В последнее время интерес вызывают открытые в начале нынешнего века сверхпроводники на основе диборида магния благодаря их низкой стоимости и высоким электротехническим характеристикам.

Сверхпроводники делятся на два обширных класса — низкотемпературные, работающие при температурах, близких к температуре жидкого гелия (4,2 К), и высокотемпературные, пропускающие без потерь токи высокой плотности (до 10⁶ А/см² поперечного сечения проводника) при температуре жидкого азота. Низкотемпературные композиционные сверхпроводники представляют собой композиционную проволоку (стренд) диаметром 0,5—2,0 мм, длиной до 50 км, содержащую в металлической матрице несколько десятков тысяч непрерывных сверхпроводящих волокон диаметром 1,5—5 мкм каждое.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Первые высокотемпературные сверхпроводники изготавливали в виде распределённых в матрице из серебра волокон твёрдой и сложной по своему составу керамики, содержащей соединение Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_х (Bi-2223). Они нашли применение в электротехнических устройствах, предназначенных для разных целей — от медицинской диагностики до исследований физики элементарных частиц. Однако первые высокотемпературные керамические сверхпроводники, наряду с уникальными электротехническими характеристиками, обладали рядом свойств, которые затрудняли их использование. Из-за сложности кристаллической структуры и большого количества компонентов в составе они были исключительно хрупкими, обладали низкой химической стабильностью, склонностью к фазовым превращениям и миграции кислорода, резкой анизотропией физических свойств, в том числе критической плотности тока.

Специалисты Высокотехнологического научно-исследовательского института неорганических материалов (ВНИИНМ) им. А. А. Бочвара совместно с другими институтами занимаются разработкой низкотемпературных сверхпроводников на основе деформируемого сверхпроводящего сплава Nb-Ti и сверхпроводящего интерметаллического соединения Nb₃Sn. Волокна из Nb-Ti или Nb₃Sn определённым образом расположены в матрице из меди или сплава на основе меди. Кроме того, в конструкцию стренда входят стабилизирующая медная оболочка и диффузионный барьер, обычно из ниобия или тантала. (На фото — поперечные срезы нескольких конструкций композиционных прутков.)

Во ВНИИНМе разработаны конструкции и технологии изготовления композиционных сверхпроводников из Nb-Ti и Nb₃Sn для магнитной системы строящегося международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР, а на Чепецком механическом заводе запущено первое отечественное промышленное производство низкотемпературных сверхпроводников и изготовлено около 220 тонн таких единичных сверхпроводников. Мощности производства позволяют наладить промышленный выпуск Nb-Ti-сверхпроводников и для других мегапроектов, а также Nb-Ti-стрендов для медицинских томографов.

Высокотемпературными композиционными сверхпроводниками институт занимается с момента их открытия в середине 80-х годов прошлого века. Сейчас здесь идёт работа над ВТСП второго поколения. Они представляют собой гибкие металлические ленты длиной до нескольких сотен метров и шириной 4—12 мм с нанесённым на них тонким слоем сверхпроводящей керамики Y(Gd, Dy)-Ba₂-Cu₃-O_X, где х = 6,5—6,94. Высоких значений плотности критического тока (до 5 МА/см₂ при 77 К) можно достигнуть, только если покрытие имеет ярко выраженную текстуру. Толщина слоя ВТСП невелика, порядка 1 мкм, чего, однако, достаточно для достижения значений критического тока проводника в несколько сотен ампер.

В последнее время интерес вызывают открытые в начале нынешнего века сверхпроводники на основе диборида магния (MgB₂) благодаря их низкой стоимости и высоким электротехническим характеристикам. Разработки ВНИИНМ были показаны на выставке, приуроченной к форуму «Открытые инновации».

№12, 2013