Материалы на основе цветных металлов

Наиболее распространенными и широко применяемыми являются сплавы на основе Cu и Al. Медные сплавы принято делить на латуни и бронзы.

Латунями называются сплавы меди с цинком. В качестве второстепенных компонентов, улучшающих свойства латуней, в них могут добавляться и другие элементы, например олово – для повышения коррозионной стойкости, свинец – для лучшей обрабатываемости режущим инструментом, алюминий и никель – для улучшения механических свойств. С добавлением цинка в медь (до 32% Zn) одновременно повышаются прочность и пластичность латуни. Наиболее пластичными являются однофазные латуни, в которых весь цинк растворен в ГЦК – решетке меди. Предельная растворимость - 39% Zn.

При сплавлении с бо`льшим количеством цинка образуется вторая фаза на основе раствора в химическом соединении CuZn и, таким образом, получаются двухфазные латуни. Эти латуни тверже, но хрупче однофазных. Латуни маркируются буквами Л с цифрами, указывающими количество меди как более дорогого, чем цинк, элемента. Если латунь содержит другие элементы, то они обозначаются русскими буквами, проставляемыми после Л: О – олово, А – алюминий, Н – никель, Ж – железо, С – свинец, К – кремний, Мц – марганец и т.д. Однофазные латуни: Л96, Л90, Л80, Л68, Л62. Из них делают листы, ленты, разные профили. Из двухфазных латуней широко известная латунь Л59. Для образования сыпучей стружки в нее добавляют 1–2% Pb (ЛС59-1). Такие латуни чаще всего выпускаются в виде прутков разного профиля.

Главная отличительная особенность латуни от чистой меди – повышенная механическая прочность  при достаточно высоком удлинении перед разрывом δ. Латуни лучше, чем бронзы, обрабатываются штамповкой, глубокой вытяжкой и т.п. Они широко используются для изготовления токопроводящих винтов, гаек, шайб, шпилек, штырей, гнезд, упругих элементов и для коммутирующих узлов и штепсельных разъемов.

Бронзами называются сплавы меди с любыми компонентами, кроме цинка (однако цинк может входить в состав сложных бронз в качестве второстепенного компонента). Бронзы существенно отличаются от латуней тем, что с увеличением содержания второго компонента они быстро теряют пластичность, в то время как твердость довольно быстро возрастает (у латуней до 32% Zn растут оба эти показателя).

Бронзы маркируются буквами Бр, а затем ставится второй компонент с цифрой, указывающей его среднее содержание в процентах. Если имеются и другие компоненты, то они перечисляются вслед за вторым, а затем, разделенные дефисами, указываются содержания компонентов начиная со второго, например БрО10, БрОФ10-1, БрА7, БрБ2, БрКд1,5. Атомы примеси (в том числе легирующей), внедряясь в кристаллическую решетку, увеличивают ее деформацию и концентрацию дефектов. Кроме того, атомы примеси взаимодействуют с дислокациями и затрудняют их подвижность, упрочняя медь. Поэтому удельное сопротивление бронз больше [ρ=( – ) ], чем у чистой меди, зато выше предел прочности на разрыв (σ_в=250–1100 МПа) и твердость (НВ=20–260 МПа), меньше относительное удлинение перед разрывом (δ=2–65%). Оловянная и оловянно-фосфористая бронзы являются хорошими антифрикционными сплавами для подшипников скольжения, червячных колес. Алюминиевые бронзы являются дешевыми заменителями оловянных бронз. Бериллиевая бронза (БрБ2) является твердым и упругим материалом, служащим для изготовления немагнитных пружин и неискрящего ударного инструмента. Кадмиевая бронза (БрКд1,5) является износостойким электропроводящим материалом. Применяется для изготовления троллейбусных и трамвайных контактных проводов.

Некоторые виды бронз упрочняют термообработкой. У твердотянутых бронз механическая прочность σ_в и удельное сопротивление ρ выше, чем у отожженных бронз (состав и свойства некоторых бронз приведены в табл. 2.3).

