Кратак одговор: Да на собној температури, уз упозорење
Ниобијум је умерено добар топлотни проводник. На собној температури топлотна проводљивост чистог ниобијума је приближно 53,7 В/(м К), што га поставља између угљеничног челика на око 50 В/(м К) и тантала на око 57,5 В/(м К), и далеко испод бакра на отприлике 401 В/(м К) или алуминијума на око 237 В/(м К). За ватростални метал са тачком топљења од 2.469 степени Ц и густином од 8,57 г/цм3, та вредност је респектабилна, али то није оно што ниобијум чини занимљивим инжењерима.
Упозорење се тиче температуре и чистоће. Испод суправодљиве прелазне температуре од око 9,2 К, понашање преноса топлоте у ниобијуму се суштински мења, а бројеви који су битни у криогеном дизајну уопште нису вредност собне{2}}температуре.
Два пута за топлоту: електрони и фонони
Топлота путује кроз метал помоћу два паралелна механизма. Слободни електрони носе већину енергије; вибрације решетке, зване фонони, носе остатак. У чистом ниобијуму изнад отприлике 2,5-3 К, електронска проводљивост доминира и топлотна проводљивост нагло расте са падом температуре, јер расејање електрона-фонона слаби. Што је већа чистоћа, то је већи врх. Због тога је индустријски ниобијум високе чистоће потребан за добру топлотну проводљивост електрона у том температурном прозору.
Испод око 2,0 К слика је обрнута. У опсегу од приближно 1,8-2,0 К, ниска вредност топлотне проводљивости фонона се приписује малим димензијама зрна: границе зрна снажно распршују фононе, тако да фино зрнаста структура ограничава допринос фонона управо тамо где се допринос електрона такође колапсира. Практична последица је да две шипке ниобијума са идентичном хемијом могу да раде другачије на 2 К ако се њихова структура зрна разликује.
Топлотна проводљивост у контексту
| Материјал | Топлотна проводљивост на око 300 К, В/(м К) | Тачка топљења, дегЦ |
|---|---|---|
| Бакар | око 401 | 1,085 |
| Алуминијум | око 237 | 660 |
| молибден | око 138 | 2,623 |
| Танталум | око 57,5 | 3,017 |
| Ниобиум | око 53.7 | 2,469 |
| Угљенични челик | око 50 | 1,450-1,520 |
Прочитајте табелу на начин на који дизајнер треба: ниобијум се не бира када је циљ максимално одвођење топлоте. Одабире се када је истовремено потребна комбинација високе тачке топљења, ниске апсорпције неутрона, суперпроводљивости и разумне проводљивости.
Чистоћа, РРР и величина зрна
Параметар који се користи за одређивање квалитета ниобијума при ниској{0}}и температури је однос заосталог отпора, РРР, дефинисан као однос електричне отпорности на собној температури, обично 293 К, према отпору непосредно изнад суправодљивог прелаза, обично 4,2 К. Висок РРР значи неколико центара расејања нечистоћа и стога топлотну проводљивост на високој температури електрона. Интерстицијски елементи - кисеоник, азот, угљеник и водоник - нагло смањују РРР чак и при концентрацијама мереним у десетинама делова на милион, због чега су топљење у вакууму, рафинирање електронским- снопом и чисто руковање неопходни за криогене класе.
Произвођачи и крајњи корисници стога специфицирају ниобијум према хемији, механичким својствима и минималној вредности РРР договореној између страна, а не према једној цифри топлотне проводљивости. Сертификација треба да буде везана за стварну партију.
Стандарди и обрасци производа
Ковани ниобијум се наручује према стандардима као што су АСТМ Б392 / Б392М, који покрива шипку, шипку и жицу легуре ниобијума и ниобијума, и АСТМ Б393, који покрива траке, лимове и фолију од легура ниобијума и ниобијума. Ниобијум реакционог{4}}разреда и ниобијума реакторског{5}}класа се разликују у границама заосталих нечистоћа и у потребним сертификатима, тако да се класа мора навести у наруџбини заједно са методама испитивања и критеријумима прихватања. Типични облици су шипке, шипке, лимови, траке, фолије, цеви и машински обрађени, испоручени жарени или -обрађени.
Исте карактеристике ниске{0}}температуре које чине ниобијум са високим-РРР вредним у суперпроводним магнетима такође га чине добрим кандидатом за термалне траке и проводне путеве унутар криостата, где мали попречни- пресек мора да преноси топлоту између степеница. У тим применама прорачун дизајна мора да користи проводљивост на радној температури, а не цифру собне{4}}температуре.
Примене где је проводљивост важна
Ниобијум се појављује као суперпроводни материјал у шупљинама акцелератора и намотајима магнета, као легирајући елемент у високо{0}}и микролегираним челицима, у суперлегурама за турбински и ракетни хардвер, у опреми за хемијске процесе где је потребна отпорност на корозију, и у оптици и електроници као танки филмови и мете. У неколико од ових употреба топлотна проводљивост је секундарна особина која ограничава дизајн око примарних захтева, ау криогеним употребама она постаје сама по себи покретач дизајна.
Често постављана питања
Q:Да ли је ниобијум добар проводник топлоте?
О: Да, у умереном смислу. Његова топлотна проводљивост је око 53,7 В/(м К) на собној температури, слично угљеничном челику и отприлике једној осмини бакра, али висока за ватростални метал.
Q:Зашто ниобијум боље проводи топлоту на веома ниским температурама?
О: Изнад отприлике 2,5-3 К, електронска проводљивост доминира и расејање електрона-фонона опада како температура пада, тако да ниобијум високе чистоће показује стрмоглав пораст топлотне проводљивости.
Q:Шта ограничава проводљивост топлоте испод 2 К?
О: Фононска проводљивост. У региону око 1,8-2,0 К допринос фонона је низак јер границе зрна расипају фононе, тако да мала величина зрна ограничава путању фонона.
Q:Шта је РРР и зашто је наведено?
О: РРР, однос заосталог отпора, упоређује електричну отпорност на собној температури са оном близу 4,2 К. Висока вредност указује на ниско расејање нечистоћа и стога добру електронску проводљивост на ниским температурама.
Q:Које нечистоће највише оштећују ниску{0}температурну проводљивост?
О: Интерстицијски кисеоник, азот, угљеник и водоник. Чак десетине делова на милион смањују однос заосталог отпора, а самим тим и топлотну проводљивост на ниској{1}температури.
Q:Који стандарди покривају производе од кованог ниобијума?
О: АСТМ Б392 / Б392М покрива шипку, шипку и жицу, а АСТМ Б393 покрива траку, лим и фолију. Хемија, механичка својства и сви захтеви за РРР су наведени на поруџбини.