Niobium-ón

Azonosítás
Niobium-ón

__ nióbium __ Tin Crystal szerkezetét az A15 fázis Nb 3 Sn
N o CAS	12035-04-0
Kémiai tulajdonságok
Képlet	Nb 3 Sn [izomerek]
Moláris tömeg	397,429 ± 0,007 g / mol Nb 70,13%, Sn 29,87%,
Fizikai tulajdonságok
T ° fúzió	2130 ° C
Kristályográfia
Kristály rendszer	Kocka alakú
Bravais hálózat	Primitív (P)
Pearson szimbólum	$cP8 \,$
Kristályosztály vagy űrcsoport	Pm 3 n ( n o 223) kocka alakú Hermann-Mauguin: ${\ displaystyle P \ 4_ {2} / m \ {\ bar {3}} \ 2 / n \,}$ Hermann-Mauguin fut: ${\ displaystyle Pm {\ bar {3}} n \,}$ Schoenflies: ${\ displaystyle O_ {h} ^ {3} \,}$
Strukturbericht	A15
Tipikus szerkezet	Cr 3 Si
Hálóparaméterek	a = 455,5 pm

Egység SI és STP hiányában.

A nióbium-ón , más néven triniobium ón, kémiai vegyület, fémes polikristályos, amely Nb 3 Sn empirikus képletű nióbiumból (Nb) és ónból (Sn) áll. . Ez a fémközi vegyület egy A15 fázist és használják az iparban, mint a II-es típusú szupravezető . Ez a kristályszerkezet gyakran előfordul az A 3 B sztöchiometriávalés tartozik a köbös rendszer a tércsoport Pm 3 m ( n o 223). A szerkezet atomjainak helyzete a következő:

2 B atom a helyzetben: (0,0,0) és (1 / 2,1 / 2,1 / 2)
6 A-atom a helyzetben: (1 / 4.0.1 / 2); (1 / 2,1 / 4,0); (0,1 / 2,1 / 4); (3 / 4.0,1 / 2); (1 / 2,3 / 4,0); (0,1 / 2,3 / 4)

Nb 3 Snkörülbelül 18 Kelvin [K] ( -255 ° C ) és 0 Tesla [T] közötti kritikus hőmérséklet alatt szupravezető és 30 T- ig képes ellenállni a mágneses mezőknek . A nióbium-ón azonban drága, törékeny és nehezen előállítható, ezért néha inkább a nióbium-titánt (NbTi) választjuk , amely 9 K ( –264 ° C) nagyságrendű kritikus hőmérsékleten szupravezető . ) és 15 T- ig terjedő mágneses terekkel szemben ellenáll .

Mindazonáltal az elmúlt húsz évben nőtt a nióbium-ón termelése, mivel az ellenáll a jelenlegi áramsűrűségnek, mint a nióbium-titán, és ezért lehetővé teszi olyan nagyszabású alkalmazások fejlesztését vagy fejlesztését, mint például az LHC javítása az fejlesztése mágnesek szupravezetők generálására képes több, mint 10 t .

Történelem

Az Nb 3 Sn szupravezetése1954-ben fedezte fel Bernd Matthias csapata a Bell Telephone laboratóriumban, a New Jersey-i Murray Hill-ben, egy évvel a V 3 Si felfedezése után., az első A15 típusú szerkezetű szupravezető anyag . 1961-ben kiderült, hogy a nióbium-ón nagy áram- és mágneses térértékeken mutat szupravezetést , így ez az első olyan anyag, amely képes ellenállni az erős mágnesek és mágneses mezők használatához szükséges nagy áramoknak és mágneses mezőknek.