Таблица 2.3

Состав и свойства некоторых медных электротехнических сплавов

Наименование сплава и его состав	Удельная проводимость по отношению к стандартной меди, %	Предел прочности на разрыв , МПа	Относительное удлинение перед разрывом, %
Кадмиевая бронза (Cd 0,9%)
Кадмиево-оловянистая бронза (Cd 0,8%; Sn 0,6%)
Бериллиевая бронза Бр Б2 (Ве 2,25%)
Оловянно-фосфористая бронза БрОФ 6,5-0,15 (Sn 6,5%, P 0,15%)
Латунь Л68 (Cu 59%, Pb 1%, остальное Zn)
Латунь Л59-1 (Сu 59%, Pb 1%, остальное Zn)

Примечание. В числителе – значения характеристик для отожженных образцов, в знаменателе – для тверлотянутых.

Сплавы алюминия обладают более высокими значениями механической прочности σ_в, твердости НВ, износостойкости, нагревостойкости и удельного электросопротивления ρ, но меньшим значением относительного удлинения перед разрывом δ, чем чистый алюминий (табл. 2.4).

Таблица 2.4

Состав и свойства некоторых алюминиевых сплавов (для сравнения приведены свойства чистого отожженного алюминия)

Марка сплава и его химический состав	Предел прочности на разрыв , МПа	Относи- тельное удлинение перед разрывом , %	Твердость НВ	Удельное электросо- противление ρ,
1	2	3	4
Алюминий чистый отожженный	80–90	30–33	25	0,028
Литейные сплавы
АЛ2 (Si 10–13%, остальное Al)	150	2–4	–	–
АЛ4 (Si 8,0–10,5, Mg 0,17–0,3, Mn 0,2–0,5%, остальное Al)	200–240	1,5–3	65	–
АЛ9 (Si 6,0–8,0, Mg 0,2–0,4%, остальное Al)	140–170	1–2	–	–

Продолжение табл. 2.4

1	2	3	4
АЛ13 (Mg 4,5–5,5, Si 0,8–1,3, Mn 0,1–0,4%, остальное Al)	150–180	0,5–1	–	0,071
АЛ21 (Cu 4,6–6,0, Mg 8–1,3, Mn 0,15–0,25%, остальное Al)	210–220	1,2–1,5	–	–
Деформируемые сплавы, не упрочняемые термообработкой
АМц (Mn 1,0–1,6%, остальное Al): отожженный нагартованный	130 170	23 10	– –	– –
АМг5 (Mg 4,8–5,8, Mn 0,5–0,8%, остальное Al)	270	18	–	–
АМ31 (Mg 0,4–0,9, Si 0,3–0,7%, остальное Al) закаленный и искусственно состаренный	200	8	–	0,0325
Деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой
Д16 (Cu 4,5, Mg 1,5, Mn 0,6%, остальное Al): отожженный закаленный после старения наклепанный	230 500 600	20 20 1–2	50 110 130	– – –
В95 (Cu 1,4–2,0, Mg 1,8–2,8, Mn 0,2–0,6, Zn 5,0–7,0, Cr 0,1–0,25%, остальное Al) закаленный и отпущенный	600	12	150	–
АК4-1 (Si 0,35, Mn 0,2, Zn 0,3, прочей примеси 0,15%, остальное Al) закаленный и состаренный	440	10	120	–
Электротехнический сплав
Альдрей (Mg 0,3–0,5, Si 0,4–0,7, Fe 0,2–0,3%, остальное Al)	320–370	6–9	–	0,0322

Примечания: 1. Буква Д – сплав деформируемый, В в начале марки – высокопрочный деформируемый сплав; АЛ – алюминиевый литейный сплав; АК – алюминиевый ковочный сплав.

2. Сплавы АЛ21 и АК4-1 – жаропрочные.

Основные преимущества алюминиевых сплавов – легкость и сравнительная недефицитность. В зависимости от пластичности и деформируемости все они делятся на две группы: деформируемые (способные пластически деформироваться при изготовлении из них изделий) и литейные (имеющие низкую пластичность, поэтому для получения из них изделия нужного очертания их следует в жидком виде заливать в специальную литейную форму).

