Физика композитных сверхпроводников - Гуревич А.Вл.
Скачать (прямая ссылка):
Теплопроводность к,- органических материалов, которые используются для
изоляции композитных сверхпроводников (лак, эпоксидная смола, лавсан,
тефлон и другие), в области гелиевых температур весьма мала. Характерным
является значение к, ~ 10"1 Вт/м К, что в несколько раз меньше, чем для
жестких сверхпроводников, и на 3-4 порядка меньше, чем для технических
меди и алюминия. На рис. 2.9, в в качестве примера приведена зависимость
от температуры теплопроводности эпоксидной смолы. Для других органических
материалов зависимость к(Т) имеет качественно подобный вид.
Наличие изоляции с плохой теплопроводностью существенно сказывается на
величине плотности потока тепла q = /гЭфф(?к - ?о) из композита в
охладитель. Здесь Тк - температура внешней поверхности матрицы, йЭфф -
эффективный коэффициент теплоотвода. В случае, например, плоской границы
охладитель - композитный сверхпроводник, покрытый слоем изоляции с
толщиной dt (рис. 2.10), простой расчет приводит к выражению для йЭфф в
виде
h
hj{hф ~ - (2.2)
фф 1 +hd,lKi
Из формулы (2.2) следует, что если М(-/к,- > 1, то ИЭфф< h. Пусть, для
оценок, h = 6 • 103Вт/м2 • К (режим пузырькового кипения при охлаждении
жидким гелием, см. рис. 1.7), а к,- = 6 ¦ 10~2 Вт/м ¦ К. Тогда М,-/к,- =
1, если df = 10-5м, и, следовательно, при dt > 10~5м величина йЭфф =
= Ki/dj < h.
4) Теплоемкость. При гелиевых температурах теплоемкость единицы объема
v жестких сверхпроводников и нормальных металлов порядка 103Дж/м3 • К.
Это относительно небольшая величина, что, в частности, неблагоприятно
сказывается на устойчивости сверхпроводящего состояния.
На рис. 2.11 приведены зависимости теплоемкости единицы массы V *) от Т
для сплава Nb - 50% Ti, соединения Nb3Sn, технических меди и алюминия..
Немонотонность на кривых v(T), наблюдающаяся у сверхпроводников, связана
с переходом через Тс. Отвлекаясь от этой особенности, теплоемкость
интересующих нас материалов при Т < 50 К можно описать формулой
v(T) = ptT + p3T\
где v 1 и v з - числовые коэффициенты.
При дальнейшем изложении встречается лишь величина v. Экспериментально,
как правило, измеряют v. Переход от v к и осуществляется домножением v на
удельную плотность, которая для сплавов Nb-Ti примерно равна5,6 -
103кг/м3, для соединения Nb3Sn - 3,6 - 103кг/м3, для Си - 8,9 • 103кг/м3,
а для А1 - 2,7 - 103кг/м3 [23. 54].
47
Ю2у- \!,Ы(кг-К)
У,Ю5Дт/(кг-К)
4 6 S ЛИ
а
Рис. 2.11. Зависимости v(T) для: а) сплава Nb Nb3Sn,2 - алюминия, 3 -
меди [54]
Т, К
- 50%Ti [68];б) / -соединения
5) Механические характеристики. При обсуждении механических
характеристик композитных сверхпроводников мы вначале остановимся на
величинах, определяющих их пластичность и прочность, а затем - на том,
как влияет степень их деформации на основные параметры сверхпроводящего
состояния. Подчеркнем, что механические свойства весьма существенно
зависят от технологии изготовления и последующей обработки образцов.
Поэтому приведенные ниже значения соответствующих величин следует
рассматривать как наиболее характерные.
Сплавы Nb-Ti являются относительно пластичными и прочными жесткими
сверхпроводниками.,Так, при концентрации титана от 40 до 60 ат.% и 7'^4К
они имеют модуль Юнга Е " 10*' Н/м2, предел упругости а02 =*(1 -2)- 109
Н/м2 *) и предел прочности аь, на несколько десятков процентов
превышающий величину о0>2 - В тех же условиях для сплавов Nb-Ti
максимальная деформация до начала разрушения еь= 2,5-4%. Станид ниобия
является существенно более хрупким материалом. В области гелиевых
температур для соединения Nb3Sn характерными являются следующие значения:
1011 Н/м2, о0 2 ^3-108 Н/м2 ,аь,^ 5-6 • 108Н/м2,
€"*1,2-1,3%.
Техническая медь, которую обычно используют в сверхпроводящих композитах,
при Г~4К имеет значения: /Г^Ю11 Н/м2, а0 2 ~
~ (1-2) ¦ 108Н/м2, аь ~ (4-5) • 108Н/м2, еь = 10%. Для технического
*> Предел упругости а0 2 равен величине механического напряжения о, после
снятия которого остаточная деформация составляет 0,2 %.
48
алюминия в тех же условиях Е ~ 10'1 Н/м2, а0 2 "= (5-6) ¦ 107Н/м2, аь -•
= 2 • 108Н/м2, а значения сь порядка 10% и выше.
Приведенные данные позволяют понять, как происходит деформация
композитного сверхпроводника при его механическом нагружении в области
гелиевых температур. Действительно, из сопоставления соответствующих
пределов упругости а0 2 видно, что пластическая деформация прежде всего
начинается в нормальном металле матрицы. Прочность же композита
определяется содержанием в нем сверхпроводника - чем выше концентрация
сверхпроводника, тем прочнее композит. При большой деформации разрушаются
сначала сверхпроводящие жилки, а затем уже матрица (величина еь для
сверхпроводника существенно меньше, чем для нормального металла).
С увеличением температуры модуль Юнга, предел упругости и предел
прочности металлов и сплавов обычно снижаются, а максимальная деформация
до начала разрушения возрастает, т.е. зти материалы становятся более
