Статья
Теплопроводность ВТСП сборок на основе паянных и клеевых соединений при криогенных температурах
И. В. Мартиросян
НИЯУ МИФИ, Каширское ш., 31, 115409 Москва, Россия
e-mail: mephizic@gmail.com
А. Ю. Малявина
НИЯУ МИФИ, Каширское ш., 31, 115409 Москва, Россия
М. А. Балакина
НИЯУ МИФИ, Каширское ш., 31, 115409 Москва, Россия
С. В. Покровский
НИЯУ МИФИ, Каширское ш., 31, 115409 Москва, Россия
УДК 538.945
Аннотация
В настоящей работе представлены результаты сравнительного исследования эффективной теплопроводности стопок высокотемпературных сверхпроводящих лент на основе YBa2Cu3O7-x, собранных по трём технологиям соединения: пайкой припоем ПОС-61 и склеиванием двухкомпонентными составами ТО-29-2 и Т20-60 с теплопроводящими включениями SiO2. Измерения выполнены стационарным методом в диапазоне температур 55–120 К для продольной и поперечной ориентаций образцов, что позволяет оценить анизотропию теплопроводности ВТСП сборок. Предложен способ определения собственной теплопроводности связующего слоя по разности тепловых сопротивлений паяного и склеенного образцов одинаковой конфигурации, исключающий вклад лент и систематическую составляющую измерительной схемы. Теплопроводность клеевых слоёв возрастает в исследованном диапазоне температур от 0.45 до 0.77 Вт/(м·К). Показано, что клеевые составы ТО-29-2 и Т20-60 эквивалентны по собственной теплопроводности, а различие теплопроводности сборок определяется толщиной клеевого слоя. Результаты измерений продольных образцов свидетельствуют о том, что при присоединении стопки торцевой гранью тепловое сопротивление лимитируется посадочным соединением, а не проводником. Полученные значения теплового сопротивления соединений могут быть использованы для расчёта сборок произвольной конфигурации и моделирования тепловой стабилизации ВТСП устройств.
Ключевые слова: теплопроводность; ВТСП ленты; ВТСП сборки, клеевые составы; теплопроводящие добавки; клеевые соединения; теплопроводящий компаунд; тепловое сопротивление; тепловая стабилизация.
Литература
[1] X.H. Zong, Y.W. Han, and C.Q. Huang. Introduction of 35-kV kilometer-scale high-temperature superconducting cable demonstration project in Shanghai. Superconductivity 2, 100008 (2022). DOI: 10.1016/j.supcon.2022.100008
[2] A. Molodyk, S. Samoilenkov, A. Markelov, et al. Development and large volume production of extremely high current density YBa2Cu3O7 superconducting wires for fusion. Scientific Reports 11, 2084 (2021). DOI: 10.1038/s41598-021-81559-z
[3] G. Gonçalves Sotelo, G. dos Santos, F. Sass, et al. A review of superconducting fault current limiters compared with other proven technologies. Superconductivity 3, 100018 (2022). DOI: 10.1016/j.supcon.2022.100018
[4] J.L. MacManus-Driscoll and S.C. Wimbush. Processing and application of high-temperature superconducting coated conductors. Nature Reviews Materials 6, 587 (2021). DOI: 10.1038/s41578-021-00290-3
[5] M.J. Wolf, W.H. Fietz, Ch.M. Bayer, et al. HTS CroCo: A Stacked HTS Conductor Optimized for High Currents and Long-Length Production. IEEE Transactions on Applied Superconductivity 26, 19 (2016). DOI: 10.1109/TASC.2016.2521323
[6] D.C. van der Laan, J.D. Weiss, and D.M. McRae. Status of CORC® cables and wires for use in high-field magnets and power systems a decade after their introduction. Superconductor Science and Technology 32, 033001 (2019). DOI: 10.1088/1361-6668/aafc82
