實用化Nb3Al超導材料的制備及性能的優(yōu)化研究.pdf

1、地球上的能量，無論是以礦石燃料、風力、水力還是動植物的形式儲存起來的，最終的來源都是太陽:而太陽的能量則是來源于核聚變，因此，人類如果掌握了有序地釋放核聚變的能量的辦法，就等于掌握了太陽的能量來源。目前，國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)將采用全超導可控磁約束熱核聚變能（托卡馬克）發(fā)電技術使這一理想得以實現(xiàn)。Nb3Sn和NbTi超導材料已經應用于制備托卡馬克磁體，而在未來的聚變示范堆乃至商用堆中，對超導磁體磁場強度、超導線圈應力應變容許

2、特性有更高的要求。作為替代Nb3Sn和NbTi超導材料的下一代超導體材料Nb3Al，其實用化還有很多工作要做。與同為Al5金屬間化合物的Nb3Sn不同，Nb3Al不能采用Nb-Sn-Cu低溫擴散熱處理的方法得到。要獲得高性能的Nb3Al超導線材必須在2000℃進行熱處理，并且升溫和保溫時間要盡量短以防止晶粒長大。因此，以下兩方面問題是目前制約Nb3Al超導體實用化的主要因素:一方面是Nb3Al前驅線的制備工藝，為使線材在快速升溫淬火冷卻

3、(RHQ)工藝中完全反應，就需要控制線材和超導芯絲的尺寸，即使在低于2000℃的溫度進行長時間的擴散熱處理，也要使Nb-Al間的擴散距離小于1μm，這就增加了線材的加工難度;另一方面，如果Nb3Al線材的熱處理過程要在2000℃時淬火，熱處理設備結構復雜，淬火過程也可能使線材在熱應力的作用下發(fā)生斷裂，線材表面受淬火劑Ga污染后也增加了包覆Cu穩(wěn)定層的難度，以上兩方面都制約了Nb3Al超導長線的制備。本文首次系統(tǒng)的研究了由機械合金化方法制

4、備的過飽和固溶體Nb(Al)ss向Nb3Al相轉變的熱動力學過程，優(yōu)化了機械合金化制備Nb3Al超導體的工藝，并探索了利用機械合金化粉末作為原位粉末裝管法(in-situ PIT)原料制備Nb3Al超導線材的可行性;另外，本文還首次詳細的研究了Nb-Al擴散過程中的成相規(guī)律，研究了采用不同原材料，導體結構和加工工藝對套管(RIT)法制備的Nb3Al前驅體線材機械性能的影響，提出了改進制備工藝的措施，通過熱處理得到了具備超導性能的Nb3A

5、l超導線材。
　　采用固相燒結和差示掃描量熱法(DSC)等研究手段，對機械合金化制備的過飽和固溶體Nb(Al向Nb3Al相轉變的過程進行了熱動力學研究，800℃的熱處理溫度即滿足轉變的熱力學要求，當溫度升高到1000℃時，Nb3Al相會分解為Nb2Al相;轉變過程中較小的活化能且隨反應進程減小的特點意味著發(fā)生轉變反應的勢壘較小，該反應較容易發(fā)生，Nb3Al晶體的形核和長大都很容易。通過對球磨時間、球磨過程中的球粉比、Nb-Al原料

6、配比、以及熱處理溫度的優(yōu)化，最終得到純度很高但結構并不致密的Nb3Al超導體，其超導轉變溫度可以達到15.8 K，而熱處理溫度只需要800℃。
　　基于上述的研究結果，本文分別以機械合金化粉末和直接混合的Nb-Al粉末為原料采用in-situ PIT法制各了Nb3Al超導線帶材，對比了二者在性能和結構上的差異。實驗以及分析結果顯示，由于其高于Cu熔點的熱處理溫度以及反應后芯絲內留下的大量孔洞，直接混合的Nb-Al粉末不適于大規(guī)模應

7、用于制備Nb3Al超導線帶材;麗采用機械合金化粉末制備的Nb3Al線材在4.2 K，6T時Jc可以達到103 A/cm2，與采用快速升溫-淬火-轉變(RHQT)方法熱處理得到的in-situ PIT Nb3Al線材性能相近。如果能通過復合成多芯線的方式增加線帶材中復合組元的變形量，使芯絲更致密，改善線帶材中超導芯絲疏松多孔的結構，從而提高其載流性能，那么將機械合金化得到的固溶體粉末應用于in-situ PIT方法制備Nb3Al超導線將具

8、有良好應用前景。
　　另外，本文還探索了RIT法制備Nb3Al超導線材的工藝，首先通過對Nb-Al擴散演變過程的研究，得到了Nb-Al間的擴散成相規(guī)律以及影響擴散成相過程的因素;選用的Cu包套層的厚度，Nb基體和Al芯加工性能的差異都是制約制備長Nb3Al前驅線的因素，通過在Al芯中添加Mg元素改善了Nb-Al兩種金屬加工性能的差異;采用輥模拉伸+孔型軋制+復合組裝+熱擠壓+拉伸的加工方式制備了156芯束狀導體結構的Nb3Al前驅