Tiến bộ và ứng dụng thị trường của công nghệ hợp kim siêu dẫn Niobium-Titan

Hợp kim siêu dẫn niobium-titan bắt đầu được người Mỹ nghiên cứu vào những năm 1950 và ban đầu không được phát triển và sản xuất nhanh chóng do mật độ dòng điện lớn ở trường cao không thu được. Đến năm 1961, người Mỹ Ham (JK Halm) và những người khác trong ấn phẩm "Đánh giá vật lý" của nước này lần đầu tiên đã báo cáo về hợp kim siêu dẫn niobium-titan Tc. 1962, American Berlincounrt (TG Berlincounrt) và những người khác là những người đầu tiên công bố hợp kim siêu dẫn niobium-titan của Hc2 với Jc cao, cùng năm đó, Mathias người Mỹ (BT Mathias) trong bằng sáng chế của Hoa Kỳ đã báo cáo về niobi- nam châm vật liệu siêu dẫn titan. Kể từ đó, vật liệu hợp kim siêu dẫn niobi-titan đã được ứng dụng quốc tế ở giai đoạn phát triển.

Hợp kim siêu dẫn Niobium-titan là một trong những vật liệu siêu dẫn được sử dụng nhiều nhất trong công nghệ siêu dẫn hiện có. Tỷ lệ khối lượng gần 1:1 của hợp kim Nb-Ti có tính siêu dẫn tốt, nhiệt độ chuyển tiếp tới hạn siêu dẫn Tc=9.5K, có thể hoạt động ở nhiệt độ của helium lỏng, nó ở mức 5T (50,{{8) }} Gs) từ trường, mật độ dòng truyền Jc Lớn hơn hoặc bằng 105A/cm2 (4,2K); ứng dụng cao nhất của trường lên tới 10T (100,000 Gs) (4.2K). Hợp kim này cũng có hiệu suất xử lý tuyệt vời, có thể thu được thông qua quá trình nấu chảy, xử lý và xử lý nhiệt truyền thống của các sản phẩm dây và dải siêu dẫn. Vì vậy, ngay từ những năm 60 sau khi bắt đầu nghiên cứu đã sớm bước vào sản xuất ở quy mô công nghiệp hóa. Hoa Kỳ vào cuối những năm 70 sản lượng hàng năm đạt tới một trăm tấn; Trung Quốc vào những năm 80 cũng xây dựng dây chuyền sản xuất thí điểm. Hầu hết các vật liệu siêu dẫn Nb-Ti thực tế là các hợp kim đôi đơn giản chứa 35% đến 55% Nb; một số tantalum và zirconium có thể được thêm vào để cải thiện tính chất siêu dẫn. Do tính ổn định của tính siêu dẫn, vật liệu siêu dẫn Nb-Ti thường sử dụng đồng nguyên chất, nhôm nguyên chất hoặc hợp kim đồng-niken làm vật liệu ma trận, nhúng vào nhiều sợi tổ hợp lõi mịn Nb-Ti thành vật liệu siêu dẫn đa lõi composite. Một dây siêu dẫn có thể chứa hàng chục đến hàng chục sợi lõi Nb-Ti, đường kính lõi nhỏ nhất đến 1 μm. Ngoài ra, tùy theo mục đích sử dụng, nhưng cũng thường phải xoắn dây đa lõi và chuyển vị, để đạt được hiệu quả giảm tổn thất và tăng độ ổn định của vật liệu siêu dẫn điện từ Nb-Ti của quy trình xử lý cơ bản là : lò hồ quang tự tiêu thụ hoặc lò plasma sẽ là titan và niobi nguyên chất nóng chảy thành phôi hợp kim, sau đó ép đùn phôi nóng, cán nóng và kéo nguội thành thanh, cán nóng và kéo nguội thành que. Thông qua cán nóng và kéo nguội thành thanh; sau đó các thanh hợp kim Nb-Ti được đưa vào ống đồng không có oxy làm vật liệu cơ bản, được ghép thành thanh một lõi; và sau nhiều lần lắp ráp composite, xử lý thành dây và dải siêu dẫn Nb-Ti đa lõi. Vật liệu này cần phải trải qua nhiều quá trình xử lý lạnh lớn (tỷ lệ xử lý trên 90%) và xử lý nhiệt lão hóa ở nhiệt độ thấp (dưới 400 độ), để chất siêu dẫn có đủ trung tâm ghim hiệu quả, để cải thiện đặc tính siêu dẫn của siêu dẫn nguyên vật liệu. Do hiệu ứng điện trở bằng 0 của chất siêu dẫn không gây thất thoát nhiệt joule và chất siêu dẫn Nb-Ti trong từ trường mạnh có thể mang dòng điện vận chuyển rất cao, do đó vật liệu siêu dẫn Nb-Ti đặc biệt thích hợp cho ứng dụng trong hiện trường dòng điện cao, từ trường mạnh của kỹ thuật điện. Ví dụ bao gồm nam châm từ trường cao, máy phát điện, động cơ điện, sản xuất năng lượng từ chất lỏng, phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát, thiết bị lưu trữ năng lượng, tàu bay từ trường tốc độ cao, động cơ đẩy điện từ cho tàu và cáp truyền tải điện. Cho đến nay, những ứng dụng thành công nhất của vật liệu siêu dẫn hợp kim Nb-Ti là: bàn đạp khí năng lượng cao cyclotron cỡ lớn có đường kính hơn 1km và các thiết bị chẩn đoán hình ảnh cộng hưởng từ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế. Mặc dù các nhà khoa học ở giữa{48}} đã phát hiện ra chất siêu dẫn nhiệt độ cao hợp chất đồng-oxy có thể hoạt động ở nhiệt độ nitơ lỏng (77K); tuy nhiên, vật liệu siêu dẫn hợp kim Nb-Ti với hiệu suất xử lý tuyệt vời độc đáo, đặc tính siêu dẫn nhiệt độ thấp tốt, chi phí tương đối thấp và kinh nghiệm nghiên cứu, sản xuất và phát triển ứng dụng trong nhiều thập kỷ, hợp kim niobium-titan vẫn là vật liệu siêu dẫn thực tế quan trọng nhất thế giới .