2019

Ultraľahké supravodivé MgB2 vodiče

V Oddelení supravodičov sme vyvinuli ultraľahký supravodivý drôt použiteľný pre vinutia generujúce silné magnetické polia pri teplote blízkej 20 K (-253 °C), dosiahnuteľnej pomocou kryo-chladiča (bez kvapalného hélia). Základnou myšlienkou bolo skombinovať do kompozitného drôtu doteraz najľahšiu supravodivú zlúčeninu MgB2 s mernou hmotnosťou 2,55 gcm-3 a veľmi ľahké kovové prvky: difúznu bariéru z titánu (4,5 gcm-3) a vonkajší hliníkový obal (2,7 gcm-3). Takýto supravodivý drôt je atraktívny pre budúce využitie vo výkonných veterných generátoroch, leteckých motoroch ako aj aktívneho tienenia počas dlhodobých misii v kozme.
Cieľom bolo aby takýto ultraľahký MgB2 drôt s prierezom okolo 1 mm2 mal aj dobré supravodivé vlastnosti, zvlášť vysoké prúdové hustoty v oblasti vonkajších magnetických polí 0 – 5 T, dobrú odolnosť voči mechanickému namáhaniu a tiež nízke striedavé straty v oblasti frekvencii 1 – 100 Hz. Bola preto zvolená metóda prípravy pomocou infiltrácie a difúzie Mg do vrstvy zhusteného bórového prášku a následná rýchla tvorba intermetalickej MgB2 fázy pri teplotách okolo 650°C.
Výskum nadväzoval na naše dlhoročné skúsenosti s prípravou vláknitých supravodivých drôtov. Experimentálne sme overili, že najpožívanejší kovový materiál difúznej bariéry Nb (8,5 gcm-3) sa dá nahradiť ľahším a dobre za studena tvarovateľným vanádom (6,0 gcm-3) a zvlášť titánom (4,5 gcm-3), pričom oba tieto kovy nereagujú s Mg a B pri ich konečnom tepelnom spracovaní. Avšak vlastnosti čistého hliníka (jeho mäkkosť) neumožňujú vyrobiť kompozitný drôt ktorý sa tvárni valcovaním alebo ťahaním. Preto sme detailne testovali pôvodne konštrukčný materiál (Al+Al2O3) nazývaný HITEMAL® vyvinutý Ústavom materiálov a mechaniky strojov SAV práškovou technológiou. Výlisky z Al+Al2O3 boli tvárnené do tenkých drôtov a detailne testované mechanicky a elektricky pri izbových a nízkych teplotách. Tento materiál ukázal dobré mechanické a elektrické vlastnosti a bol použitý pre výrobu najľahšieho supravodivého drôtu s jadrom na báze MgB2.

Technologický proces jeho výroby spočíval v tvárnení centrálneho Mg drôtu obsypaného práškom bóru v Ti trubke vloženej do vonkajšej rúrky z Al+Al2O3 (HITEMAL®). Takto zložený kompozit bol valcovaný za studena na konečný rozmer približne 1 mm a podrobený konečnému tepelnému spracovaniu, Obr. 1.

Obr. 1: Priečny rez supravodivého drôtu s MgB2 fázou, Ti bariérou a Al+Al2O3 obalom.

Veľmi povzbudivé výsledky nás viedli k odskúšaniu viacerých obalov s rôznym obsahom Al2O3 a tiež k príprave 6-žilového drôtu s pozoruhodnou odolnosťou voči ťahovému namáhaniu – Obr. 2.

Obr. 2: Priečny rez 6-žilovým drôtom 1,16 x 1,16 mm2 a jeho odolnosť voči ťahovému napätiu pri izbovej teplote (300 K) a teplote kvapalného hélia (4,2 K).

Významnou výhodou vonkajšieho obalu na báze hliníka je aj jednoduchá možnosť jeho izolovania oxidáciou povrchu drôtu a vytvorením tenkej vrstvy Al2O3 s dobrou tepelnou vodivosťou, odolnosťou voči vysokým teplotám ako aj s dobrými izolačnými vlastnosťami vo vinutí. Použite takejto unikátnej izolácie bolo úspešne overené na supravodivej cievke navinutej z MgB2/Ti/Al+Al2O3 drôtu, Obr. 3, na kostre z nerezovej ocele. Takéto ľahké vinutie sa vyznačuje dobrou izolačnou schopnosťou a zvlášť veľmi vysokým plniacim faktorom (nad 90 %), čo umožňuje ďalej minimalizovať objem a hmotnosť vinutí pre reálne aplikácie.

Obr.3: Oceľová kostra (a), cievka navinutá z Mg/B/Ti/Al+Al2O3 vodiča izolovaného tenkou vrstvou oxidu hlinitého (b) a vyžíhané vinutie s MgB2 fázou (c).

 

Santra, S., Grovenor, C.R.M., Speller, S.C., Kováč, P., Kopera, L., and Hušek, I.: Comparison of interfacial and critical current behaviour of Al+Al2O3 sheathed MgB2 wires with Ta and Ti diffusion barriers, J. Alloys Comp. 807 (2019) 151665

Kováč, P., Kopera, L., Kováč, J., Melišek, T., Haessler, W., Wang, D., and Ma, Y.: Current densities and strain tolerances of filamentary MgB2 wires made by an internal Mg diffusion process, Supercond. Sci Technol. 32 (2019) 095006

Kováč, P., Bonura, M., Santra, S., Kopera, L., Rosová, A., Senatore, C., and Hušek, I.: Thermal conductivities and thermal runaways of superconducting MgB2 wires stabilized by an Al+Al2O3 sheath, Supercond. Sci Technol. 32 (2019) 115007

Kopera, L., Kováč, P., Kováč, J., Melišek, T., Hušek, I., and Berek, D.: Small diameter wind and react coil made of anodised Al-sheathed MgB2 wire, Supercond. Sci Technol. 32 (2019) 105003

Kováč, P., Hušek, I., Rosová, A., Melišek, T., Kováč, J., Kopera, L., Scheiter, J., and Haessler, W.: Strong no-barrier SS sheathed MgB2 composite wire, Physica C 560 (2019) 40-44