Niob-tinn

Identifikasjon
Niob-tinn

__ Niob __ Tinn Krystallstruktur av A15-fasen til Nb 3 Sn
N o CAS	12035-04-0
Kjemiske egenskaper
Formel	Nb 3 Sn [isomerer]
Molarmasse	397,429 ± 0,007 g / mol Nb 70,13%, Sn 29,87%,
Fysiske egenskaper
T ° fusjon	2130 ° C
Krystallografi
Krystallsystem	Kubikk
Bravais nettverk	Primitiv (P)
Pearson symbol	$cP8 \,$
Krystallklasse eller romgruppe	Pm 3 n ( n o 223) kubikk Hermann-Mauguin: ${\ displaystyle P \ 4_ {2} / m \ {\ bar {3}} \ 2 / n \,}$ Hermann-Mauguin løper: ${\ displaystyle Pm {\ bar {3}} n \,}$ Schoenflies: ${\ displaystyle O_ {h} ^ {3} \,}$
Strukturbericht	A15
Typisk struktur	Cr 3 Si
Mesh-parametere	a = 455,5 pm

Enheter av SI og STP med mindre annet er oppgitt.

Den niob-tinn , også kjent som triniobium tin, er en kjemisk forbindelse metallisk polykrystallinsk bestående av niob (Nb) og tinn (Sn) med empirisk formel Nb 3 Sn. Denne intermetalliske forbindelsen har en A15-fase og brukes i industrien som en superleder type II . Denne krystallstrukturen forekommer ofte med støkiometri A 3 Bog tilhører det kubiske systemet i romgruppen Pm 3 m ( n o 223). Posisjonene til strukturens atomer er som følger:

2 B-atomer i posisjon: (0,0,0) og (1 / 2,1 / 2,1 / 2)
6 A-atomer i posisjon: (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 Sner superledende under en kritisk temperatur på ca. 18 Kelvin [K] ( -255 ° C ) til 0 Tesla [T] og tåler magnetiske felt opp til 30 t . Imidlertid er niob-tinn dyrt, skjørt og vanskelig å produsere, og det er derfor vi noen ganger foretrekker å velge niob-titan (NbTi), som er superledende ved en kritisk temperatur i størrelsesorden 9 K ( −264 ° C). ) og er motstandsdyktig overfor magnetfelt opp til 15 t .

Likevel har det vært en økning i produksjonen av niob-tinn de siste tjue årene, fordi den tåler større strømtettheter enn niob-titan og derfor tillater utvikling eller forbedring av applikasjoner i stor skala som å forbedre LHC gjennom utvikling av magneter superledere som kan generere mer enn 10 t .

Historie

Superledningsevnen til Nb 3 Snble oppdaget i 1954 av Bernd Matthias team ved Bell Telephone-laboratoriet i Murray Hill, New Jersey et år etter oppdagelsen av V 3 Si, det første superledende materialet med en A15-struktur. I 1961 ble det oppdaget at niob-tinn utviste superledningsevne ved høye strøm- og magnetfeltverdier , og ble dermed det første materialet som var i stand til å motstå de høye strømmer og magnetfelter som kreves for bruk av kraftige magneter og magnetfelt.

Produksjon

Fra et mekanisk synspunkt, Nb 3 Sner veldig skjør og kan ikke enkelt gjøres til ledning, noe som er nødvendig for å lage elektromagneter . For å overvinne dette problemet bruker garnprodusentene spesielle produksjonsteknikker. I dag er det 4 industrielle metoder for å produsere tråder basert på Nb 3 Sn : bronsemetoden , den interne tinnmetoden , " Modified Jelly Roll " (MJR) -metoden og " Powder in Tube " (PIT) -metoden. Valg av metoder avhenger av sluttbruken av ledningen, og hver har sine fordeler og ulemper. I følge Arnaud Devreds avhandling, å skape sønner av Nb 3 Sn, det er nødvendig :

sett sammen en multifilamentbille inkludert forløpere til Nb 3 Sn som er lettere deformerbare;
transformering av staven ved å snurre og tegne til ønsket diametertråd er oppnådd;
ledning og / eller vind (når det er nødvendig);
utføre en behandling av ledningen i slutttilstand (eller av kabelen eller av spolen) for å utfelle forbindelsen Nb 3 Snin situ , når de potensielt mest skadelige mekaniske deformasjoner har vært anvendt.

Bronsemetode

I bronsemetoden blir ledninger produsert av stenger laget av niobstang som kan dopes med titan eller tantal og deretter plasseres i en matrise av kobber og tinnlegering. I de fleste praktiske anvendelser tilsettes rent kobber enten i periferien eller i midten av kompositten for å kompensere for den høye restmotstanden til bronsen ved lav temperatur og dermed tillate tilstrekkelig stabilisering og beskyttelse.

