Reprezentatívne výsledky

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

Naspäť