В соответствии с ГОСТ 14838–78 для изготовления холоднотянутой электротехнической проволоки используют алюминий марки АД1 и алюминиевые деформируемые сплавы марок АМц, АМг2, АМг5П, Д1П, Д16П, Д18 и В65, где А обозначает алюминий, Д – деформируемый сплав, Мц – марганец, Mг – магний, П – сплав холодной высадки (разновидность пластической деформации), В – высокопрочный деформируемый сплав, цифра – концентрацию легирующего химического элемента. Эти сплавы содержат алюминия не менее 99,30%, a Fe, Si, Мn и Mg в количестве 0,2-0,7, 0,25-0,6, 0,2-1,0 и 0,2–4,8%, соответственно.

К деформируемым алюминиевым сплавам, значительно упрочняемым термообработкой, относятся дуралюмины. Основным элементом, вводимым в них для обеспечения возможности упрочняющей термообработки является медь (2,8–4,5%). Другие элементы (Мg, Мn) добавляются для улучшения комплекса свойств. Дуралюмины маркируются буквой Д с цифрой, означающей порядковый номер в системе разработки сплава (Д6, Д16, Д18 и т.д.) Для упрочнения их подвергают закалке, а затем естественному (при комнатной температуре в течение 4 – 5 суток) или искусственному (при 150°С, 18 ч) старению. При старении сплав дополнительно существенно упрочняются.

Из литейных сплавов алюминия широко применяются силумины – сплавы алюминия с кремнием и добавками Mg, Mn и других элементов. Наиболее типичен силумин АЛ2, содержащий 10 – 13% Si. Если его перед заливкой в форму модифицировать смесью солей NaC1 и NaF, то его эвтектика становится тонкодисперсной, что упрочняет сплав и повышает его пластичность.

Химические элементы, образующие с алюминием твердые растворы, увеличивают механическую прочность, но снижают удельную электропроводность. Наиболее сильно снижают удельную электропроводность Cr, Li, Mg, Nb, Ti, V, Мn, поэтому их количество в электротехнических алюминиевых сплавах должно быть ограниченным. Железо также повышает механическую прочность сплавов, но при этом мало влияет на их удельную электропроводность, так как не входит в твердый раствор, а присутствует в алюминии в виде дисперсных частиц.

Все электротехнические сплавы алюминия содержат железо Fe и отличаются друг от друга различным его содержанием. Остальные элементы в этих сплавах представлены на более низком уровне.

В литературе имеются сведения, что в ряде случаев для производства контактных проводов в США, Германии, Франции, Англии, Японии и других странах используют сплавы (в том числе и малолегированные) системы А1–Mg–Si с добавкой Fe. В этих сплавах содержание Si должно быть несколько большим, чем Mg. Магний, растворяясь в кристаллической решетке алюминия, сильно ее деформирует и тем самым увеличивает удельное сопротивление. При большем содержании Si, чем Mg, образуется и выделяется из твердого раствора химическое соединение Mg₂Si. В результате кристаллическая решетка алюминия деформируется меньше. Следовательно, электропроводность снижается меньше, но повышается нагревостойкость сплавов. Поэтому эти сплавы имеют повышенные значения механической прочности, электропроводности и нагревостойко-сти по сравнению со сплавами, содержащими Mg больше, чем Si. Введение малых добавок Ti, В или Ni повышает коррозионную стойкость алюминия и его сплавов с Mg.

Из электротехнических сплавов системы А1–Mg–Si с добавкой Fe наиболее известен сплав альдрей, обладающий высокими механическими свойствами при небольшом удельном сопротивлении; ТКЛР = , , ТК ρ=0,0036 К^–1. Нагревостойкость альдрея – начало рекристаллизации и снижения механической прочности – равна 180–200°С. Высокие механические свойства альдрей приобретает в результате специальной обработки по схеме: деформация волочением → закалка в воде при температуре 510–550°С → повторная деформация волочением → старение при температуре 140–150°С. Выделяющееся при этой обработке из твердого раствора химическое соединение Mg₂Si в мелкодисперсном состоянии обеспечивает ему высокие механическую прочность σ_в и нагревостойкость. По механическим свойствам альдрей приближается к твердой меди (МТ), по плотности и удельной электропроводности – к твердому алюминию (AT). Контактный провод из сплава типа альдрей при рабочем токе 60 А, скорости движения 70 км/ч с медноугольным токосъемником имеет износостойкость большую, чем у медного провода.

