Niobio-estaño

Identificación
Niobio-estaño

__ Niobio __ Estaño Estructura cristalina de la fase A15 de Nb 3 Sn
N o CAS	12035-04-0
Propiedades químicas
Fórmula	Nb 3 Sn [isómeros]
Masa molar	397,429 ± 0,007 g / mol Nb 70,13%, Sn 29,87%,
Propiedades físicas
T ° fusión	2130 ° C
Cristalografía
Sistema de cristal	Cúbico
Red Bravais	Primitivo (P)
Símbolo de Pearson	$cP8 \,$
Clase de cristal o grupo espacial	Pm 3 n ( n o 223) cúbico Hermann-Mauguin: ${\ Displaystyle P \ 4_ {2} / m \ {\ bar {3}} \ 2 / n \,}$ Hermann-Mauguin ejecuta: ${\ Displaystyle Pm {\ bar {3}} n \,}$ Moscas de Schoen: ${\ Displaystyle O_ {h} ^ {3} \,}$
Strukturbericht	A15
Estructura típica	Cr 3 Si
Parámetros de malla	a = 455,5 pm

Unidades de SI y STP a menos que se indique lo contrario.

El niobio-estaño , también conocido como triniobio estaño, es un compuesto químico metálico policristalino formado por niobio (Nb) y estaño (Sn) de fórmula empírica Nb 3 Sn. Este compuesto intermetálico tiene una fase A15 y se utiliza en la industria como superconductor de tipo II . Esta estructura cristalina ocurre a menudo con la estequiometría A 3 By pertenece al sistema cúbico en el grupo espacial Pm 3 m ( n o 223). Las posiciones de los átomos de la estructura son las siguientes:

2 átomos de B en posición: (0,0,0) y (1 / 2,1 / 2,1 / 2)
6 átomos A en posición: (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 Snse superconductor por debajo de una temperatura crítica de aproximadamente 18 Kelvin [K] ( -255 ° C ) a 0 Tesla [T] y puede soportar campos magnéticos de hasta 30 T . Sin embargo, el niobio-estaño es cara, frágil y difícil de producir, es por ello que a veces preferimos elegir niobio-titanio (NbTi), que se superconductora a una temperatura crítica del orden de 9 K ( -264 ° C). ) y es resistente a los campos magnéticos de hasta 15 t .

No obstante, se ha producido un aumento en la producción de niobio-estaño en los últimos veinte años, porque puede soportar mayores densidades de corriente que el niobio-titanio y por tanto permitir el desarrollo o mejora de aplicaciones a gran escala como la mejora del LHC a través de la desarrollo de imanes superconductores capaces de generar más de 10 t .

Historia

La superconductividad de Nb 3 Snfue descubierto en 1954 por el equipo de Bernd Matthias en el laboratorio Bell Telephone en Murray Hill, Nueva Jersey, un año después del descubrimiento de V 3 Si, el primer material superconductor con estructura tipo A15. En 1961 se descubrió que el niobio-estaño exhibía superconductividad a valores elevados de corriente y campo magnético , convirtiéndose así en el primer material capaz de resistir las altas corrientes y campos magnéticos requeridos para el uso de potentes imanes y campos magnéticos.

Fabricación

Desde un punto de vista mecánico, Nb 3 Snes muy frágil y no se puede convertir fácilmente en alambre, que es necesario para crear electroimanes . Para superar este problema, los fabricantes de hilo utilizan técnicas de fabricación particulares. Hoy en día, existen 4 métodos industriales para producir hilos basados en Nb 3 Sn : el método del bronce , el método del estaño interno, el método “ Modified Jelly Roll ” (MJR) y el método “ Powder in Tube ” (PIT). La elección de los métodos depende del uso final del cable y cada uno tiene sus ventajas y desventajas. Según la tesis de Arnaud Devred, crear hijos de Nb 3 Sn, hay que :

ensamblar un tocho de multifilamento que incluya precursores de Nb 3 Sn que son más fácilmente deformables;
transformar el tocho girando y estirando hasta obtener el alambre de diámetro deseado;
alambre y / o viento (cuando sea necesario);
realizar un tratamiento del hilo en estado final (o del cable o de la bobina) para precipitar el compuesto Nb 3 Snin situ , una vez aplicadas las deformaciones mecánicas potencialmente más dañinas.