[7] M. Takayasu, L. Chiesa, L. Bromberg, and J.V. Minervini. HTS twisted stacked-tape cable conductor. Superconductor Science and Technology 25, 014011 (2012). DOI: 10.1088/0953-2048/25/1/014011
[8] Z.S. Hartwig, R.F Vieira, B.N Sorbom, et al. VIPER: an industrially scalable high-current hightemperature superconductor cable. Superconductor Science and Technology 33, 11LT01 (2020). DOI: 10.1088/1361-6668/abb8c0
[9] H. Song, M.W. Davidson, and J. Schwartz. Dynamic magneto-optical imaging of transport current redistribution and normal zone propagation in YBa2Cu3O7−δ coated conductor. Superconductor Science and Technology 22, 062001 (2009). DOI: 10.1088/0953-2048/22/6/062001
[10] M. Marchevsky. Quench Detection and Protection for High-Temperature Superconductor Accelerator Magnets. Instruments 5, 27 (2021). DOI: 10.3390/instruments5030027
[11] Y. Tsui, E. Surrey, and D. Hampshire. Soldered joints—an essential component of demountable high temperature superconducting fusion magnets. Superconductor Science and Technology 29, 075005 (2016). DOI: 10.1088/0953-2048/29/7/075005
[12] N. Bagrets, G. Celentano, A. Augieri, et al. Investigation of Soldered REBCO Tape–Copper Joints for Superconducting Applications. IEEE Transactions on Applied Superconductivity 26, 4800404 (2016). DOI: 10.1109/TASC.2016.2519928
[13] S. Nakamura, T. Fujii, Sh. Matsukawa, et al., Cryogenics 95, 76 (2018). DOI: 10.1016/j.cryogenics.2018.09.001
[14] G. Armstrong, A.S. Greenberg, and J.R. Sites. Very low temperature thermal conductivity and optical properties of Stycast 1266 epoxy. Review of Scientific Instruments 49, 345 (1978). DOI: 10.1063/1.1135404
[15] C. Barth, N. Bagrets, K.-P. Weiss, et al. Degradation free epoxy impregnation of REBCO coils and cables. Superconductor Science and Technology 26, 055007 (2013). DOI: 10.1088/0953-2048/26/5/055007
[16] N. Bagrets, W. Goldacker, S.I. Schlachter, et al., Cryogenics 61, 8 (2014). DOI: 10.1016/j.cryogenics.2014.01.015
[17] N. Bagrets, C. Barth, and K.P. Weiss. Low Temperature Thermal and Thermo-Mechanical Properties of Soft Solders for Superconducting Applications. IEEE Transactions on Applied Superconductivity 24, 7800203 (2014). DOI: 10.1109/TASC.2013.2283869
[18] N. Bagrets, S. Otten, K.-P. Weiss, et al. Thermal and mechanical properties of advanced impregnation materials for HTS cables and coils. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 102, 012021 (2015). DOI: 10.1088/1757-899X/102/1/012021
[19] Российский производитель композиционных материалов. Итекма // itecma.ru, 2026. URL: https://itecma.ru/
[20] J. Lu, E.S. Choi, and H.D. Zhou. Physical properties of Hastelloy® C-276™ at cryogenic temperatures. Journal of Applied Physics 103, 064908 (2008). DOI: 10.1063/1.2899058
[21] N. Bagrets, W. Goldacker, A. Jung, and K.P. Weiss. Thermal Properties of ReBCO Copper Stabilized Superconducting Tapes. IEEE Transactions on Applied Superconductivity 23, 6600303-6600303( 2013). DOI: 10.1109/TASC.2012.2233268
[22] M. Bonura and C. Senatore. High-field thermal transport properties of REBCO coated conductors. Superconductor Science and Technology 28, 025001 (2015). DOI: 10.1088/0953-2048/28/2/025001
[23] P. Lammintaus, M. Lyly, D. Sotnikov, and T. Salmi. Transversal Thermal Conductivity of HTS Tapes: Analytical Method vs Measurements. IEEE Transactions on Applied Superconductivity 34, 6601307 (2024). DOI: 10.1109/TASC.2024.3361884