Из системы А1–Mg– Si с добавкой Fe известны и другие сплавы. Например, сплав, содержащий Fe до 1% и минимальную концентрацию Si, имеет удельную электропроводность, составляющую 61% от электропроводности меди, и механическую прочность σ_в у отожженных образцов 100–165 МПа. Известны сплавы системы А1–Mg–Si с малыми добавками В, Zn, Zr, Be, Ag и других химических элементов.

Биметаллические проводники

В некоторых электротехнических конструкциях (контактные подвески, шины распределительных устройств, разрывные контакты и др.) применяют биметаллические проводники. Биметаллический контактный провод обычно представляет собой стальную проволоку круглого, овального или прямоугольного сечения, снаружи покрытую слоем меди или алюминия. При этом оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности соприкосновения. Каждая часть провода выполняет свою функцию. Медная или алюминиевая оболочка осуществляет электропроводность, стальная сердцевина обеспечивает повышенную прочность на растяжение. Такой провод при температуре 200°С допускает большие токовые нагрузки. Для устойчивого токосъема при повышенных скоростях движения электропоезда необходимо, чтобы скорость распространения волны колебаний по контактному проводу превышала скорость движения электропоезда. Чем больше натяжение провода и меньше его масса, тем больше скорость распространения волны колебаний, более устойчив токосъем и, следовательно, выше скорость движения. Вследствие того, что сталеалюминевый провод легче медного, он имеет меньшую стрелу провеса, что обеспечивает лучший токосъем при скоростях движения 200 км/ч и более. Однако у алюминия в месте скользящего контакта с токосъемными элементами может происходить искрение, что ухудшает токосъем.

Широко используются в качестве контактного провода, особенно на скоростных железных дорогах, сталемедный и сталеалюминиевый провода со стальным профилем в виде круга или полосы, расположенной по оси симметрии его сечения. На рис. 2.5 приведена конструкция сталеалюминиевого провода сечением 230 мм² (сечение алюминиевой части 172,8 мм², стальной – 57,2 мм²). Провод длиной в один метр имеет массу 0,916 кг, разрывное усилие – не менее 57 кН, электрическое сопротивление не более 0,167 Ом/км. Сечение этого провода и соотношение в нем алюминия и стали должны быть такими, чтобы по электропроводности он не уступал медному проводу сечением 110 мм² (сопротивление 0,160 Ом/км) и превосходил контактный провод из кадмиевой бронзы (сопротивление 0,177 Ом/км).

Рис. 2.5. Конструкция биметаллического сталеалюминевого контактного провода для высокоскоростной контактной подвески железной дороги (Япония)

Из биметаллических проводников изготавливают шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и т.д. Биметаллы используют в производстве некоторых видов разрывных контактов. В этих контактах рабочими частями являются покрытия из благородного металла (Ag, Аu или Pt) или его сплава, а нерабочие части выполнены из меди, латуни, бронзы, стали или другого металла. Например, в герконах (магнитоуправляемые герметические контакты) в качестве рабочей части обычно используют сплав золота с платиной, серебром, никелем или цирконием, имеющий повышенную твердость, хорошую эрозионную и коррозионную стойкость, а нерабочей части – пермаллой.

Сверхпроводники

Состояние проводника, при котором его электрическое сопротивление становится практически равным нулю, называют сверхпроводимостью, а материал в таком состоянии – сверхпроводником.

Экспериментально установлено, что электрическое сопротивление сверхпроводников скачкообразно падает до исчезающе малого, не поддающегося измерению, значения (ρ< ). Температуру, при которой происходит переход в сверхпроводниковое состояние, называют критической температурой Т_кр.