Método de bronce

En el método del bronce, los alambres se producen a partir de palanquillas de varilla de niobio que se pueden dopar con titanio o tantalio y luego se colocan en una matriz de aleación de cobre y estaño. En la mayoría de las aplicaciones prácticas, se agrega cobre puro en la periferia o en el centro del compuesto para compensar la alta resistividad residual del bronce a baja temperatura y así permitir una estabilización y protección adecuadas.

Cuando el niobio entra en contacto con la aleación de CuSn, se transforma en Nb 3 Snsobre un cierto espesor, lo que aumenta la corriente crítica del cable. Sin embargo, si algunos o todos los filamentos están rodeados por una barrera parcialmente superconductora, se puede observar un aumento en las pérdidas de magnetización e histéresis en el superconductor. Para evitar esto, el cobre se protege con barreras de tantalio que evitan la difusión del estaño en el cobre y por lo tanto la formación adicional de bronce, pero este material es caro y menos dúctil que el niobio.

Se aplica al alambre el siguiente tratamiento térmico : entre 40 y 140 horas a una temperatura del orden de 700 ° C ya sea en vacío o manteniendo un flujo de gas inerte como argón o nitrógeno a alta pureza. La atmósfera de trabajo debe controlarse para evitar la oxidación del cobre.

El método del bronce es el método más clásico, sin embargo tiene dos inconvenientes:

la precipitación de Nb 3 Sn está limitado por la cantidad de estaño presente en el bronce;
Se deben realizar varios tratamientos térmicos de ablandamiento durante los pasos de dibujo.

Además, entre las fases de bronce, solo la fase α es dúctil y fácil de trabajar. Sin embargo, la solubilidad del estaño en la fase α del bronce se limita a un porcentaje atómico de 9,1 (equivalente a un porcentaje en peso de 15,7). Para asegurar una cantidad suficiente de estaño para que los filamentos puedan reaccionar completamente, es necesario utilizar relaciones relativamente altas de bronce / niobio. El límite teórico para un bronce con una composición de estaño de 9.1% atómico es 2.6 en 1, pero en la práctica, es más entre 3 y 4 en 1. Además, el bronce α tiene un coeficiente de endurecimiento por deformación relativamente alto y tratamientos térmicos intermedios. ( 48 horas a 500 ° C ) debe realizarse durante la fase de fabricación del alambre para restaurar la ductilidad y evitar la rotura del material. Estas operaciones intermedias requieren tiempo adicional y, por lo tanto, aumentan los costos de producción.

Método de estaño interno

El método de estaño interno tiene dos ventajas sobre el método de bronce :

aumentar la cantidad de estaño disponible mediante el uso de piscinas de estaño dentro del niobio ;
Evite realizar tratamientos térmicos de ablandamiento con el uso de una matriz de cobre puro con un coeficiente de endurecimiento por trabajo bajo .

Esta vez, insertamos las varillas de niobio en una matriz de cobre y luego las colocamos en una estrella alrededor de un corazón de estaño para formar un subelemento. Estos subelementos se apilan y luego se insertan en una matriz de cobre. Luego se agrega una barrera anti-difusión (a menudo tántalo ) alrededor de los subelementos o alrededor de la pila para proteger el cobre exterior del estaño para mantener una resistividad baja a baja temperatura.

Se aplica el tratamiento térmico siguiente: calentamiento de 6 ° C por hora a 660 ° C. seguido por una meseta de 240 horas a 660 ° C. en vacío o en una atmósfera de gas inerte . Durante este tratamiento térmico, el estaño de las piscinas se difunde en los filamentos de niobio y parte del cobre para formar Nb 3 Sn respectivamente. y bronce.

