Film de titane niobié PI | percées et applications dans le domaine de la supraconductivité

Dans le domaine des technologies supraconductrices, les percées dans les propriétés des matériaux déterminent souvent les limites des scénarios d'application. Lorsque la résistance à haute température et les propriétés isolantes du film de Polyimide (PI) sont combinées avec les propriétés supraconductrices de l'alliage de niobium - titane (nbti), un matériau composite appelé film de titane niobié Pi a vu le jour. Ce matériau repousse non seulement les limites physiques des matériaux supraconducteurs traditionnels, mais ouvre également de nouvelles possibilités dans les domaines de l'énergie, de la médecine, de la recherche scientifique et d'autres domaines. Xi'an une entreprise bien connue a récemment acheté le film de titane niobié Pi personnalisé de l'Académie de technologie de pointe, c'est le cas typique de ce matériau du laboratoire à l'industrialisation.

I. une percée technologique: l '« effet de superposition de performance » de Pi avec nbti

1.1 film pi: le « support idéal » pour les substrats supraconducteurs

Le film Pi a été salué comme « film d'or» et ses principaux avantages sont sa très grande adaptabilité à la température (- 269 ℃ à 400 ℃) et ses excellentes propriétés d'isolation électrique. Dans les applications supraconductrices, les substrats traditionnels tels que le cuivre ou l'aluminium sont facilement fragilisables à basse température, tandis que les films Pi restent flexibles à la température de l'azote liquide (environ - 196 ° c), fournissant un support structurel pour le bobinage des bobines supraconductrices. Par exemple, le film Pi de 15 microns développé par Advanced Academy Science and Technology, qui a une résistance à la traction allant jusqu'à 250 MPa, peut résister aux contraintes mécaniques lors du fonctionnement des aimants supraconducteurs, tandis que les pertes diélectriques sont aussi faibles que 0004, assurant une transmission stable du courant supraconducteur.

1.2 alliages nbti: le « moteur central » des aimants supraconducteurs

L’alliage de niobium - titane (nbti) est un « matériau vedette » dans le domaine de la supraconductivité cryogénique, avec une température critique (TC) de 9,2 K (- 263,95 ° c) qui permet une conductivité à résistance nulle à la température de l’hélium liquide (4,2 K). Environ 80% des aimants supraconducteurs dans le monde sont en alliage nbti, y compris les aimants pour les appareils d'IRM hospitaliers, les aimants de focalisation dans les accélérateurs de particules, etc. Le film de titane niobié Pi acheté par une entreprise de Xi'an, dont l'épaisseur de la couche de nbti est contrôlée avec précision à 2 microns, garantit à la fois les propriétés supraconductrices et évite le gaspillage de matériaux.

1.3 procédés Composites: de la « superposition physique » à la « synergie des performances »

Film de titane niobié PiLa préparation nécessite la percée de deux barrières techniques majeures: d'une part, la force de liaison du film de Pi avec la couche de nbti et d'autre part, la stabilité de l'interface dans un environnement à basse température. Advanced House Technology utilise la technologie de Pulvérisation magnétron pour déposer des atomes de nbti uniformément sur la surface de Pi dans un environnement sous vide, en optimisant la puissance de pulvérisation (500W) et la température de base (150 ℃), de sorte que la force de liaison de l'interface atteint 15N / CM, bien au - dessus des normes de l'industrie. De plus, les différences de coefficient de dilatation thermique (3x10⁻⁵ / k pour pi et 8x10⁻⁵ / k pour nbti) sont efficacement atténuées par l'introduction d'une couche de transition en titane entre les couches de PI et de nbti, assurant l'absence de risque de délaminage du matériau dans la gamme - 269°c à 400°C.

II. Scénarios d'application: du laboratoire au « tremplin critique» de l'industrialisation

2.1 câbles supraconducteurs: la « révolution de l’efficacité » dans la transmission de l’énergie

Les câbles en cuivre traditionnels génèrent une chaleur Joule importante lorsqu'ils transportent des courants importants, tandis que les câbles supraconducteurs permettent une transmission sans perte. L'application du film de titane niobié Pi, résout les deux grands problèmes du câble supraconducteur: l'une est que les propriétés isolantes de Pi permettent au câble de ne pas avoir besoin d'envelopper la couche isolante supplémentaire, ce qui simplifie la structure; Deuxièmement, les propriétés supraconductrices du nbti permettent de réduire la Section du câble à 1 / 10 de celle du câble en cuivre, réduisant ainsi le poids de 80%. Prenons l'exemple du film acheté par une entreprise de Xi'an, qui est utilisé dans la recherche et le développement d'un prototype de câble supraconducteur de 10 kV, avec une capacité de transmission de 5 000 a sous refroidissement à l'azote liquide, soit 5 fois plus que le câble en cuivre de la même classe de tension.

2.2 aimants supraconducteurs: le « moteur central» de la médecine et de la recherche scientifique

Dans le domaine médical, les aimants des appareils d'IRM doivent fonctionner de manière stable sous un champ magnétique intense de 1,5 t à 3 T. Les propriétés flexibles du film de titane niobié Pi permettent aux aimants de s'enrouler pour former des formes complexes, améliorant ainsi l'uniformité du champ magnétique. Par exemple, la technologie de pointe de l'Académie pour une certaine entreprise médicale personnalisé 20 microns Pi plaqué niobium film de titane pour la recherche et le développement d'aimants IRM supraconducteurs 7t, dont l'uniformité du champ magnétique est meilleure que 0,1 PPM, améliorer considérablement la résolution d'imagerie. Dans le domaine de la recherche scientifique, les aimants focalisés dans les accélérateurs de particules doivent résister à l'impact d'un faisceau de particules à haute énergie, et les propriétés de résistance à l'irradiation du Pi (Performance sans atténuation à la dose de 10⁶ Gy) complètent parfaitement la stabilité supraconductrice du nbti.