Явление сверхпроводимости обнаружил в 1911 г. голландский физико-химик Г. Камерлинг-Оннес. Измеряя температурную зависимость удельного сопротивления ртутного кольца, он установил, что при температуре 4,2 К сопротивление ртути скачкообразно падает до нуля. В настоящее время в сверхпроводниковое состояние переведены 39 химических элементов, в том числе 33 металла, и больше тысячи различных сплавов и химических соединений. Однако, некоторые металлы, включая Ag, Сu, Аu, Pt, не удалось перевести в сверхпроводниковое состояние при тех низких температурах. У идеального металлического проводника при температуре 0 К сопротивление должно было бы падать до нуля, так как бездефектная кристаллическая решетка имеет строго периодический потенциал и поэтому не способна рассеивать электроны проводимости. Однако такое поведение металлов не являлось бы сверхпроводимостью, поскольку переход материала в сверхпроводниковое состояние, во-первых, не связан с наличием в нем примесей и, во-вторых, происходит не плавно по мере понижения температуры, а скачкообразно, при некотором значении температуры, называемой температурой перехода в сверхпроводниковое состояние. Для каждого сверхпроводника величина Т_кр вполне определенная. Кроме того, для сверхпроводникового состояния характерным является то, что магнитное поле не проникает в объем сверхпроводника, а выталкивается из него (рис. 2.6). Следовательно, сверхпроводник является идеальным диамагнетиком.

Рис. 2.6. Магнитное поле с проводником в нормальном (а) и сверхпроводниковом (б) состояниях

 

Явление выталкивания магнитного поля из сверхпроводника получило название эффекта Мейсснера–Оксенфельда, по имени немецких физиков открывших это явление в 1933 г. Если слабое магнитное поле проникает в сверхпроводник только в его поверхностный слой на глубину 10^–7 м, то достаточно сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость.

В основе теории сверхпроводимости, созданной Д. Бардиным, Л. Купером и Д. Шриффером в 1957 г., лежит представление о том, что электроны проводимости обладают не только кулоновскими силами отталкивания, но и испытывают особый вид взаимного притяжения, который обусловлен кулоновскими силами притяжения двух электронов, находящихся по разные стороны от положительно заряженного узла кристаллической решетки, этим узлом. В сверхпроводниковом состоянии (при Т ≤ T_кр) силы притяжения преобладают над силами отталкивания между электронами проводимости. В результате они образуют электронные пары, названные куперовскими парами, по имени ученого, доказавшего, что образование таких пар энергетически выгодно. В куперовских парах электроны имеют противоположные спины и равные по величине, но противоположные по направлению импульсы, поэтому спин и полный импульс пары равны нулю. Поскольку силы притяжения между электронами в куперовской паре относительно слабые, то они находятся друг от друга на достаточно большом расстоянии, равном порядка 10^–7 м. В таком относительно большом пространстве размещается примерно 10⁶ куперовских пар. Пространственное перекрытие такого огромного числа электронных пар неизбежно должно приводить к строгой взаимной корреляции их движения. Пары не могут двигаться независимо друг от друга, как электроны проводимости в металле, которые находятся в нормальном (“одиночном”) состоянии. Каждая электронная пара, взаимодействуя со всеми остальными, движется строго согласованно со всей совокупностью таких же пар.

Как же будут вести себя электроны в куперовских парах при возбуждении в сверхпроводнике электрического тока? В отсутствии тока во всех куперовсих парах импульс равен нулю, так как пары образованы электронами, имеющими равные по величине, но противоположные по направлению импульсы. Под действием внешнего источника, вызвавшего ток, все куперовские пары, не нарушая взаимодействия, приобретают один и тот же импульс и движутся как единое целое (суммарная волна) в одном направлении с некоторой дрейфовой скоростью. Электроны проводимости испытывают рассеяние на тепловых колебаниях решетки, других ее дефектах, что приводит к возникновению электрического сопротивления. Куперовские же пары, пока они не разорваны, не могут рассеиваться на тепловых колебаниях других дефектов решетки, что обуславливает сверхпроводимость.

