Niob-Titan (Nb-Ti)-Legierungsrohre sind ein wichtiges Matrixmaterial für die Herstellung von kryogenen supraleitenden Kabeln und Spulen. Ihr Hauptvorteil liegt in ihrer moderaten kritischen Temperatur (9,3 K–10,3 K) und ihrer hohen Verformungsbeständigkeit. Sie spielen eine entscheidende Rolle in der supraleitenden Energieübertragung und in hochpräzisen Geräten.
Null Widerstand und geringe Verluste: Im Temperaturbereich von flüssigem Helium (ca. 4,2 K) oder im supraleitenden Zustand weisen Niob-Titan-Supraleiter einen Widerstand von null auf. Dies ermöglicht die verlustfreie Übertragung hoher Ströme und verbessert die Übertragungseffizienz und -kapazität von Stromnetzen signifikant. Stütz- und Mantelmaterial: Bei der Herstellung supraleitender Kabel werden Stäbe oder Drähte aus Nb-Ti-Legierung häufig in eine hochreine Kupfermatrix eingebettet und anschließend gezogen. Niob-Titan-Rohre dienen als zentrales Stützrohr oder äußere Schutzhülle des Kabels und werden zur Zirkulationskühlung der internen kryogenen Flüssigkeit (z. B. flüssiges oder superkritisches Helium) eingesetzt, um die Stabilität des supraleitenden Zustands zu gewährleisten. Supraleitende Stromkabel: Sie werden bei der Modernisierung städtischer Stromnetze eingesetzt, um eine hochkapazitive, verlustfreie und hochkompakte unterirdische Stromübertragung zu realisieren. Hochfeldmagnetgeräte: Sie finden breite Anwendung in Kernspinresonanz-Bildgebungsgeräten (MRT), Teilchenbeschleunigern und Anlagen zur kontrollierten Kernfusion, um starke Magnetfelder zu erzeugen. Hochpräzise Übertragung: Sie werden auch in kryogenen Signalübertragungskabeln in Quantencomputern verwendet. Nb-Ti-Legierungen weisen hervorragende konventionelle supraleitende Eigenschaften auf. Praktische Materialien enthalten typischerweise 35 % bis 55 % Niob (z. B. Legierungen mit 47 % Titan), und die supraleitenden Eigenschaften lassen sich durch die Zugabe von Spurenmengen an Tantal oder Zirkon verbessern.
Supraleitende MRT- und NMR-Geräte benötigen einen geschlossenen Regelkreis des supraleitenden Magneten, um hochstabile Magnetfelder zu erzeugen. Daher muss der Verbindungswiderstand zwischen den Spulen im supraleitenden Magneten sowie zwischen der Spule und dem supraleitenden Schalter extrem niedrig sein. Für MRT-Geräte wurde ein Verbindungswiderstand von weniger als 10⁻¹¹ Ohm berichtet. Bei NMR-Geräten beträgt der Verbindungswiderstand weniger als 10⁻¹⁴ Ohm. Herkömmliche Ultraschall- und Laserschweißverfahren sind komplex, instabil und vor Ort umständlich, was zu geringen Ausbeuten führt. Ein Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Drahtverbindung aus Niob-Titan (NbTi) überwindet die Nachteile bestehender Technologien. Dieses Verfahren bietet eine einfache Struktur, unkomplizierte Fertigung, stabile Leistung und einen niedrigen Widerstand.
Das supraleitende Material muss in einen herkömmlichen guten Leiter eingebettet werden, um einen niederohmigen Bypass in Bereichen zu gewährleisten, in denen der Draht abrupt in den Normalleiter übergeht. Darüber hinaus ist die Ummantelung wichtig, um Feldliniensprünge zu verhindern. Mit anderen Worten: Es muss ein geeignetes Basismaterial verwendet werden, um Verluste zu minimieren und die Stabilität zu verbessern. Die Wahl des Basismaterials hängt von widersprüchlichen Anforderungen ab. Die Theorie von Wilson und Kollegen legt nahe, dass ein hochleitfähiges Basismaterial die Verwendung feinerer Drähte ermöglicht, mehradrige Kabel jedoch eng spiralförmig verdrillt werden müssen. Die Deutschen gehen davon aus, dass der Hauptgrund für die Wahl von hochleitfähigem, sauerstofffreiem Kupfer als Basismaterial für die supraleitende Legierung NbTi darin liegt, dass bei einer vorübergehenden Störung des supraleitenden Zustands durch lokale Temperaturerhöhungen der Transportstrom auf das Basismaterial abgeleitet werden kann, wodurch die Joulesche Erwärmung ausreichend gering bleibt. Einige haben jedoch darauf hingewiesen, dass Kupfer trotz seiner guten stabilisierenden Eigenschaften den induzierten Strom nicht ausreichend begrenzen kann.
