فیلامنت های ابررسانای بر پایه ی نیوبیوم

فیلامنت های ابررسانای بر پایه ی نیوبیوم مانند Nb-Ti, S_n ?Nb?_(3 ) هستند هر دوی این ابررسانها دریک زمینه ی مسی قرار داده می شوند. وبرای تولید آهنرباهای ابر رسانا استفاده می شوند سیستم آلیاژی Nb-Ti ( 50% وزنی) یک آلیاژ فلزی نرم ویژه است که می تواند اکسترود وکشیده شوند این آلیاژها با ساختار bcc وقتی در یک زمینه ی مسی قرار گیرد می تواند برای تولید فیلامنت های بسیار نازک استفاده شود. یکی از استفاده های عمده ی این مواد در سیستم های تصویر برداری رزونانس مغناطیسی (MRI) است.
یک سوال مناسب دراین جا این است که : چرا نیاز داریم یک ابر رسانا را به شکل فیلامنت در آوریم؟ جواب این سوال در پدیده ای به نام فرار گرمایی (Thermal runaway) نهفته است . اتلاف انرژی به حرکت سیلانی مربوط می شود که این حرکت سیلانی درابر رسانا موجب فرار گرمایی می شود فرار گرمایی به هر گونه بالا رفتن سریع گرما در ابر رسانا نسبت داده می شود. این مسئله باعث تبدیل شدن انرژی ذخیره شده در سیم به گرما می شود .برای جلوگیری از چنین مصیبتی ، سیم بگونه ای ساخته می شود که جریان حرارت به اطراف همواره بزرگ تر از نرخ اتلاف گرمایی باشد .این نیاز بدین معناست که سیم باید قطر بسیار کوچکی داشته باشد وباید این جریان الکتریسته در ماده ای با رسانایی گرمایی بالا مانند مس با خلوص بالا برقرار گردد. این مسئله همچنین نیازمند یک ویژگی کلیدی دیگر برای این ابر رساناهاست. این نیازمندی پینیگ جریان مغناطیسی (magneticflux Pinning) نامیده می شود.
این ویژگی بوسیله ی عملیات های متالوژی مناسب بدست می آید. (این عملیات های متالوژی عبارت اند از : کارهای سردی همچون اکستروژن وکشش سیم) که پس از عملیات آنیلینگ انجام می شوند. این عملیات ها موجب پدید آمدن ساختار سلولی مناسب وته نشین شدن : ∝-Ti می شود . که هر دوی این موارد موجب بهبود خاصیت پنینگ جریان مغناطیسی می گردد .یک آلیاژ Nb-50%Ti دارای ریز ساختار β به همراه رسوب فاز ∝ است که این ساختار یک ابر رسانا نیست . انجام یک عملیات آنیلینگ به مدت 48 ساعت ودر دمای c°375 باعث بوجود آمدن ذرات ∝ (11%) می شود بوجود آمدن ذرات ∝ بیشتر ، انعطاف پذیری آلیاژ را کاهش می دهد. همچنین دمای آنیلینگ بیشتر از c°375 باعث نرم شدن آلیاژ به دلیل کم شدن نابجایی ها می شود. کار سرد بعد از فرایند آنیلینگ باعث ریز شدن ساختار می گردد. توجه مهمی که باید در طی فرآیند کشش بدان توجه کرد این است که باید از تشکیل خش بر روی آلیاژ جلوگیری گردد. هر خش بوجود آمده بر روی سطح سیم NbTi می تواند باعث پدید آمدن یک گلوله ی سخت اکسید Nb-Ti به قطر یک میکرون شود. در طی فرایند اکستروژن یک اثر شبیه به گلوله ی برفی باعث تشکیل مخلوطی از مس وTiNb می شود عملیات آنیلینگ می تواند باعث پدید آمدن ترکیبات اینتر متالیک مانند C_U (?NbTi)?_2 ، ?CU?_2 (?NbTi)?_ گردد.
یکی دیگر از ابر رسانه های بر پایه های نیوبیوم ? S?_( 3) Nb_3 است این ماده یک ترکیب اینتر متالیک بسیار ترد است و دارای کرنش شکست 0.2% است .از این رو به آسانی نمی توان آن را شکل دهی کرد. این ماده تغییر فرمی درحد صفر دارد . راه کاری که برای حل این مشکل اتخاذ گشته است این است که ابتدا سیم نیوبیوم در داخل زمینه ای از برونز (آلیاژ مس و قلع) کشیده می شود. دراین روش، فیلامنت های نیوبیوم در داخل زمینه ای از برنز ( C_U-13%wtS_n قرار داده می شوند. سپس از میان یک سری قالب خاص کشیده می شوند هنگامی که ضخامت مطلوب از سیم بدست آمده یک عملیات حرارتی در دمایی بین 700 تا 650 درجه سانتیگراد انجام می شود تا قلع از زمینه نفوذ کرده وبا Nb واکنش دهد و Nb_(3 ) S_n پدید آید دراین مرحلهS_n Nb_3 در زمینه ی مسی بوجود آمده است.

کاربردها

فیلامنت های فلزی داری گستره ی کار بردی زیادی در زندگی روزانه ی ما هستند اگر چه این مساله محسوس نمی باشد. در ادامه خلاصه ای از مهمترین استفاده ها از الیاف فلزی را بیان می کنیم.