Gyártás

Mechanikai szempontból az Nb 3 Snnagyon törékeny, és nem lehet könnyen huzallá tenni, ami szükséges az elektromágnesek létrehozásához . Ennek a problémának a leküzdésére a fonalgyártók ezután bizonyos gyártási technikákat alkalmaznak. Ma 4 ipari módszer létezik az Nb 3 Sn alapú szálak előállítására : a bronz , a belső ón módszer, a „ Módosított zselés tekercs ” (MJR) és a „ Por a csőben ” (PIT) módszer. A módszerek megválasztása a huzal végfelhasználásától függ, és mindegyiknek megvannak a maga előnyei és hátrányai. Arnaud Devred tézise szerint az Nb 3 Sn fiainak létrehozása, szükséges :

állítson össze egy többszálas tuskót, amely tartalmazza az Nb 3 Sn prekurzorait amelyek könnyebben deformálhatók;
a tuskó átalakítása fonással és húzással, amíg a kívánt átmérőjű huzalt meg nem kapjuk;
huzal és / vagy szél (ha szükséges);
végezze el a huzal (vagy a kábel vagy a tekercs) végső állapotú kezelését az Nb 3 Sn vegyület kicsapása érdekébenin situ , ha a potenciálisan leginkább káros mechanikai deformációkat alkalmazzák.

Bronz módszer

A bronz módszer, vezetékek előállított tuskó készült nióbium rudat, amely lehet adalékolt a titán vagy tantál és ezután egy mátrixban a réz és az ón ötvözet . A gyakorlati alkalmazások többségében tiszta rézet adnak vagy a perifériára, vagy a kompozit közepére annak érdekében, hogy kompenzálja a bronz magas maradék ellenállását alacsony hőmérsékleten, és ezáltal megfelelő stabilizációt és védelmet biztosítson.

Amikor a nióbium érintkezik a CuSn ötvözetsel, Nb 3 Sn- vé alakul átegy bizonyos vastagságon, ami növeli a vezeték kritikus áramát. Ha azonban az izzószálak egy részét vagy egészét részlegesen szupravezető gát veszi körül, akkor megfigyelhető a mágnesezettség és a hiszterézis veszteségek növekedése a szupravezetőben. Ennek elkerülése érdekében a réz tantálkorlátokkal van védve, amelyek megakadályozzák az ón diffúzióját a rézben, és ezáltal a bronz további képződését, de ez az anyag drága és kevésbé képlékeny, mint a nióbium.

A huzalt a következő hőkezeléssel hajtjuk végre : 40 és 140 óra között, 700 ° C nagyságrendű hőmérsékleten, vákuumban vagy inert gáz, például argon vagy nitrogén áramának nagy tisztaságú fenntartásával. A réz oxidációjának megakadályozása érdekében a munkakörnyezetet ellenőrizni kell .

A bronz módszer a legklasszikusabb módszer, azonban két hátránya van:

az Nb 3 Sn kicsapódása korlátozza a bronzban jelen lévő ón mennyisége;
több lágyító hőkezelést kell végrehajtani a rajzolási lépések során.

Ezenkívül a bronz fázisok közül csak az α fázis képlékeny és könnyen megmunkálható. Az ón oldhatósága azonban a bronz α fázisában 9,1 atomszázalékra korlátozódik ( 15,7 tömegszázaléknak felel meg). Annak érdekében, hogy elegendő ónmennyiséget biztosítsunk a szálak teljes reakciójához, viszonylag magas bronz / nióbium arányt kell használni. A 9,1 atom% ónösszetételű bronz elméleti határa 2,6 az 1-nél, de a gyakorlatban inkább 3 és 4 az 1-nél. Ezenkívül az α bronznak viszonylag magas a törzskeményedési együtthatója és a közbenső hőkezelések ( 48 órán át 500 ° C-on ) kell elvégezni során a huzal gyártási fázis helyreállítása alakíthatóság és megakadályozza a törést az anyag. Ezek a közbenső műveletek több időt vesznek igénybe, és ezért növelik a termelési költségeket.

Belső ón módszer

A belső ón módszer két előnnyel rendelkezik a bronz módszerrel szemben :

növeli a rendelkezésre álló ón mennyiségét a nióbium belsejében lévő ónmedencék használatával ;
elkerülése céljából lágyító hőkezelés a használata a tiszta réz mátrix alacsony felkeményedési együttható .

