В работе рассчитаны эффективные теплофизические свойства сверхпроводниковых материалов методом осреднения по правилу смесей и по формулам механики композиционных материалов. Показано, что метод осреднения по правилу смесей при прогнозировании свойств сверхпроводящих композитов в большинстве случаев обеспечивает высокую точность для использования в практических технологических расчетах.

Ключевые слова: сверхпроводник, пластическое деформирование, трансверсальная изотропия, эффективные теплофизические свойства.

Основное содержание исследования

В настоящее время в России организуется производство низкотемпературных сверхпроводящих материалов (НТСП) для магнитной системы международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), строительство которого начато в атомном центре Кадараш во Франции. Общее необходимое количество сверхпроводников для магнитной системы ИТЭР составляет более 700 тонн [1].

Технические сверхпроводящие кабели представляют собой сложные композитные конструкции из разнородных материалов с ультратонкими (до долей микрона) волокнами собственно сверхпроводникового материала (рис.1). Для ИТЭР планируется изготовление сверхпроводников на основе материалов Nb-Ti и Nb₃Sn эксплуатируемых при температурах вблизи 4,2?К (температура жидкого гелия). Разработка технологии производства сверхпроводников для ИТЭР выполняется при участии кафедры Динамики и прочности машин Пермского государственного технического университета. В основе технологии лежит многократное волочение как наиболее трудоемкий вид металлургического передела [2, 3]. Процесс волочения заключается в протягивании заготовки через конический волочильный инструмент, общее количество переходов составляет несколько десятков.

Рис.1. Некоторые конструкции сверхпроводников.

Как следует из рис.1, композиционные сверхпроводники представляют собой трансверсально изотропную конструкцию, состоящую из сверхпроводящих волокон и токостабилизирующей оболочки из сверхчистой меди. К трансверсально изотропным средам относят материалы, обладающие симметрией свойств в перпендикулярной к направлению волокон плоскости [4].

Для определения теплофизических свойств сверхпроводящих проводов как трансверсально изотропной среды рассмотрим композит, состоящий из двух компонентов: сплава ниобий-титан (Nb - 50% (по массе) Ti) и меди (Си). Ниобий-титан являтеся сердечником, а медь - оболочкой. Сечение сверхпроводника показано на рис.2. В табл.1 приведены значения физических констант для компонентов композита, принятые в последующих расчетах.

Рис.2. Расчетная схема сверхпроводникового провода.

Таблица 1.

При многопереходном волочении сверхпроводниковая заготовка разогревается в процессе пластического деформирования и охлаждается на барабанах волочильной машины. Выполнение расчетов температурных режимов требует знания теплофизических эффективных свойств композитной сверхпроводниковой заготовки, в частности коэффициента температуропроводности

где - удельная теплопроводность материала, - удельная теплоемкость при постоянном давлении, - удельный вес кг/ материала.

В соответствии с работой [4] определены теплофизические характеристики сверхпроводникового композита на основе сплава ниобий-титан в медной матрице в зависимости от объемного содержания волокна и сопоставлены с характеристиками, определенными по правилу смеси.

Удельная теплопроводность определяется формулами:

1)

2)

В табл.2 и на рис.3 приведены расчетные значения удельной теплопроводности.

теплофизическое свойство сверхпроводниковый материал

Рис. 3. Теплопроводность сверхпроводящего композита.

Таблица 2.

Удельная теплоемкость при постоянном давлении определяется формулами:

1)

2)

где и - коэффициент термического расширения и модуль упругости сверхпроводящего композита, определенные в работе [5].

В таблице 3 и на рисунке 4 приведены результаты расчета удельной теплоемкости.

Рис.4. Удельная теплоемкость сверхпроводящего композита.

Таблица 3.

Удельный вес композита определяем правилом смеси и определяем прогнозируемые значения коэффициента температуропроводности, которые представлены в таблице 4 и на рисунке 5.

Рис.5. Коэффициент температуропроводности сверхпроводящего композита.

1. Шиков А.К., Никулин А.Д., Силаев А.Г. и др. /Разработка сверхпроводников для магнитной системы ИТЭР в России // Известия ВУЗов. Цветная металлургия. 2003. №1. с.36 - 43.

2. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения, 1972 - 176 с.

3. Колмогоров Г.Л., Латышева Т.В. /Предельные деформации при волочении сверхпроводниковых изделий // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2007. №5. с.36-38.

4. Р. Кристенсен. Введение в механику композитов. Пер. с англ. - М. Мир, 1982 - 334 с.

5. Колмогоров Г.Л., Снигирева М.В. Упругие и теплофизические характеристики трансверсально изотропных сверхпроводниковых композиционных материалов. // Научные исследования и инновации. Пермь: Пермский гос. техн. ун-т 2007. №1. с.31-40.

Размещено на Allbest.ru