مس

پس از طلا ونقره مس بهترین رسانهای الکتریسیته است. سیم های مسی معمولاً در رساناهای الکتریسته کاربرد دارند. این سیم ها دربخش مغناطیسی موتورهای الکتریکی ، ترانسفورماتورها ، ژنراتورها ، آهنرباهای الکتریکی و.... کار برد دارند.
مس وآلومینیوم عموماً به دلیل رسانایی الکتریکی خوبشان در سیم های آهنربا کاربرد دارند. سیم های آهنربا خیلی اوقات بوسیله ی انواع متنوعی از پلیمرها مانند نایلون ، آرامید ، پلی استر ، پلی تترافلئورو اتیلین و... پوشش داده می شوند.

آلومینیوم

سیم های آلومینیومی در رساناهای الکتریکی کار برد دارند. اگر چه رسانایی الکتریکی آلومینیوم به خوبی مس نیست ولی از مس سبک تر است. و بنابراین به عنوان رسانای الکتریکی مصرف می شود. این مسئله باید ذکر شود که رسانای الکتریکی آلومینیوم 60% مس است .واین بدان معناست که جایگزینی سیم های مسی با آلومینیومی نیازمند افزایش سطح مقطع سیم ودر نتیجه بزرگتر شدن وسیله ای ساخته شده می شود برخی اوقاف سیم های دو فلزی متشکل از آلومینیوم و مس هستند ، بوسیله ی فرآیند کواکستروژن (Coextrusion) ساخته می شوند و به عنوان رسانا مصرف می شوند.

فولاد

فولاد در حالت سیم وفیلامنت به عنوان تقویت کننده ی لاستیک اتومبیل وشلنگ های فشار استفاده می شوند. همچنین از سیم های فولادی جهت تقویت بتن نیز استفاده می شود. (البته معمولاً برای تقویت بتن از میله های فولادی با قطر بیش از یک سانتیمتر به جای سیم استفاده می شود) سیم فولادی با%o.9-o.8 وزنی کربن (فولاد یوتکتیک درساخت پیانو و طناب های فولادی به عنوان کابل در پل های معلق استفاده می شود. همچنین با تأکید کرد که از سیم های فولادی نازک برای ساخت سازه های مهندسی بزرگ مانند پل های معلق تک دهانه استفاده می شود. دراین کاربرد ها نیاز به کابل های فولادی است که استحکام نهایی آنها به استحکام تک تک فیلامنت های تشکیل دهنده ی کابل بستگی دارد. این چنین کابل هایی می توانند یک متر یا بیشتر قطر داشته وشامل 37000 تار باشند.
یک کاربرد جالب از فیلامنت های فولادی استفاده ی آنها در روکش های الکترومغناطیسی ( Shield electromagnetic) است. فیلامنت های فولادی مورد استفاده دراین وسایل دارای ضخامت بسیار نازک ( 15μm ) هستند. که آنها را دررزین ترموپلاست قرار می دهند. (فیلامنت های فولادی نقش پرکننده ی رسانا را بر عهده دارند)

تنگستن

فیلامنت های تنگستن در لامپ های الکتریکی کار برد دارند. بیش از 90 درصد از تنگستن غیر شمش برای لامپ های روشنایی کاربرد دارند. درصد کمی از تنگستن تولیدی درگرم کن شیشه ی اتومبیل استفاده می شوند. کاربرد دیگر تنگستن ، استفاده از آن در المنت های گرمکننده ی بخار آلومینوم درکاربرد های پوششی است.الیاف تنگستن همچنین برای تقویت مس و برخی سوپر آلیاژهای پایه نیکل وکبالت کاربرد دارند.

سرب

فلزات سنگین اما نرم مانند سرب امواج صدا را به خوبی منعکس می کنند. به خاطر دانسیته ی بالا ومدول پایین، سرب یک عایق اکوستیک عالی است. صفحات سربی به طور فراوان برای این منظور کاربرد دارند. اما نه تنها. زیرا قلع به آسانی وتحت وزنش ، خزش پیدا می کند یک صفحه ی سربی معمولاً ما بین تخته ی سرلایی یا سایر مواد قرار می گیرد.
کمپانی توری ( Toray co) نوعی صفحه ی تولید شده از الیاف سرب را به بازار عرضه کرده است این الیاف سربی که در داخل زمینه ای پلی وینیل کلرایدی قرار می گیرد، خاصیت عایق صدای خوبی دارد. الیاف سربی یافته نشده را می توان به عنوان پوسته ی محافظ اشعه درعایق کاری هسته ای استفاده کرد. آمیزه ای که از الیاف کوتاه سرب به همراه زمینه ای رزینی ساخته شده است می تواند به عنوان عایقی خوب در برابر اشعه ی X استفاده شود.

فیلامنت های تولیدی از ابر رسانه های نیوبیومی

آهنررباهای ابر رسانا مهمترین وگران ترین بخش یک دستگاه عکس برداری MRI است پیچه ی یک MRI شامل الیاف NbT_i که در زمینه ای مسی قرار داده شده اند.
ابررسانه های فیبری دارای Nb_(3 ) S_n درکاربردهایی مانند شتاب دهنده ها (accelerators) کاربرد دارند. در واقع در شتابدهنده ها ما نیاز به یک میدان مغناطیسی بزرگ داریم که تنها با ابررسانها قابل دستیابی هستند.