2.3 Equipements pour environnements extrêmes: une « garantie de performance » pour l’océan profond et l’espace

L'équipement d'exploration des profondeurs doit résister à des pressions élevées (environ 110 MPa) et à des températures basses (- 2 °C), tandis que les sondes spatiales doivent faire face à l'irradiation des rayons cosmiques et à des écarts de température extrêmes. La résistance à la pression (jusqu'à 300 MPa) et à l'irradiation (performances stables à des doses de 10 ⁷ Gy) du film de titane niobié Pi en font un matériau idéal pour les câbles en haute mer et les installations de stockage d'énergie supraconductrice dans l'espace. La membrane achetée par une entreprise de Xi'an est utilisée dans la recherche et le développement de câbles de communication supraconducteurs en haute mer, dont les pertes de transmission sont inférieures de 90% à celles des câbles en cuivre traditionnels et peuvent fonctionner de manière stable dans un environnement profond de 5 000 mètres.

Iii. Paysage du marché: passage de la « dépendance à l’importation» à la « substitution domestique»

3.1 marchés mondiaux: blocage technologique sous oligopole

Dans le monde entierFilm de titane niobié PiLe marché a longtemps été monopolisé par Dupont aux États - Unis, Zhongyuan Chemical au Japon et d'autres entreprises, dont les produits occupent 80% du marché haut de gamme. Et les exportations vers la Chine sont limitées. Ce blocage technique a entraîné des coûts élevés de recherche et développement d'aimants supraconducteurs en Chine et un cycle de projet prolongé.

3.2 La percée chinoise: de "suivre et courir" à "courir et courir"

Ces dernières années, les entreprises nationales ont réalisé des percées technologiques clés grâce à la recherche et au développement indépendants. Le film de titane de niobium plaqué Pi de la recherche et du développement de la science et de la technologie de l'Académie avancée, dont les indicateurs de performance ont atteint le niveau avancé international: uniformité de l'épaisseur de la couche de nbti ± 0,1 μm, force de liaison interfaciale 15N / CM, densité de courant critique supraconductrice (JC) à basse température jusqu'à 1 × 10 ⁴ A / cm². Le cas d'achat d'une entreprise de Xi'an, qui marque l'entrée officielle des matériaux domestiques dans la chaîne d'approvisionnement des aimants supraconducteurs, devrait réduire les coûts de R & D de 30% et réduire le cycle de projet de 50%.

Iv. Perspectives d’avenir: la mise à niveau du « matériau unique» à la « Construction écologique»

4.1 itération technologique: une percée de la « 2D » à la « 3D »

Le film de titane niobié Pi actuel est dominé par une structure bidimensionnelle et à l'avenir, des pièces supraconductrices de formes complexes telles que des aimants profilés, des bobines supraconductrices miniatures, etc. peuvent être préparées par la technologie d'impression 3D. Par exemple, la technologie SLM (Laser District Melting) développée par Advanced House Technology peut déposer de la poudre de nbti directement sur le substrat pi pour réaliser le moulage intégré de structures supraconductrices tridimensionnelles.

4.2 expansion des applications: de la « supraconductivité » à la « polyvalence »

Le potentiel des films minces en titane niobié pi ne se limite pas au domaine de la supraconductivité. Ses caractéristiques de résistance à haute température et d'isolation le rendent également prometteur pour des applications dans les nouvelles batteries d'énergie (telles que les porteurs d'électrolyte de batterie à l'état solide), l'électronique flexible (telles que les antennes portables) et d'autres domaines. Par exemple, une entreprise de Xi'an explore l'utilisation de films minces pour les plaques bipolaires de piles à combustible à hydrogène, dont la résistance à la corrosion et la conductivité peuvent améliorer considérablement la durée de vie de la batterie.

4.3 Eco - construction: de la « Fourniture de matériaux » à la mise à niveau des « solutions »

À l'avenir, les fournisseurs de films en titane revêtu de niobium Pi passeront au modèle « Material service».Technologie avancéeLa « plate - forme de personnalisation des matériaux supraconducteurs» a été lancée, permettant aux utilisateurs de sélectionner en ligne des paramètres tels que l'épaisseur du film, l'épaisseur de la couche nbti, le processus de traitement de l'interface et d'obtenir un support complet du processus, de la conception du matériau aux tests d'application. Ce modèle accélérera la popularité de la technologie supraconductrice et poussera davantage d'industries à mettre à niveau la « supraconductivité».

épilogue: « l’âge d’or » des composites dorés

La naissance du film de titane niobié pi est le résultat typique de la pensée « superposition de performance» de la science des matériaux. Il résout non seulement les problèmes de matériaux clés dans le domaine de la supraconductivité, mais offre également de nouvelles possibilités pour les industries de l'énergie, de la médecine, de la recherche scientifique et d'autres par le biais de services personnalisés et d'itérations technologiques. Le cas d'achat d'une entreprise à Xi'an n'est que le point de départ de ce processus d'industrialisation des matériaux. Avec les percées technologiques et l'expansion du marché, le film de titane niobié Pi promet d'être le « matériau de base» de l'ère de la supraconductivité, poussant l'humanité vers un avenir plus efficace et plus propre.