Når niob er i kontakt med CuSn-legeringen, forvandles den til Nb 3 Snover en viss tykkelse, noe som øker ledningens kritiske strøm. Imidlertid, hvis noen eller alle filamentene er omgitt av en delvis superledende barriere, kan en økning i magnetisering og hysteresetap i superlederen observeres . For å unngå dette er kobberet beskyttet med tantalbarrierer som forhindrer diffusjon av tinn i kobberet og dermed den ekstra dannelsen av bronse, men dette materialet er dyrt og mindre duktilt enn niob.

Følgende varmebehandling påføres ledningen : mellom 40 og 140 timer ved en temperatur i størrelsesorden 700 ° C enten i vakuum eller ved å opprettholde en strøm av inert gass slik som argon eller nitrogen med høy renhet. Arbeidsatmosfæren må kontrolleres for å forhindre oksidasjon av kobber.

Bronsemetoden er den mest klassiske metoden, men den har to ulemper:

nedbøren av Nb 3 Sn er begrenset av mengden tinn som er tilstede i bronsen;
flere mykgjørende varmebehandlinger må utføres under tegningstrinnene.

I tillegg er bare α-fasen duktil og lett å arbeide blant bronsefasene. Imidlertid er løseligheten er av tinn i α fase av bronse begrenset til et atomprosent på 9,1 (tilsvarende en vektprosent på 15,7). For å sikre en tilstrekkelig mengde tinn slik at filamentene kan reagere fullstendig, er det nødvendig å bruke relativt høye forhold mellom bronse / niob. Den teoretiske grensen for en bronse med en 9,1 atom% tinnblanding er 2,6 på 1, men i praksis er den mer mellom 3 og 4 på 1. I tillegg har α-bronse en koeffisient av relativt høy stammeherding , og mellomliggende varmebehandlinger ( 48 timer ved 500 ° C ) må utføres i løpet av trådfabrikasjonsfasen for å gjenopprette duktilitet og forhindre brudd på materialet. Disse mellomliggende operasjonene tar ekstra tid og øker derfor produksjonskostnadene.

Intern tinnmetode

Den interne tinnmetoden har to fordeler fremfor bronsemetoden :

øke mengden tinn tilgjengelig ved bruk av tinnbassenger inne i niobiet ;
unngå å utføre mykgjørende varmebehandlinger ved bruk av en ren kobbermatrise med lav herdekoeffisient .

Denne gangen setter vi niobstengene inn i en kobbermatrise, og deretter ordner vi dem i en stjerne rundt et tinnhjerte for å danne et underelement. Disse underelementene blir deretter stablet og deretter satt inn i en kobbermatrise. En antidiffusjonsbarriere (ofte tantal ) blir deretter tilsatt enten rundt underelementene eller rundt stabelen for å beskytte det ytre kobberet fra tinnet for å holde lav resistivitet ved lav temperatur.

Følgende varmebehandling påføres: oppvarming fra 6 ° C per time til 660 ° C etterfulgt av et platå på 240 timer ved 660 ° C i vakuum eller i en atmosfære av inert gass . Under denne varmebehandlingen diffunderer tinn fra svømmehallen til niobfilamentene og en del av kobberet for å danne henholdsvis Nb 3 Sn. og bronse.

Den største ulempen er reduksjonen i mellomfilamentavstanden forårsaket av økningen i tettheten til filamentene. Faktisk favoriserer dette inter-filament brodannelse og uønskede magnetiseringer som kan indusere hopp av fluks ved lavt felt og høy magnetisering ved høyt felt.

"Modified Jelly Roll" -metoden

Metoden " Modified Jelly Roll " ble utviklet og patentert i 1983 av WK McDonald , en forsker som arbeider ved Teledyne Wah Chang Albany (TWCA) i Oregon . I denne metoden brukes niobmesh og kobber- eller bronsefolie rullet sammen som i " Jelly Roll ". Noen ganger kan tinnstenger settes inn i kjernen av rullen. Rullen settes deretter inn i kobberformen ved hjelp av en antidiffusjonsbarriere. I praksis blir flere ruller stablet på nytt i et kobberrør og deretter strukket igjen.

Denne metoden har to fordeler:

en relativt lav produksjonskostnad;
de strømtettheter høye;

Imidlertid er diameteren på ledningene som er produsert vanskelig å kontrollere.

Pulver i rørmetoden

Denne metoden består av å bruke en blanding av NbSn 2 pulver, tinn og muligens kobber. Pulverblandingen komprimeres og settes deretter inn i et niobrør, som selv er innebygd i et kobberrør for å danne et filament. Filamentene blir trukket og deretter stablet i en kobbermatrise. Følgende varmebehandling påføres: økning på 150 ° C per time opp til 590 ° C , første nivå på 20 minutter ved 590 ° C , deretter stigning på 12 ° C per time opp til 675 ° C , andre nivå på 62 timer ved 675 ° C .

Under varmebehandlingen observerer vi først dannelsen av en Nb 6 Sn`5- fasederetter nedbøren av Nb 3 Sn. Laget av Nb 3 Snvokser fra innsiden til utsiden av niobrøret. Varigheten av varmebehandlingen og diameteren på filamentene velges slik at diffusjonen av tinnet stopper i niob og ikke når det ytre kobberet.