Ezúttal a nióbiumrudakat egy rézmátrixba helyezzük, majd egy ónszív körüli csillagban elrendezzük őket, hogy egy alelemet alkossunk. Ezeket az alelemeket ezután egymásra rakják, majd beillesztik egy rézmátrixba. Ezután diffúziógátlót (gyakran tantált ) adnak az alelemek körül vagy a verem köré annak érdekében, hogy megvédje a külső rézet az óntól, hogy alacsony hőmérsékleten alacsony ellenállást tartson .

A következő hőkezelést alkalmazunk: fűtés a 6 ° C-on óránként 660 ° C-on , majd egy platója 240 órán át 660 ° C-on vákuumban vagy atmoszférában inert gáz . A hőkezelés során az uszodákból származó ón diffundál a niobium-szálakba és a réz egy részébe, így Nb 3 Sn képződik . és bronz.

A fő hátrány a szálak közötti távolság csökkenése, amelyet az izzószálak sűrűségének növekedése okoz. Valóban, ez a kedvez inter-izzószálas áthidaló és nemkívánatos mágnesezettsége, amelyek képesek kiváltani ugrik fluxus alacsony mezőt, és magas mágnesezettség nagy területen.

"Módosított zselés tekercs" módszer

A " Modified Jelly Roll " módszert WK McDonald , az oregoni Teledyne Wah Chang Albany (TWCA) munkatársa fejlesztette ki és szabadalmaztatta 1983-ban . Ebben a módszerben a nióbium hálót és a réz vagy bronz fóliát hengerelték össze, mint a " Jelly Roll " részben. Néha ónrudakat lehet behelyezni a tekercs magjába. A hengeret ezután diffúziós gát segítségével helyezzük a rézszerszámba. A gyakorlatban több tekercset egymásra raknak egy rézcsőben, majd ismét kinyújtják.

Ennek a módszernek két előnye van:

viszonylag alacsony előállítási költség;
a jelenlegi sűrűség magas;

Az előállított huzalok átmérőjét azonban nehéz ellenőrizni.

Por csőben módszerrel

Ez a módszer NbSn 2 porok keverékének felhasználásából áll, ón és esetleg réz. A porelegyet tömörítik, majd egy niobiumcsőbe helyezik, amely maga is rézcsőbe van ágyazva, és így egy szálat képez. Az izzószálakat meghúzzák, majd egy rézmátrixba rakják. A következő hőkezelést alkalmazunk: emelkedés 150 ° C per óra legfeljebb 590 ° C , az első szint 20 percen át 590 ° C-on , majd emelkedni fog a 12 ° C-on óránként legfeljebb 675 ° C , a második szint 62 órán át 675 ° C .

A hőkezelés során először egy Nb 6 Sn`5 fázis kialakulását figyeljük megmajd az Nb 3 Sn kicsapódása. Az Nb 3 Sn rétegea niobiumcső belsejéből kifelé nő. A hőkezelés időtartamát és az izzószálak átmérőjét úgy választják meg, hogy az ón diffúziója leálljon a niobiumban, és ne érje el a külső rézt.

Ez a módszer a következőket kínálja:

a nem réz áramsűrűségének magas értékei a tuskók elrendezésének köszönhetően;
a mágnesezés hatásainak előrejelzésének és ellenőrzésének lehetősége ;
viszonylag rövid hőkezelés, amely lehetővé teszi a szemcsék túlzott növekedésének elkerülését és homogénebb tulajdonságok elérését a szálakban.

A por módszer azonban továbbra is az egyik legdrágább előállítási módszer, amelynek gyártási költsége háromszor magasabb, mint például a belső ón módszer esetében.

Alkalmazások

ITER projekt

Az ITER projekt több mint 10 000 tonna szupravezető rendszert igényel a mágneses mező létrehozásához, amely létrehozza, behatárolja és modellezi a tokamak belsejében lévő plazmát . Ezek a szupravezető rendszerek nióbium-ónból (Nb 3 Sn) és a nióbium-titán (NbTi), mert -270 ° C-ra ( 4 K ) lehűtve szupravezetővé válnak . Nióbium-ón használunk a toroid tekercsekkel és a központi mágnesszelep és a nióbium-titán használják a poloidális tekercsekkel .

