 0,002 Sn; 0,005 S; 0,05 O; 0,003 Ag. Фосфор для раскисления меди марки М1 не применяется.

Проводниковая медь имеет в отожженном состоянии имеет предел прочности 270 МПа. Предел прочности меди может быть повышен до 480 МПа путем холодной деформации, но при этом ее удельное сопротивление увеличи-

вается (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Зависимость механиче- ских свойств и удельного электриче- ского сопротивления меди марки М1 от степени деформации

Проводниковый алюминий. Недостатком алюминия является его срав-

нительно низкая прочность. Отожженный алюминий почти в три раза менее прочен на разрыв, чем медь. Поэтому при изготовлении проводов его упроч-

няют путем холодной деформации. В этом случае предел прочности составляет

250 МПа, что является недостаточным для сопротивления сильному натяжению,

которое испытывают провода в линиях электропередач. Поэтому для линий электропередач применяют провода со стальной сердцевиной.

39

Для кабельных и токопроводящих изделий применяют алюминий марок А00, А0, Al, A2. Проводниковый алюминий обычно содержит десятые доли процента примесей, из которых основными являются железо и кремний (таб-

лица 3.1).

Термическая обработка проводникового алюминия для снижения его со-

противления обычно не применяется, так как холодная обработка алюминия мало снижает его электропроводность. Так при обжатии до 95 – 98% электро-

проводность уменьшается не более чем на 1,2% электропроводности стандарт-

ной меди.

Проводниковые сплавы. В тех случаях, когда требуется повышенная проч-

ность или специальные свойства (например, повышенное сопротивление исти-

ранию), применяют сплавы на алюминиевой и медной основе. Композицию сплавов подбирают таким образом, чтобы легирующий металл не растворялся в основном металле, а упрочнение сплавов достигалось за счет интерметалличе-

ских фаз.

Проводниковое железо. Удельное электрическое сопротивление железа в 7

– 8 раз выше, чем у меди. Тем не менее, железо применяют в промышленности,

т.к. оно является недефицитным материалом и имеет повышенную механиче-

скую прочность. При использовании железа в качестве проводникового мате-

риала оно должно быть достаточно чистым. Обычно для этих целей применяют армко-железо.

40

Железо используют при изготовлении биметаллических проводов, в этом случае сердцевину провода изготовляют из железа, а поверхностный слой из материала, имеющего более высокую электрическую проводимость (медь, алю-

миний).

3.2 Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы

3.2.1 Сверхпроводимость

С понижением температуры наблюдается монотонное падение электриче-

ского сопротивления материалов. Вблизи абсолютного нуля у многих металлов и сплавов происходит резкое падение электрического сопротивления, и они становятся сверхпроводниками (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 – Влияние температуры на элек- трическое сопротивление сверхпроводниковых материалов

Сверхпроводимость – способность материалов не оказывать сопротив-

ления электрическому току при температурах ниже характерной для них кри-

тической температуры Тк.

Впервые сверхпроводимость обнаружил в 1911 г. голландский ученый Гейке Камерлинг-Оннес, который наблюдал скачкообразное исчезновение со-

противления ртути до неизмеримо малой величины при температуре 4,2 К.

К настоящему времени сверхпроводимость обнаружена у большинства чистых металлов, причем сверхпроводящее состояние легче всего возникает в металлах с низкой обычной проводимостью. Открыто и изучено около трех тысяч сверхпроводящих сплавов и интерметаллических соединений, и их чис-

41

ло непрерывно растет. Чистые металлы принято относить к сверхпроводникам первого рода, а сплавы и соединения – к сверхпроводникам второго рода.

Напряженность магнитного поля в объеме сверхпроводников при тем-

пературах ниже критической равна нулю. Металл становится диамагнетиком – материалом, приобретающим во внешнем магнитном поле магнитный мо-

мент, направленный против намагничивающего поля. Поэтому при переходе материала в сверхпроводящее состояние внешнее магнитное поле «выталкива-

ется» из его объема и остается лишь в тонком поверхностном слое толщиной около 10–5 мм. Это явление называется эффектом Мейснера.

Перевод материала в сверхпроводящее состояние связан с фазовым пере-

ходом. Новое фазовое состояние характеризуется тем, что свободные электро-

ны перестают взаимодействовать с ионами кристаллической решетки и всту-

пают во взаимодействие между собой. Электроны с противоположными спи-

нами объединяются в пары, и результирующий спиновый момент становится равным нулю. Электронные пары называют куперовскими по имени Леона Ку-

пера, впервые показавшего, что сверхпроводимость в металлах связана с их об-

разованием.

