книги / Нанотехнологии и специальные материалы

4.3. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Наиболее важные области применения сверхпроводников — создание сильных магнитных полей, получение и передача элек­ троэнергии.

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 те­ плоотвода. Кроме того, сверхпроводящие магниты намного ком­ пактнее 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 физики высоких энергий, создания мощных магнитных кольцевых ускорителей частиц и систем управления движением пучков частиц на выходе из ускорителя. Сверхпроводящие маг­ нитные системы применяют в жидководородных пузырьковых камерах, в которых по кривизне траекторий от пузырьков вски­ пающей жидкости определяют знак заряда и импульс пролетаю­ щих частиц.

Проблемы термоядерной энергетики не могут быть решены без применения мощных сверхпроводящих магнитов. Для осуще­ ствления управляемого термоядерного синтеза ядер гелия из ядер дейтерия и трития необходимо удерживать в реакционном про­ странстве горячую тритий-дейтерневую плазму, нагретую до 10 — 10')оС. Только сверхпроводящие магниты способны создать поля такой мощности. Наиболее перспективными термоядерными ре­ акторами являются установки типа "Токамак”, интенсивно разра­ батываемые исследователями в разных странах, в том числе Рос­ сии, США, Японии.

В ближайшем будущем большой вклад в решение энергетиче­ ской проблемы возможен с использованием МГД-генераторов за счет повышения термодинамического коэффициента полезного дей­ ствия тепловых электростанций. Ионизированные горячие про­ дукты сгорания топлива в виде низкотемпературной плазмы с температурой около 2500 °С пропускают с большой скоростью через сильное магнитное поле (рис. 4.7). Образовавшуюся элек­ троэнергию снимают электродами, расположенными вдоль плаз­ менного канала. Таким образом, с помощью МГД генератора осуществляется прямое преобразование тепловой энергии в элек­ трическую.

Рис. 4.9. Схема сечения сверхпроводящих кабелей трехфазного тока с коакси­ альными парами проводников (а) и постоянного тока с концентрически распо­

ложенными проводниками (б):

1 —вакуумнрованное пространство; 2 —каналы для жидкого азота; 3 — термостатнрующая изоляция; 4 — каналы для жидкого гелия; 5 — сверхпроводник; 6 —

электрическая изоляция

Внутренние трубы покрыты слоем сверхпроводящего материала толщиной около 0,3 мм и заполнены жидким гелием. В качестве сверхпроводника может быть использован сплав ниобия с тита­ ном или цирконием. Кабели подобной конструкции прошли про­ изводственные испытания в России, США и Японии.

Сверхпроводимость также позволяет решить проблему запаса электроэнергии впрок с выдачей ее при пиковых нагрузках. Ин­ дуктивный накопитель энергии представляет собой тороидальный криостат диаметром несколько метров, по виткам обмотки кото­ рого практически без потерь циркулирует ток.

Обычный железнодорожный поезд, движущийся по стальным рельсам, имеет принципиальный предел скорости около 350 км/ч. При его превышении нарушается надежное сцепление колес с рельсами, резко возрастает сила аэродинамического сопротивления, появляется ’’токосъемный барьер”, препятствующий нормальному функционированию системы подвески контактного провода вслед­ ствие слишком больших вибраций.

Использование эффекта сверхпроводимости позволяет соз­ дать поезд без колес с магнитной подвеской и тягой —поезд на магнитной подушке (рис. 4.10). В днище вагонов поезда установ­ лены сверхпроводящие электромагниты 4, охлаждаемые жидким гелием 5. При движении поезда в алюминиевых полосах-рельсах / наводятся токи, в свою очередь создающие магнитные поля.

Согласно правилу Ленца магнитное поле индуцированного тока противоположно по направлению внешнему магнитном)' по­ лю и между магнитом и алюминиевой полосой возникают силы отталкивания, приподнимающие вагон над эстакадой. Примене­ ние сверхпроводящих магнитов позволяет поднять вагон над до­ рогой на высоту более 100 мм.

Рис. 4.10. Эскиз магнитоплана

Тяга создается с помощью линейного бесконтактного электро­ двигателя. Линейный двигатель 3 можно представить как моди­ фикацию обычного вращающегося двигателя, который разрезали вдоль образующей, развернули и уложили на плоскости. На по­ лотно дороги между алюминиевыми полосами проложен третий активный рельс, который играет роль статора, а сверхпроводя­ щая катушка вагона —ротора. Вдоль пути движется тянущая по­ езд магнитная волна, скорость которой пропорциональна частоте переменного тока в рельсе.

Колеса 2 в поезде на магнитной подушке используются, как в самолете, только для разгона и торможения. По аналогии такие поезда называют магнитопланами.

В Японии проложена скоростная магистраль между Токио и Осакой протяженностью 500 км, по которой курсируют сверх­ проводниковые поезда со скоростью 500 км/ч.

Криогенные сверхпроводящие материалы, находящие приме­ нение в электродвигателях и трансформаторах, позволяют умень­ шить их объем, снизить массу на 80 У доведя при этом коэффи­ циент полезного действия до 98 %.