LHC

Az LHC , más néven nagy fényerejű LHC (HL-LHC) továbbfejlesztésével a pillanatnyi fényerő ötször nagyobb, mint a jelenleg 12 T- ig terjedő mágneses mezők alkalmazásával elért fényerő . Ehhez olyan szupravezető mágneseket kell kifejlesztenünk, amelyek képesek 10 t- nál nagyobb mágneses mező létrehozására . A nióbium-ón elemet azért választották, mert annak szupravezető tulajdonságai voltak a nióbium-titán rovására, mert 10 T alatti mágneses tereket generál . Nb 3 Sn kábeleket használnaka HL-LHC mágnesek tekercséhez azonban ezeket a kábeleket Nb 3 Sn szálakkal kell kialakítaniés tekercsbe tekerjük őket, mint a korábban látott gyártási módszerekben. Végül trapéz alakú kábelt kapunk , amely nagy áramsűrűséget biztosít.

Megjegyzések és hivatkozások

számított molekulatömege a „ atomsúlya a Elements 2007 ” on www.chem.qmul.ac.uk .
Caroline Toffolon , kohászati tanulmány és számítások a fázisdiagramok cirkónium alapú ötvözetek a rendszerben: Zr-Nb-Fe- (O, Sn) ,2000, 294 p. ( online olvasható ) , p. 216.
(en) JH Westbrook és RL Fleischer , Intermetallic Compounds: Structure Applications of Intermetallic Compounds , vol. 3,2000, 346 p. ( ISBN 978-0-471-61242-1 ).
(in) " Typical structure Cr3Si " (hozzáférés: 2017. december 13. ) .
(in) Számítástechnikai Anyagtudományi Tengerészeti Kutatólaboratóriumi Központ, " Az A15 (Cr3Si) szerkezet " ,2008(megtekintve : 2018. április 16. ) .
(en) Ashok K. Sinha , topológiailag szoros illeszkedésű szerkezetek átmenetifém ötvözetek ,1972, 185 p. , P. 88-91.
" Szupravezető anyagok " , http://www.supraconductivite.fr (hozzáférés : 2017. szeptember 21. ) .
, Arnaud Devred , alacsony kritikus hőmérsékletű szupravezetők elektromágnesekhez ,2002, 128 p. ( online olvasható ) , p. 17,27,47-57.
A. Godeke , „ A review of tulajdonságainak Nb3Sn és azok változása a A15 összetétele, morfológiája és törzs állapotban ”, Supercond. Sci. Technol. , vol. 19, n o 8,2006, R68 - R80 ( DOI 10.1088 / 0953-2048 / 19/8 / R02 ).
Stefania Pandolfi, " A nióbium-ón titkai, törékenyek, de szupravezetők " ,2016(megtekintés : 2017. szeptember 21. ) .
BT Matthias , Geballe, TH, Geller, S. és Corenzwit, E., „ Nb 3 Sn szupravezetése ”, Physical Review , vol. 95, n o 6,1954, P. 1435–1435 ( DOI 10.1103 / PhysRev.95.1435 ).
Theodore H. Geballe , „ Szupravezetés: A fizikától a technológiáig ”, Physics Today , vol. 46, n o 10,1993. október, P. 52–56 ( DOI 10.1063 / 1.881384 ).
Etienne Rochepault , Nagy terepi Nb3Sn szupravezető dipólusok vizsgálata: kerámia alapú elektromos szigetelés és mágneses tervezés ,2012, 177 o. ( online olvasható ) , p. 31-33.
Pascal Tixador és Yves Brunet , szupravezetők: Környezet és alkalmazások ,2004, 17 p. ( online olvasható ) , p. 4.15.
(in) WK McDonald , RM Scanlan , CW Curtis , DC Larbalestier , K. Marken és DB Smathers , " Az Nb 3 Sn gyártása és értékeléseMJR módszerrel gyártott vezetők ” , IEEE mágneses tranzakciók , vol. 19, n o 3,1983. május, P. 1124-1127.
„ Tokamak Magnets ” , https://www.iter.org/en (megtekintve 2017. november 15-én ) .

Lásd is

Kapcsolódó cikkek