Niobio-estaño es un compuesto intermetálico de niobio (Nb) y estaño (Sn), utilizado industrialmente como superconductor de tipo II . Este compuesto intermetálico tiene una estructura simple: A3B . Es más caro que el niobio-titanio (NbTi), pero sigue siendo superconductor hasta una densidad de flujo magnético de 30 teslas [T] (300.000 G), [1] en comparación con un límite de aproximadamente 15 T para el NbTi.
Se descubrió que el Nb 3 Sn era un superconductor en 1954. La capacidad del material para soportar altas corrientes y campos magnéticos se descubrió en 1961 y comenzó la era de las aplicaciones a gran escala de la superconductividad.
La temperatura crítica es 18,3 kelvin (-254,8 °C; -426,7 °F). Las temperaturas de aplicación suelen rondar los 4,2 K (-268,95 °C; -452,11 °F), el punto de ebullición del helio líquido a presión atmosférica.
En abril de 2008 se afirmó una densidad de corriente récord sin cobre de 2643 A mm −2 a 12 T y 4,2 K. [2]
Se descubrió que el Nb 3 Sn era un superconductor en 1954, un año después del descubrimiento del V 3 Si , el primer ejemplo de un superconductor A 3 B. [3] En 1961 se descubrió que el niobio-estaño todavía exhibe superconductividad en grandes corrientes y fuertes campos magnéticos, convirtiéndose así en el primer material conocido que soporta las altas corrientes y campos necesarios para fabricar imanes de alta potencia y maquinaria de energía eléctrica útiles . [4] [5]
El solenoide central y los imanes superconductores de campo toroidal para el reactor de fusión experimental ITER planificado utilizan niobio-estaño como superconductor. [6] La bobina del solenoide central producirá un campo de 13,5 teslas (135.000 G). Las bobinas de campo toroidal funcionarán a un campo máximo de 11,8 T. El uso estimado es de 600 toneladas métricas (590 toneladas largas) de cordones de Nb 3 Sn y 250 toneladas métricas de cordones de NbTi . [7] [8]
En el Gran Colisionador de Hadrones del CERN , entre finales de 2018 y principios de 2020 se están instalando imanes cuadrupolares extrafuertes (para enfocar haces) fabricados con niobio y estaño en puntos clave del acelerador. [9] El niobio y estaño se había propuesto en 1986 como una alternativa al niobio-titanio , ya que permitía refrigerantes menos complejos que el helio superfluido , [ aclaración necesaria ] [ cita necesaria ] pero esto no se llevó a cabo para evitar retrasos al competir con el entonces planeado Superconductor Supercolisionador liderado por Estados Unidos .
Mecánicamente, el Nb 3 Sn es extremadamente frágil y, por lo tanto, no se puede estirar fácilmente para formar un alambre, lo cual es necesario para enrollar imanes superconductores . Para superar esto, los fabricantes de alambres suelen estirar alambres compuestos que contienen precursores dúctiles. El proceso de "estaño interno" incluye aleaciones separadas de Nb, Cu y Sn. El proceso "bronce" contiene Nb en una matriz de bronce cobre -estaño . En ambos procesos, el cordón generalmente se estira hasta alcanzar el tamaño final y se enrolla en un solenoide o cable antes del tratamiento térmico. Sólo durante el tratamiento térmico el Sn reacciona con el Nb para formar el frágil y superconductor compuesto de niobio y estaño. [10] También se utiliza el proceso de polvo en tubo . [2] [11]
La sección de alto campo de los imanes de RMN modernos está compuesta de alambre de niobio y estaño.
Dentro de un imán, los cables están sujetos a altas fuerzas de Lorentz , así como a tensiones térmicas durante el enfriamiento. Cualquier tensión en el niobio y estaño provoca una disminución en el rendimiento superconductor del material y puede provocar que el material frágil se fracture. Por este motivo, los cables deben ser lo más rígidos posible. El módulo de Young del niobio y estaño es de alrededor de 140 GPa a temperatura ambiente. Sin embargo, la rigidez cae hasta 50 GPa cuando el material se enfría por debajo de 50 K (-223,2 °C; -369,7 °F). [12] Por lo tanto, los ingenieros deben encontrar formas de mejorar la resistencia del material. A menudo se incorporan fibras de refuerzo en los alambres compuestos de niobio y estaño para aumentar su rigidez. Los materiales de refuerzo comunes incluyen Inconel , acero inoxidable , molibdeno y tantalio debido a su alta rigidez a temperaturas criogénicas. [13] Dado que los coeficientes de expansión térmica de la matriz, la fibra y el niobio y el estaño son todos diferentes, se pueden generar cantidades significativas de tensión después de que el alambre se recoce y se enfría hasta alcanzar las temperaturas de funcionamiento. Esta deformación se conoce como predeformación del alambre. Dado que cualquier tensión en el niobio y estaño generalmente disminuye el rendimiento superconductor del material, se debe utilizar una combinación adecuada de materiales para minimizar este valor. La predeformación en un alambre compuesto se puede calcular mediante la fórmula
donde ε m es la predeformación, ΔL/L c y ΔL/L f son cambios de longitud debido a la expansión térmica del conducto de niobio y estaño y la fibra de refuerzo, respectivamente; Vc , Vf , Vcu y Vbz son las fracciones de volumen de conductos, fibra, cobre y bronce; σ cu,y y σ bz,y son los límites elásticos del cobre y el bronce; y E c y E f son el módulo de Young del conducto y la fibra. [14] Dado que la matriz de cobre y bronce se deforma plásticamente durante el enfriamiento, aplican una tensión constante igual a su límite elástico. Sin embargo, el conducto y la fibra se deforman elásticamente por diseño. Los superconductores comerciales fabricados mediante el proceso de bronce generalmente tienen un valor de predeformación de entre el 0,2% y el 0,4%. El llamado efecto de deformación provoca una reducción de las propiedades superconductoras de muchos materiales, incluido el niobio y el estaño. La deformación crítica, la deformación máxima permitida sobre la cual se pierde la superconductividad, viene dada por la fórmula
donde ε c es la deformación crítica, ε co es un parámetro dependiente del material igual al 1,5% en tensión (−1,8% en compresión) para niobio y estaño, B es el campo magnético aplicado y B c2m es el campo crítico superior máximo del material. [15] La tensión en el estaño de niobio provoca distorsiones tetragonales en la red cristalina, lo que cambia el espectro de interacción electrón-fonón. Esto equivale a un aumento del desorden en la estructura cristalina de A15. [16] Con una tensión suficientemente alta, alrededor del 1%, el conducto de niobio y estaño desarrollará fracturas y la capacidad de transporte de corriente del cable se dañará irreversiblemente. En la mayoría de las circunstancias, excepto en condiciones de campo intensas, el conducto de niobio y estaño se fracturará antes de que se alcance la deformación crítica.
El hafnio o el circonio añadidos al niobio-estaño aumentan la densidad de corriente máxima en un campo magnético. Esto puede permitir que se utilice a 16 tesla para el futuro colisionador circular planificado por el CERN . [17]
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