Вращающийся сверхпроводящий шар из сплавов ниобия при взаимодействии с внешним магнитным полем способен парить без опор в воздухе или в вакууме. Такой шар является идеальным ротором гироскопа — основного прибора для ориентации косми­ ческих кораблей.

Сильные магнитные поля криогенных сверхпроводящих уст­ ройств позволяют защищать космические корабли от повышенной радиации.

Перечень применений сверхпроводящих криогенных систем не исчерпывается приведенными примерами. Столь широкий спектр использования явления сверхпроводимости и особых свойств сверхпроводящих материалов говорит о создании новой области техники, имеющей огромные перспективы.

Промышленное использование высокотемпературных сверх­ проводников вместо низкотемпературных с заменой дорогого жид­ кого гелия на жидкий азот позволит существенно упростить сис­ тему криостатирования и резко сократить эксплуатационные рас­ ходы с одновременным повышением надежности в эксплуатации. В индустриально развитых странах интенсивно ведутся финанси­ руемые правительством разработки по применению сверхпровод­ никовых технологий, в том числе ВТСП, в различных отраслях техники. По оценкам Всемирного Банка, объем продаж сверх­ проводникового оборудования возрастет в мире с 2 млрд. долл, в 2000 г. до 244 млрд. долл, в 2020 г., т. е. ожидается более чем 100-кратный рост объема продаж.

4.4. СПЛАВЫ С НИЗКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Для ряда отраслей машиностроения и приборостроения необ­ ходимо применение материалов со строго регламентированными в определенных температурных интервалах эксплуатации значе­ ниями таких физических свойств, как температурные коэффици­ енты линейного расширения а (ТКЛР) и модуль нормальной уп­ ругости р (ТКМУ). Эти коэффициенты определяют характер из­ менения размеров детали и модуля упругости сплава при нагреве.

ТКЛР сплава определяют с помощью дилатометра по относи­ тельному удлинению образца в заданном температурном диапазоне.

Согласно правилу Курнакова в том случае, если компонен­ ты образуют твердый раствор, то ТКЛР сплава изменяется по криволинейной зависимости внутри пределов, ограниченных значениями ТКЛР этих чистых компонентов. Коэффициент ли­ нейного расширения а возрастает с повышением температуры (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Кривая расширения сплавов при повышении температуры

Однако сплавы Fe—Ni не под­ чиняются общим закономерностям. В области концентраций никеля от 30 до 45 % для них характер­ ны аномалии, связанные с инвар­ ным эффектом (рис. 4.12). Самое низкое значение ТКЛР в диапазо­ не температур от —100 до +100 °С имеет сплав, содержащий 36 % Ni.

температура Этот сплав был открыт Гийомом в 1897 г. и назван инваром (от лат. неизменный) из-за мини­ мальных значений теплового расширения.

Для металлов с кубической кристаллической решеткой ТКЛР изотропен. Его значения не зависят от направлений кристаллической решетки и преимущественной ориентации текстуры. Термический коэффициент объемного расширения втрое превышает ТКЛР.

Для сплавов Fe—Ni инварного состава, помимо низких значе­ ний ТКЛР, характерна еще одна аномалия —аномалия термиче­ ского коэффициента модуля упругости (ТКМУ). В любых твер­ дых телах, в том числе металлах, при нагреве наблюдается уменьшение модуля упругости, являющегося мерой сил межатом­ ных связей. В сплавах с инварным эффектом модуль упругости растет или остается постоянным с повышением температуры. Ха­ рактерно, что максимальной величиной ТКМУ обладает тот же Fe—Ni сплав с самым низким значением ТКЛР, содержащий 36 % Ni (рис. 4.13). Подбор определенного химического состава

Рис. 4.12. Температурный коэффициент линейного расширения сплавов Fe—Ni

Рис. 4.13. Температурный коэффициент модуля упругости сплавов Fe—Ni

позволяет разработать сплавы, модуль упругости которых прак­ тически не зависит от температуры. Сплавы, сохраняющие посто­ янство модуля упругости в широком температурном диапазоне, называют элинварами. Природа аномального изменения ТКЛР инварных сплавов, так же как и модуля нормальной упругости, имеет ферромагнитное происхождение.

В ферромагнитных Fe—Ni сплавах инварного типа велик уро­ вень объемной магнитострикции — увеличения объема за счет внутреннего магнитного поля. При нагреве происходит уменьше­ ние магиитострикционной составляющей объема. Выше темпера­ туры точки Кюри магиитострикционные деформации полностью исчезают в связи с переходом металла в парамагнитное состояние.

ТКЛР ферромагнетиков определяется формулой:

а = а 0 —А

где ао — нормальный коэффициент линейного расширения, определяе­ мый энергией связи атомов; Д — составляющая ТКЛР, обусловленная магнитострикцией парапроцесса.

Нормальная составляющая ТКЛР при нагреве растет вследст­ вие уменьшения энергии связи атомов. Этот рост компенсируется уменьшением магнитострикции в результате снижения намагни­ ченности, как следствие усиления тепловых колебаний атомов. В итоге при нагреве до температуры точки Кюри объем инварных сплавов мало меняется. ТКЛР для некоторых сплавов может при­ обретать отрицательные значения, и их объем даже уменьшается.