Denne metoden tilbyr:

høye verdier av nåværende tettheter i ikke-kobber takket være anordningen av kvister;
en mulighet for å forutsi og kontrollere effekten av magnetisering ;
en relativt kort varmebehandling, som gjør det mulig å unngå overdreven kornvekst og å oppnå mer homogene egenskaper i filamentene.

Pulvermetoden forblir imidlertid en av de dyreste produksjonsmetodene med en produksjonskostnad tre ganger høyere enn for eksempel den interne tinnmetoden.

applikasjoner

ITER-prosjektet

ITER- prosjektet krever mer enn 10 000 tonn superledende systemer for å generere magnetfeltet som vil skape, begrense og modellere plasmaet inne i tokamak . Disse superledende systemene består av niob-tinn (Nb 3 Sn) og niob-titan (NbTi) fordi de blir superledende når de avkjøles til -270 ° C ( 4 K ). Niob-tinn brukes til de toroidale feltspolene, og til den sentrale solenoiden og niob-titan brukes til de poloidale feltspolene .

LHC

Forbedring av LHC , også kalt høy lysstyrke LHC (HL-LHC), sørger for å oppnå øyeblikkelige lysstyrke fem ganger større enn de som i dag oppnås ved bruk av magnetiske felt opp til 12 t . For dette må vi utvikle superledende magneter som er i stand til å generere magnetfelt på mer enn 10 t . Det er elementet niob-tinn ble valgt på grunn av dets supraledende egenskaper ved bekostning av niob-titan fordi den genererer magnetiske felter under 10 t . Nb 3 Sn- kabler brukesfor spolene til HL-LHC-magneter, må disse kablene imidlertid være formet med Nb 3 Sn- filamenterog vikle dem inn i spoler som i produksjonsmetodene sett tidligere. Til slutt oppnås en trapesformet kabel som gir den en høy strømtetthet.

Merknader og referanser

beregnede molekylmasse fra " atomvekter av elementene 2007 " på www.chem.qmul.ac.uk .
Caroline Toffolon , Metallurgisk studie og beregninger av fasediagrammer av zirkoniumbaserte legeringer i systemet: Zr-Nb-Fe- (O, Sn) ,2000, 294 s. ( les online ) , s. 216.
(en) JH Westbrook og RL Fleischer , Intermetallic Compounds: Structural Applications of Intermetallic Compounds , vol. 3,2000, 346 s. ( ISBN 978-0-471-61242-1 ).
(in) " Typisk struktur Cr3Si " (åpnet 13. desember 2017 ) .
(in) Naval Research Laboratory Center for Computational Materials Science, " The A15 (Cr3Si) Structure " ,2008(åpnet 16. april 2018 ) .
(no) Ashok K. Sinha , topologisk tettpakket strukturer av overgangsmetalllegeringer ,1972, 185 s. , s. 88-91.
" Superconducting materials " , på http://www.supraconductivite.fr (åpnet 21. september 2017 ) .
, Arnaud Devred , superledere med lav kritisk temperatur for elektromagneter ,2002, 128 s. ( les online ) , s. 17,27,47-57.
A. Godeke , “ En gjennomgang av egenskapene til Nb3Sn og deres variasjon med A15-sammensetning, morfologi og belastningstilstand ”, Supercond. Sci. Technol. , vol. 19, n o 8,2006, R68 - R80 ( DOI 10.1088 / 0953-2048 / 19/8 / R02 ).
Stefania Pandolfi, " Hemmelighetene til niob-tinn, skjøre, men superledende " ,2016(åpnet 21. september 2017 ) .
BT Matthias , Geballe, TH, Geller, S. og Corenzwit, E., “ Superconductivity av Nb 3 Sn ”, Physical Review , vol. 95, n o 6,1954, s. 1435–1435 ( DOI 10.1103 / PhysRev.95.1435 ).
Theodore H. Geballe , “ Superconductivity: From Physics to Technology ”, Physics Today , vol. 46, n o 10Oktober 1993, s. 52–56 ( DOI 10.1063 / 1.881384 ).
Etienne Rochepault , Studie av høyfelt Nb3Sn superledende dipoler: keramisk basert elektrisk isolasjon og magnetisk design ,2012, 177 s. ( les online ) , s. 31-33.
Pascal Tixador og Yves Brunet , superledere: miljø og applikasjoner ,2004, 17 s. ( les online ) , s. 4.15.
(i) WK McDonald , RM Scanlan , CW Curtis , DC Larbalestier , K. Marken og DB Smathers , " Produksjon og evaluering av Nb 3 Snledere produsert etter MJR-metoden ” , IEEE-transaksjoner på magnetikk , vol. 19, n o 3,Mai 1983, s. 1124-1127.
“ Tokamak Magnets , ” på https://www.iter.org/en (åpnet 15. november 2017 ) .

Se også

Relaterte artikler