El mayor inconveniente es la reducción de la distancia entre filamentos provocada por el aumento de la densidad de los filamentos. De hecho, esto favorece la formación de puentes entre filamentos y magnetizaciones indeseables que pueden inducir saltos de flujo en campo bajo y magnetizaciones altas en campo alto.

Método de "rollo de gelatina modificado"

El método " Modified Jelly Roll " fue desarrollado y patentado en 1983 por WK McDonald , un investigador que trabaja en Teledyne Wah Chang Albany (TWCA) en Oregon . En este método, se utilizan malla de niobio y láminas de cobre o bronce enrolladas juntas como en " Jelly Roll ". A veces, se pueden insertar varillas de estaño en el núcleo del rollo. Luego, el rollo se inserta en la matriz de cobre utilizando una barrera anti-difusión. En la práctica, varios rollos se vuelven a apilar en un tubo de cobre y luego se vuelven a estirar.

Este método tiene dos ventajas:

un costo de producción relativamente bajo;
las densidades de corriente altas;

Sin embargo, el diámetro de los alambres producidos es difícil de controlar.

Método de polvo en tubo

Este método consiste en utilizar una mezcla de polvos NbSn 2, estaño y posiblemente cobre. La mezcla de polvo se compacta y luego se inserta en un tubo de niobio, embebido en un tubo de cobre para formar un filamento. Los filamentos se estiran y luego se apilan en una matriz de cobre. Se aplica el siguiente tratamiento térmico: aumento de 150 ° C por hora hasta 590 ° C , primer nivel de 20 minutos a 590 ° C , luego aumento de 12 ° C por hora hasta 675 ° C , segundo nivel de 62 horas a 675 ° C .

Durante el tratamiento térmico, primero observamos la formación de una fase Nb 6 Sn`5entonces la precipitación de Nb 3 Sn. La capa de Nb 3 Sncrece desde el interior hacia el exterior del tubo de niobio. La duración del tratamiento térmico y el diámetro de los filamentos se eligen de modo que la difusión del estaño se detenga en el niobio y no llegue al cobre exterior.

Este método ofrece:

altos valores de densidades de corriente en el no cobre gracias a la disposición de las palanquillas;
posibilidad de predecir y controlar los efectos de la magnetización ;
un tratamiento térmico relativamente corto, que permite evitar un crecimiento excesivo del grano y obtener propiedades más homogéneas en los filamentos.

Sin embargo, el método en polvo sigue siendo uno de los métodos de producción más caros, con un coste de fabricación tres veces superior al del método interno de estaño, por ejemplo.

Aplicaciones

Proyecto ITER

El proyecto ITER requiere más de 10.000 toneladas de sistemas superconductores para generar el campo magnético que creará, confinará y modelará el plasma dentro del tokamak . Estos sistemas superconductores consisten en niobio-estaño (Nb 3 Sn) y niobio-titanio (NbTi) porque se vuelven superconductores cuando se enfrían a -270 ° C ( 4 K ). Se utiliza niobio-estaño para las bobinas de campo toroidales y para el solenoide central y niobio-titanio para las bobinas de campo poloidal .

LHC

La mejora de la LHC , también llamado LHC de alto brillo (HL-LHC), proporciona para lograr luminosidad instantánea cinco veces mayor que los obtenidos actualmente mediante el uso de campos magnéticos de hasta 12 t . Para ello, debemos desarrollar imanes superconductores capaces de generar campos magnéticos de más de 10 t . Es el elemento de niobio-estaño fue elegido debido a sus propiedades superconductoras a expensas de niobio-titanio , ya que genera campos magnéticos por debajo de 10 T . Se utilizan cables Nb 3 Snpara las bobinas de los imanes HL-LHC, sin embargo, estos cables deben estar formados con filamentos Nb 3 Sny enrollarlos en bobinas como en los métodos de fabricación vistos anteriormente. Al final se obtiene un cable de forma trapezoidal , lo que le confiere una alta densidad de corriente.

Notas y referencias

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