Сплав ниобий-50 титан-50
Основной характеристикой сплава ниобий-50 титан-50 является сверхпроводимость. В сверхпроводящем состоянии ниобий проявляет идеальный диамагнетизм, известный как эффект Мейсснера, который является ключевым проявлением его сверхпроводящих свойств. Эта характеристика позволяет ниобию иметь нулевое сопротивление и идеальный диамагнетизм при низких температурах, играя тем самым ключевую роль в области сверхпроводимости. При охлаждении ниобия ниже критической температуры (T_c) его внутренние электроны объединяются в куперовские пары и переходят в макроскопическое квантовое когерентное состояние. В этом состоянии ниобий полностью отталкивает своё внутреннее магнитное поле, делая интенсивность магнитной индукции (B) равной нулю, тем самым демонстрируя идеальный диамагнетизм. Это явление можно описать уравнением Лондона, которое указывает на то, что магнитные поля трудно проникают через сверхпроводящие материалы.
Высокие критические параметры ниобия-50 титана-50: по сравнению с такими металлами, как свинец (T_c = 7,2 K) и олово (T_c = 3,7 K), ниобий имеет более высокую критическую температуру (T_c) и критическое магнитное поле (H_c), а также обладает хорошими технологическими свойствами. Легирование, например, ниобием-титаном (Nb-Ti, (Tc около 9,8 K, Hc около 12 T)) и ниобием-тристаном (Nb₃Sn, (Tc около 18,1 K, Hc около 24 T)), еще больше расширило область применения сверхпроводящих материалов. Ниобиевые сверхпроводящие материалы широко используются в оборудовании МРТ и ускорителях частиц. В оборудовании МРТ сверхпроводящие катушки из сплава ниобия и титана отвечают за генерацию сильных и однородных магнитных полей. Эти сверхпроводящие катушки используют эффект Мейсснера для отталкивания внешних магнитных полей, обеспечивая тем самым стабильность магнитного поля. Например, в магнитно-резонансном томографе Siemens MAGNETOM Vida 3T в его основном магните используются сверхпроводящие провода из ниобия и титана (Nb-Ti), что снижает энергопотребление более чем на 90% по сравнению с обычными медными катушками. В сверхпроводящих резонаторах ускорителей частиц широко используются сверхпроводящие радиочастотные резонаторы из ниобия, чей идеальный диамагнетизм обеспечивает высокую добротность внутрирезонаторного электромагнитного поля.
Сверхпроводящие кабели Nb53-Ti47% на основе ниобия используются для снижения потерь при передаче энергии; их нулевое сопротивление снижает потери джоулева тепла при передаче тока до 99%. В термоядерном синтезе с магнитным удержанием материалы создают сильные магнитные поля, поддерживающие удержание плазмы. В Международном термоядерном экспериментальном реакторе (ИТЭР) в катушках тороидального поля используются сверхпроводящие материалы из ниобия и олова (Nb₃Sn). Благодаря идеальному диамагнетизму ниобия достигаются сверхпроводящая магнитная левитация и нанометровая точность управления. В сверхпроводящем состоянии ниобиевые блоки способны левитировать над постоянными магнитами. Это свойство используется в научных демонстрациях и широко применяется в системах управления иглами сканирующих туннельных микроскопов (СТМ), предоставляя исследователям высокоточный измерительный инструмент.
Сложная технология криогенного охлаждения снижает эксплуатационные расходы на ниобиевое оборудование. Повышение энергоэффективности достигается благодаря сочетанию рефрижераторов на импульсных трубках и систем с замкнутым контуром. Идеальный диамагнетизм, демонстрируемый ниобием в сверхпроводящем состоянии, делает его ключевым связующим звеном между макроскопическим электромагнитным миром и областью квантовой физики. Сверхпроводящие Nb50-Ti50% материалы на основе ниобия занимают незаменимое место в различных практических приложениях благодаря своим превосходным комплексным характеристикам. Несмотря на такие сложности, как криогенные условия и контроль затрат, благодаря постоянному совершенствованию технологий подготовки материалов и инновациям в системах охлаждения, ожидается, что сверхпроводящие ниобиевые материалы откроют ещё больший потенциал в новых областях.
Кроме того, ниобий широко используется в производстве высокотемпературных сплавов. Высокотемпературные сплавы являются важными компонентами сплавов на основе никеля, хрома и железа, обычно используемых в высокотемпературных условиях, таких как реактивные и газотурбинные двигатели. В этих сплавах ниобий существует в чистом металлическом состоянии или в высокочистой форме, образуя γ-фазу, которая повышает его высокотемпературную стабильность. Сплав Inconel 718 — один из таких ниобийсодержащих сплавов на основе никеля, широко используемый в высокотехнологичных материалах планера самолёта. Сплав C-103 на основе ниобия, благодаря своему уникальному составу, играет решающую роль в производстве сопел жидкостных ракетных двигателей; например, этот сплав использовался в главном двигателе лунного посадочного модуля «Аполлон».