При температурах выше 0 К куперовские пары под действием тепловых колебаний решетки (фононов) начинают медленно разрушаться, и электроны переходят в нормальное («одиночное») состояние. Чем ближе температура сверхпроводника к его критической температуре Т_кр, тем большее число куперовских пар разрушено, а при Т = Т_кр все они разрушаются и сверхпроводимость пропадает.

Сверхпроводимость можно также разрушить, увеличивая плотность тока в сверхпроводнике до критического значения, называемого критической плотностью тока j_кp. При j=j_кp энергия куперовской пары достигает величины, достаточной для ее разрушения.

Сверхпроводимость разрушается также магнитным полем. При помещении сверхпроводника в магнитное поле в его тонком поверхностном слое находится незатухающий электрический ток, который с увеличением напряженности магнитного поля Н (магнитной индукции В) растет, и при достижении значения j _кp сверхпроводимость разрушается, так как разрушаются куперовские пары. Напряженность магнитного поля, при которой разрушается сверхпроводимость, называют критической напряженностью Н (или критической магнитной индукцией В_кр). Чем больше значение Н_кр (В_кр) сверхпроводника, тем лучше его эксплуатационные свойства, тем при больших плотностях тока его можно использовать. Критическая температура Т_кр и критическая напряженность магнитного поля Н_кр – взаимозависимые величины. При увеличении температуры сверхпроводника Н_кр (и В_кр) уменьшается. Поэтому максимальная температура перехода Т_кр в сверхпроводниковое состояние достигается при ничтожно малом значении напряженности магнитного поля (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Общий вид диаграммы состояния некоторых сверхпроводников первого (а) и второго (б) рода: С_в – сверхпроводниковое состояние; С_м – смешанное состояние;

П – проводниковое (нормальное) состояние

На сверхпроводимость влияет и частота электромагнитного поля. Начиная с некоторой граничной частоты f_гр, обычно составляющей десятки-сотни ГГц, разрушаются куперовские пары и соответственно исчезает сверхпроводимость, т.е. металл становится обычным проводником.

В зависимости от поведения сверхпроводников в магнитном поле различают сверхпроводники I и II рода. Часто «жесткие» сверхпроводники II рода выделяют в самостоятельный класс – сверхпроводники III рода. В самостоятельный класс также выделяют недавно полученные высокотемпературные сверхпроводники.

2.5.1. Сверхпроводники I рода

Для сверхпроводников I рода характерными являются скачкообразный переход в сверхпроводниковое состояние и наличие одной критической напряженности магнитного поля. Значения критической температуры Т_кр и критической напряженности Н_кр магнитного поля у них малы (максимальные Т_кр и Н_кр имеет Рb, у него Т_кр =7,2 К, Н_кр =65 кА/м, а минимальные – вольфрам W, у него Т_кр =0,01 К, Н_кр =0,1 кА/м), что затрудняет их практическое применение. Для них характерным является проявление эффекта Мейсснера–Оксенфельда – выталкивание из объема образцов магнитного поля при переходе в сверхпроводниковое состояние, т.е. образцы становятся идеальными диамагнетиками.

К сверхпроводникам I рода относятся все чистые металлы, кроме переходных металлов. Основной их недостаток (кроме низких значений Т_кр) заключается в том, что у них самые низкие среди сверхпроводников значения Н_кр, а это существенно ограничивает плотность тока и тем самым препятствует их практическому использованию. Зависимость Н_кр от температуры представлена на рис. 2.7, а.