В обычном, неспаренном состоянии электроны рассеиваются на приме-

сях, имеющихся в металле, или на тепловых колебаниях кристаллической ре-

шетки – фононах. Рассеивание электронов приводит к возникновению элек-

трического сопротивления. Куперовские пары не рассеиваются, так как энергия фононов, которую пара может получить от взаимодействия с ними или дефек-

тами решетки при криогенных температурах, слишком мала. Не испытывая рассеяния, куперовские пары движутся сквозь решетку кристалла без сопро-

тивления, что и приводит к явлению сверхпроводимости.

Сверхпроводящее состояние может быть разрушено как при нагреве ма-

териала до температуры выше критической, так и в результате воздействия сильных внешних магнитных полей с напряженностью Нк, превышающей кри-

тическое значение. Критическое магнитное поле подобно критической темпе-

ратуре является основной характеристикой сверхпроводящего материала. При

42

превышении Тк или Нк происходит скачкообразное восстановление электриче-

ского сопротивления, и магнитное поле проникает в металл. Одним из главных преимуществ сверхпроводников является возможность достижения высоких плотностей тока. Чем выше плотность тока, тем компактнее приборы, меньше расход дорогостоящих сверхпроводящих материалов и меньше масса, которую необходимо охлаждать. Высокая плотность тока позволяет снизить капиталь-

ные и эксплуатационные расходы установок на сверхпроводниках.

3.2.2 Сверхпроводящие материалы и технология их производства

Из всех чистых металлов, способных переходить в сверхпроводящее со-

стояние, наивысшую критическую температуру перехода имеет ниобий (Ткр = 9,2 К). Однако для ниобия характерны низкие значения критического магнит-

ного поля (около 0,24 Тл), что недостаточно для его широкого применения.

Хорошим сочетанием критических параметров Тк и Вк отличаются сплавы и ин-

терметаллидные соединения ниобия с цирконием, титаном, оловом и германи-

ем. В таблице 3.2 приведены критические параметры сверхпроводников, пред-

ставляющих практический интерес.

Сплавы и соединения ниобия переходят в сверхпроводящее состояние при достаточно высоких температурах. Они могут выдерживать довольно сильные магнитные поля и характеризуются высокой плотностью тока. В жид-

ком гелии при внешнем поле с индукцией 2,5 Тл критическая плотность тока

43

составляет: для Nb – Zr – 1 кА/мм2; для Nb – Ti – 2,5 кА/мм2; Nb3Sn – 17 кА/мм2; V3Ga – 5 кА/мм2.

К наиболее распространенным сверхпроводящим материалам относится сплав Nb (основа) с 46,5 % Ti (по массе). Этот сплав отличается высокой техно-

логичностью, из него обычными методами плавки, обработки давлением и тер-

мической обработки можно изготавливать проволоку, кабели, шины. Интер-

металлиды, хотя и обладают более высокими критическими параметрами,

имеют высокую хрупкость, что затрудняет изготовление из них длинномер-

ных проводов традиционными методами металлургической технологии.

При изготовлении сверхпроводящего кабеля в бруске меди просверлива-

ют множество отверстий и в них вводят тонкие Nb – Ti стержни. Брусок протя-

гивают в тонкую проволоку, вновь разрезают ее на куски, которые снова вво-

дят в новые бруски. Повторяя многократно эту операцию, получают кабель с большим числом сверхпроводящих жил, из которого делают катушки для электромагнитов (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Поперечное сечение многожиль- ного сверхпроводящего композита с 361 нио- бий-титановой жилой в медной матрице

Если в какой-либо жиле сверхпроводимость случайно нарушится, то вы-

сокая электро- и теплопроводность медной матрицы дает возможность осуще-

ствить термическую стабилизацию сверхпроводника в докритическом режиме.

Применение хрупких интерметаллидов значительно усложняет изготов-

ление кабеля. Для получения проводов из сверхпроводящего соединения Nb3Sn

применяют так называемую бронзовую технологию, основанную на селектив-

ной твердофазной диффузии. Тонкие нити пластичного ниобия запрессовывают

44

в матрицу из бронзы, содержащую 10 – 13 % Sn. В результате многократного волочения и повторяющихся запрессовок с промежуточными отжигами и по-

следующей термической обработки происходит диффузия олова в ниобий и на его поверхности образуется тонкая пленка Nb3Sn. Из-за ничтожной раство-

римости медь в ниобий практически не диффундирует. Схема бронзовой техно-

логии представлена на рисунке 3.5. Полученные провода достаточно пластич-

ны, легко гнутся и укладываются плетением в кабель, сохраняя целыми плен-

ки Nb3Sn.

