Kratak odgovor: Da na sobnoj temperaturi, uz upozorenje
Niobijum je umereno dobar toplotni provodnik. Na sobnoj temperaturi toplotna provodljivost čistog niobija je približno 53,7 W/(m K), što ga stavlja između ugljeničnog čelika na oko 50 W/(m K) i tantala na oko 57,5 W/(m K), i daleko ispod bakra na otprilike 401 W/(m K) ili aluminijuma na oko 237 W/(m K). Za vatrostalni metal sa tačkom topljenja od 2.469°C i gustinom od 8,57 g/cm3, ta vrednost je respektabilna, ali to nije ono što niobijum čini interesantnim inženjerima.
Upozorenje se odnosi na temperaturu i čistoću. Ispod supravodljive prijelazne temperature od oko 9,2 K, ponašanje prijenosa topline u niobiju se fundamentalno mijenja, a brojevi koji su bitni u kriogenom dizajnu uopće nisu vrijednost sobne{2}}temperature.
Dva puta za toplotu: elektroni i fononi
Toplota putuje kroz metal pomoću dva paralelna mehanizma. Slobodni elektroni nose većinu energije; Vibracije rešetke, zvane fononi, nose ostatak. U čistom niobiju iznad otprilike 2,5-3 K, elektronska provodljivost dominira i toplotna provodljivost naglo raste sa padom temperature, jer rasipanje elektrona{6}}fonona slabi. Što je veća čistoća, to je veći vrh. Zbog toga je industrijski niobij visoke čistoće potreban za dobru toplotnu provodljivost elektrona u tom temperaturnom prozoru.
Ispod oko 2,0 K slika je obrnuta. U rasponu od približno 1,8-2,0 K, niska vrijednost toplotne provodljivosti fonona se pripisuje malim dimenzijama zrna: granice zrna snažno raspršuju fonone, tako da fino zrnasta struktura ograničava doprinos fonona upravo tamo gdje se doprinos elektrona također kolabira. Praktična posljedica je da dvije šipke niobijuma sa identičnom hemijom mogu raditi drugačije na 2 K ako se njihova struktura zrna razlikuje.
Toplotna provodljivost u kontekstu
| Materijal | Toplotna provodljivost na oko 300 K, W/(m K) | Tačka topljenja, degC |
|---|---|---|
| Bakar | oko 401 | 1,085 |
| Aluminijum | oko 237 | 660 |
| molibden | oko 138 | 2,623 |
| Tantal | oko 57.5 | 3,017 |
| Niobij | oko 53.7 | 2,469 |
| Ugljični čelik | oko 50 | 1,450-1,520 |
Pročitajte tabelu onako kako bi dizajner trebao: niobijum se ne bira kada je cilj maksimalno odvođenje toplote. Odabire se kada je istovremeno potrebna kombinacija visoke tačke topljenja, niske apsorpcije neutrona, supravodljivosti i razumne provodljivosti.
Čistoća, RRR i veličina zrna
Parametar koji se koristi za određivanje kvaliteta niobijuma na niskoj{0}}temperaturi je omjer zaostalog otpora, RRR, definiran kao omjer električne otpornosti na sobnoj temperaturi, obično 293 K, prema otpornosti neposredno iznad supravodljivog prijelaza, obično 4,2 K. Visok RRR znači nekoliko centara raspršenja nečistoća i stoga toplotnu provodljivost na visokoj temperaturi elektrona. Intersticijski elementi - kiseonik, dušik, ugljik i vodonik - naglo smanjuju RRR čak i pri koncentracijama mjerenim u desetinama dijelova na milion, zbog čega su vakuumsko topljenje, rafiniranje elektronskim- snopom i čisto rukovanje ključni za kriogene kvalitete.
Proizvođači i krajnji korisnici stoga navode niobij prema hemiji, mehaničkim svojstvima i minimalnoj vrijednosti RRR dogovorenoj između strana, a ne prema jednoj cifri toplotne provodljivosti. Certifikacija bi trebala biti vezana za stvarnu partiju.
Standardi i obrasci proizvoda
Kovani niobijum se naručuje u skladu sa standardima kao što su ASTM B392 / B392M, koji pokriva šipku, šipku i žicu legure niobijuma i niobijuma, i ASTM B393, koji pokriva trake, limove i foliju od legura niobija i niobija. Niobij reakcionog{4}}razreda i reaktorskog-niobijuma se razlikuju u granicama zaostalih nečistoća i u potrebnim certifikatima, tako da se klasa mora navesti na narudžbenici zajedno sa metodama ispitivanja i kriterijima prihvatanja. Tipični oblici su šipke, šipke, limovi, trake, folije, cijevi i mašinski obrađeni, isporučeni žareni ili -obrađeni.
Ista svojstva niske{0}}temperature koja čine niobij sa visokim-RRR vrijednim u supravodljivim magnetima također ga čine dobrim kandidatom za termalne trake i provodne puteve unutar kriostata, gdje mali poprečni-presjek mora prenositi toplinu između stupnjeva. U tim aplikacijama proračun dizajna mora koristiti provodljivost na radnoj temperaturi, a ne cifru sobne{4}}temperature.
Primjene gdje je vodljivost važna
Niobij se pojavljuje kao supravodljivi materijal u šupljinama akceleratora i namotajima magneta, kao legirajući element u visoko{0}}temperaturnim i mikrolegiranim čelicima, u superlegurama za turbinsku i raketnu opremu, u opremi za hemijske procese gdje je potrebna otpornost na koroziju, te u optici i elektronici kao tanki filmovi i mete. U nekoliko od ovih upotreba toplotna provodljivost je sekundarno svojstvo koje ograničava dizajn oko primarnih zahteva, au kriogenim upotrebama postaje sam po sebi pokretač dizajna.
Često postavljana pitanja
Q:Da li je niobijum dobar provodnik toplote?
O: Da, u umjerenom smislu. Njegova toplotna provodljivost je oko 53,7 W/(m K) na sobnoj temperaturi, slično ugljičnom čeliku i otprilike jednoj osmini bakra, ali visoka za vatrostalni metal.
Q:Zašto niobijum bolje provodi toplotu na veoma niskim temperaturama?
O: Iznad otprilike 2,5-3 K, elektronska provodljivost dominira i rasipanje elektrona-fonona opada kako temperatura pada, tako da niobijum visoke čistoće pokazuje strmoglav porast toplotne provodljivosti.
Q:Šta ograničava provodljivost toplote ispod 2 K?
O: Fononska provodljivost. U području oko 1,8-2,0 K doprinos fonona je nizak jer granice zrna rasipaju fonone, tako da mala veličina zrna ograničava putanju fonona.
Q:Šta je RRR i zašto je naveden?
O: RRR, koeficijent zaostalog otpora, upoređuje električnu otpornost na sobnoj temperaturi sa onom blizu 4,2 K. Visoka vrijednost ukazuje na nisko raspršivanje nečistoća i stoga dobru provodljivost elektrona na niskim{2}}temperaturama.
Q:Koje nečistoće najviše oštećuju nisku{0}temperaturnu provodljivost?
O: Intersticijski kiseonik, azot, ugljenik i vodonik. Čak i desetine dijelova na milion smanjuju omjer rezidualnog otpora, a time i nisku{1}}termalnu provodljivost.
Q:Koji standardi pokrivaju proizvode od kovanog niobijuma?
O: ASTM B392 / B392M pokriva šipku, šipku i žicu, a ASTM B393 pokriva traku, lim i foliju. Hemija, mehanička svojstva i svi zahtjevi RRR navedeni su na narudžbi.