2.5.2. Сверхпроводники II рода

Они переходят в сверхпроводниковое состояние не скачкообразно, как сверхпроводники I рода, а в некотором интервале температур. Значения Т_кр и Н_кр у них больше, чем у сверхпроводников I рода. При переходе от нормального (проводникового) состояния (П) в сверхпроводниковое (С_в) у них наблюдается смешанное состояние (С_м), при котором одновременно сосуществуют сверхпроводниковая и нормальная фазы (см. рис. 2.7, б). Поэтому для сверхпроводников II рода характерно наличие двух критических напряженностей магнитного поля (Н_кр1 и Н_кр2). Различие в значениях Н_кр1 и Н_кр2 может быть в сотни раз. Эффект Мейсснера–Оксенфельда наблюдается только в области напряженности магнитного поля от 0 до Н_кр1. В области смешанного состояния (в области Н_кр1 – Н_кр2) магнитное поле из объема образца выталкивается частично, т.е. эффект Мейсснера–Оксенфельда становится неполным. Кривая Н_кр2 (рис. 2.7) представляет границу между смешанным и нормальным состояниями. Критическая плотность тока, несмотря на высокое значение Н_кр2, небольшая, что является существенным недостатком. Некоторые сверхпроводники II рода обладают не только относительно высокими значениями Т_кр, но, что особенно ценно, и высокими значениями Н_кр и j_кp. Сверхпроводниковые свойства сильно зависят от степени дефектности образца и технологии его получения. К сверхпроводникам II рода из чистых металлов относятся только ниобий Nb (Т_кр =9,22 К, Н_кр2 =155 кА/м), ванадий V (Т_кр =5,43 К, Н_кр2 =109 кА/м), технеций Тс (Т_кр =7,80 К, Н_кр2 =112 кА/м) и все сверхпроводниковые сплавы и химические соединения, очень тонкие пленки из сверхпроводников I рода (у них значения Т_кр, Н_кр и j_кр более высокие, чем у толстых пленок).

2.5.3. Сверхпроводники III рода

Сверхпроводники III рода – это сверхпроводники II рода, имеющие крупные неоднородности (дефекты решетки и примеси); такие сверхпроводники называют «жесткими». При пластическом деформировании, например протяжке, в кристаллической решетке резко увеличивается концентрация дефектов. В результате критическая плотность тока j_кp возрастает на несколько десятичных порядков. К «жестким» сверхпроводникам относится большая группа сплавов и химических соединений на основе ниобия Nb и ванадия V. Например, сплавы: Nb–Ti (T_кр =10 К, Н_кр2 =8 МА/м, j_кp ≈0,5 ГА/м²), Nb-Ge (T_кр =23,2 К, Н_кр2 =1 ГА/м²); химические соединения: NbN (T_кр =17,3 К), (Y_0,7Th_0,3)₂С_3,1 (T_кр =17 К); тонкие пленки из сверхпроводниковых металлов: А1 (T_кр =5,8 К при h =50 нм), Bi (T_кр =8 К при h =300 нм), Nb (Т_кр =9,8 К при h =12000 нм).

2.5.4. Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП)

Рассмотренные выше сверхпроводники, в том числе сверхпроводники III рода, имеют весьма низкие критические температуры Т_кр (Т_кр <24 К). Поэтому установки, в которых они используются, необходимо охлаждать жидким гелием, что сложно и дорого (жидкий гелий дороже жидкого азота более чем в 30 раз). Для практического использования нужны сверхпроводники, которые могли бы работать при температуре жидкого азота (Т_кип = –195,6°С) и выше. Получение сверхпроводников с критической температурой, равной комнатной температуре и выше, привело бы к подлинной революции в электро- и радиотехнике.

В 1986–1987 гг. ряд ученых Швейцарии, СССР, США, Китая, Японии получили принципиально новый сверхпроводниковый материал – керамику, имеющую температуру перехода в сверхпроводниковое стояние выше 30 К. Первыми получили керамические ВТСП швейцарские ученые К. Мюллер и Дж. Беднорц, удостоенные за это открытие Нобелевской премии. В настоящее время известно несколько высокотемпературных сверхпроводящих керамик с общими формулами: лантановая керамика (Lа_1-хВа)₂СuО_1-у – Т_кр =56 К, иттриевая Y–Ва–Сu–О – Т_кр =91 К, висмутовая Bi–Sr–Ca–О – Т_кр =115 К, таллиевая Т1–Ва–Са–Сu–О – Т_кр =119 К и, наконец, ртутная Hg–Ва–Са–Сu–О – характеризуется максимальной Т_кр (Т_кр =135 К). В последние годы разработана технология получения текстурированной керамики, которая позволила увеличить критическую плотность тока j_кp на порядки. Например, у текстурированной иттриевой керамики при температуре 77 К в магнитном поле, имеющем магнитную индукцию В =1 Тл, j_кp =10⁸ А/м², а в тонких (h ≈0,2 мкм) пленках j_кp достигает 10¹⁰ А/м² и слабо зависит от индукции магнитного поля.