Для обеспечения стабильности температурного коэффициента линейного расширения и модуля упругости для каждого конкрет­ ного случая необходимо применение сплавов строго определенно­ го химического состава. Такие сплавы обычно называют прецизи­ онными сплавами (от франц. слова precision), т. е. отличающи­ мися высокой точностью химического состава.

Основным представителем сплавов с минимальным ТКЛР яв­ ляется сплав 36Н (ЗбНХ). Инвар имеет самые низкие значения а в интервале температур от —100 до +100 °С. Благодаря высокому уровню механических свойств и технологичности инвар использу­ ется в качестве конструкционного материала для деталей, от кото­ рых требуется постоянство размеров при меняющихся температур­ ных условиях эксплуатации. Из инвара изготавливают жесткозакрепленные трубопроводы сложной пространственной формы, перекачивающие сжиженные газы в криогенных установках. Ma лая величина ТКЛР позволяет уменьшить напряжения в трубо­ проводах и предотвратить возможность их разрушения. Отпадает необходимость установки сильфонных узлов для компенсации де­ формации, что упрощает конструкцию и делает ее более надежной.

В табл. 4.3 представлены составы и свойства сплавов с регла­ ментированными значениями ТКЛР, нашедших наибольшее приме­ нение. Значения ТКЛР приведены в состоянии после отжига при температуре =900 °С с последующим медленным охлаждением.

ТКЛР сплавов зависит от предварительной обработки. Мини­ мальное значение коэффициента а инвара достигается после за­ калки от 830 °С, в результате которой примеси переходят в твер­ дый раствор, и отпуска при 315 °С. Холодная деформация также способствует снижению ТКЛР. В результате комбинации обеих обработок он становится почти равным нулю.

Замена части никеля равным количеством кобальта и легиро­ вание малыми добавками меди позволяют дополнительно снизить ТКЛР инвара. Такой сплав называют суперинваром.

В электровакуумных газоразрядных и полупроводниковых при­ борах широко используют спаи металлов с такими диэлектриками, как стекло и керамика. Для обеспечения герметичности и ваку­ умной плотности спаев необходимо соответствие ТКЛР материа­ лов соединяемой пары в эксплуатационном интервале температур. Во избежание напряжений и трещин значение ТКЛР сплава долж­ но быть максимально приближено к ТКЛР диэлектрика и строго регламентировано. Для определения пригодности спаев металлов со стеклом используют чувствительный метод —измерение в по­ ляризованном свете упругих напряжений, имеющихся в спае.

Состав сплавов для пайки и сварки со стеклом подбирают та­ ким образом, чтобы ТКЛР стекла и металла были близки во всем

ТАБЛИЦА 4.3

Состав и свойства Fe—Ni сплавов с регламентированным ТКЛР (ГОСТ 10994-74)

Рис. 4.14. Температурные зависимости отно­ сительного изменения длины легкоплавкого (/) и тугоплавкого (2) стекла и соответствую­

щих сплавов Fe—Ni и Fe—Ni—Со

интервале температур вплоть до размягчения стекла. Ковар используют для соединения с термостойкими стек­ лами, а платинит — с обычными лег­ коплавкими стеклами, применяемыми в электровакуумной промышленности. На рис. 4.14 показан характер линей­ ного расширения двух разных сортов стекла и соответствующих им сплавов.

Стали с определенным тепловым расширением служат также для изготовления термобиметаллов, когда слой с низким тепло­ вым расширением ( ’’пассивный слой”) путем прокатки надежно соединяют с другим слоем, обладающим более высоким тепло­ вым расширением (’’активный слой”). Биметаллические пласти­ ны используют в качестве терморегулятора в приборостроении. Нагрев такой пластины приводит к ее искривлению, позволяю­ щему разомкнуть электрическую цепь.

Основным свойством термобиметаллов является термочувст­ вительность, т. е. способность изгибаться при изменении темпера­ туры. В качестве пассивной составляющей обычно применяют инвар ЗбН с ТКЛР = 1,5 • 10-G К-1, а в качестве активной —Fe— Ni сплавы с ТКЛР около 20 - 10~6 К-1, содержащие 8—27% Ni, дополнительно легированные Сг, Mn, Mo.

Г л а в а 5

МЕТАЛЛЫ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ

5.1. МЕХАНИЗМ ЭФФЕКТА ПАМЯТИ ФОРМЫ

Долгое время неупругую деформацию считали полностью не­ обратимой. В начале 1960-х годов был открыт обширный класс металлических материалов, у которых элементарный акт неупру­ гой деформации осуществляется за счет структурного превраще­ ния. Такие материалы обладают обратимостью иеупругой деформа­ ции. Явление самопроизвольного восстановления формы —эффект памяти формы (ЭПФ) может наблюдаться как в изотермических условиях, так и при температурных изменениях. При теплосменах такие металлические материалы могут многократно обратимо деформироваться.