Рисунок 3.5 – Схема бронзовой технологии изготовления многожильных про- водов на основе Nb3Sn:

А – сборка, волочение и отжиг; Б – термообработка

Для получения сверхпроводящих лент из соединений интерметаллидов кроме того применяют метод химического осаждения из газовой фазы. Его ис-

пользование позволяет синтезировать соединение Nb3Ge, имеющее наиболее высокую критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние.

Простота изготовления, благоприятное сочетание электрических и меха-

нических свойств и сравнительно низкая стоимость позволяют рекомендовать сверхпроводники на основе твердого раствора Nb – Ti в качестве основных ма-

териалов до Вк = 8 Тл при Тк = 4,2 К. В более сильных полях, когда плотность тока существенно падает, целесообразно использовать интерметаллические со-

единения типа Nb3Sn.

В конце 1980-х годов была открыта высокотемпературная сверхпрово-

димость в керамических материалах.

В 1986 г. впервые были получены сверхпроводящие керамические ок-

сидные образцы системы La – Ва – Сu – О с температурой перехода в сверхпро-

45

водящее состояние Тк = 35 К. Позднее на иттриевых керамиках системы Y –

Ва – Сu – О была достигнута температура перехода в сверхпроводящее состоя-

ние Тк около 90 К, дающая возможность использовать дешевый и доступный жидкий азот в качестве хладагента. Керамика на основе соединений оксида меди с оксидом стронция, висмута и щелочноземельных элементов, например со-

става 2SrO·СаО·Bi2O3·2CuO, имеет еще более высокую Тк – до 100 – 115 К. В

настоящее время исследователями ряда стран разработано большое число кера-

мических материалов с переходом при температурах 250 К и даже при комнат-

ной температуре. Значительная часть разработанных материалов характеризу-

ется нестабильностью и большой хрупкостью.

Поиск новых сверхпроводников продолжается, хотя пока проблема оста-

ется чисто научной. В перспективе необходимо разработать технологию произ-

водства и применения высокотемпературных сверхпроводников.

3.2.3 Перспектива использования сверхпроводящих материалов

Наиболее важными областями применения сверхпроводников является создание сильных магнитных полей, получение и передача электроэнергии.

Соленоид из сверхпроводящего материала может работать без подвода энергии извне сколь угодно долго, поскольку однажды возбужденный в нем ток не затухает. Поддержание соленоида в сверхпроводящем состоянии не требует больших энергетических затрат. При нулевом сопротивлении легко решается проблема теплоотвода. Кроме того, сверхпроводящие магниты на-

много компактнее обычных. Каждый килограмм массы сверхпроводящего магнита создает магнитное поле, эквивалентное по силе полю 20-тонного электромагнита с железным сердечником.

Сверхпроводящие магниты используют для исследований в области фи-

зики высоких энергий, создания мощных магнитных кольцевых ускорителей частиц и систем управления движением пучков частиц на выходе из ускорите-

ля. Сверхпроводящие магнитные системы применяют в жидководородных пу-

46

зырьковых камерах, в которых по кривизне траекторий от пузырьков вски-

пающей жидкости определяют знак заряда и импульс пролетающих частиц.

Проблемы термоядерной энергетики не могут быть решены без приме-

нения мощных сверхпроводящих магнитов. Для осуществления управляемого термоядерного синтеза ядер гелия из ядер дейтерия и трития необходимо удерживать в реакционном пространстве горячую тритий-дейтериевую плазму,

нагретую до 108 – 109°С. Только сверхпроводящие магниты способны создать поля такой мощности.

В ближайшем будущем большой вклад в решение энергетической про-

блемы возможен за счет повышения термодинамического коэффициента полез-

ного действия тепловых электростанций с использованием МГД-генераторов,

принципиальная схема которых показана на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 – Принципиальная схема МГД-генератора:

1 – потребитель; 2 – соленоид; 3 – электрод; 4 – поток плазмы

Ионизированные горячие продукты сгорания топлива в виде низкотем-

пературной плазмы с температурой около 2500°С пропускают с большой скоростью через сильное магнитное поле. Образовавшуюся электроэнергию снимают электродами, расположенными вдоль плазменного канала. Таким об-

разом, с помощью МГД-генератора осуществляется прямое преобразование те-

пловой энергии в электрическую.

В перспективе передачу энергии большой мощности целесообразно осу-

ществлять с помощью сверхпроводящих кабельных подземных линий. Расчеты показали, что по сверхпроводящему кабелю толщиной в руку можно пропус-