Морфологически сверхпроводящие керамические системы состоят из сверхпроводящих гранул, которые характеризуются достаточно высокой j_кp. Однако межгранульное пространство имеет невысокую j_кp и поэтому снижает критическую плотность транспортного тока ВТСП, что затрудняет их применение в технике. Кроме того, j_кp межгранульного пространства сильно зависит от индукции магнитного поля.

Получение длинномерных изделий, проволоки или лент из керамических ВТСП является сложной технологической проблемой. По этой причине их применяют пока только в электронике: болометры, электрические фильтры, антенны, приборы для медицинской диагностики и др. В США планируется замена медных маслонаполненных кабелей, охлаждаемых жидким азотом, на сверхпроводящие из висмутовой керамики. Эта сверхпроводящая электросеть будет иметь следующие параметры: длина 120 м, U_ном =24 кВ, ток 2,4 кА, передаваемая мощность 100 МВ·А.

2.6. Криопроводники

Криопроводниками называют металлические проводники, удельное сопротивление которых при охлаждении снижается плавно, без скачков, и при криогенных температурах (при температуре меньше минус 195°С) становится на несколько десятичных порядков ниже, чем при нормальной температуре.

При глубоком охлаждении металлического проводника его сопротивление снижается потому, что уменьшаются тепловые колебания кристаллической решетки и, следовательно, уменьшается рассеяние электронов проводимости на этих колебаниях. При очень низких температурах составляющая удельного сопротивления, вызванная рассеянием электронов на тепловых колебаниях кристаллической решетки, становится пренебрежимо малой, и сопротивление в основном обусловливается искажениями решетки, вызванными наличием примесей и наклепа. Поэтому металлы, используемые в качестве криопроводников, должны быть хорошо отожжены и иметь высокую степень чистоты.

В отличие от сверхпроводников, удельное сопротивление криопроводников при охлаждении в широком интервале температур снижается плавно, без скачков, в чем и заключается их преимущество перед сверхпроводниками. Например, случайное повышение температуры сверхпроводника выше его Т_кр влечет внезапное выделение большого количества энергии, что может привести к аварийной ситуации. В случае же криопроводников случайное повышение температуры вызывает лишь постепенное, плавное повышение удельного сопротивления.

На рис. 2.8 представлены температурные зависимости удельного сопротивления наиболее важных проводниковых металлов – меди и алюминия,в сравнении с бериллием и натрием.

Рис. 2.8. Температурные зависимости удельного сопротивления r криопроводников: 1 и 2– особо чистые медь и алюминий, соответственно; 1' и 2' – обычные проводниковые медь и алюминий соответственно; 3 – бериллий; 4 – натрий. Стрелками отмечены температуры кипения азота и водорода

Из рис. 2.8 видно, что, во-первых, удельное сопротивление у Сu, А1 и Be при криогенных температурах существенно ниже, чем при нормальной температуре, особенно у особо чистых Сu и А1, и, во-вторых, при температуре жидкого водорода наиболее эффективными в качестве криопроводника являются особо чистые Сu и А1, а при температуре жидкого азота – технически чистый Be (примесей не более 0,1%). Однако бериллий дорог, высокотоксичен (особенно в пылевидном состоянии), малотехнологичен и имеет сильновыраженный магниторезистивный эффект. Поэтому в качестве криопроводника более рационально использовать алюминий, так как он более доступен, недорог, высокотехнологичен и имеет низкое удельное сопротивление в рабочем интервале температур. Например, алюминий марки А999 (А1 не менее 99,999%) при температуре жидкого гелия (–269°С) имеет удельное сопротивление не более (1–2)10^–12 .

Криопроводники в основном применяют в качестве токопроводящих жил проводов и кабелей, работающих при температурах жидкого водорода (–252,6°С), неона (–245,7°С) или азота (–195,6°С).