[發明專利]Nb3Al超導材料的制備方法

有效

• 申請號: 201610481932.1
• 申請日: 2016-06-24
• 公開（公告）號: CN106024196B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 鄧水全;柴均博;闞香;張月萍;張勇;趙勇
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: H01B12/00
• 分類號: H01B12/00;H01B13/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司11246
• 代理人: 裴娜

技術領域

本發明涉及一種Nb3Al超導材料的制備方法。

背景技術

高場超導磁體在諸如核磁共振、ITER熱核聚變、高能粒子加速器等技術領域起著無可替代的重要作用。在現有超導磁體制備技術中，10T及以下磁體采用機械延展性能優異的NbTi合金超導線繞制而成。由于NbTi合金的臨界磁場較低，10T以上的更高磁場則需要使用具備更高臨界磁場特性的A-15型金屬間化合物超導材料建造磁體?，F有的10-20T磁體多采用由低溫超導體的NbTi合金和Nb3Sn超導體的混合線圈嵌套構成。A-15型金屬間化合物Nb3Sn超導材料具有較好的經濟性和較高的技術成熟度，但是其缺點在于臨界性能有限，且機械性能尤其脆弱。高場磁體線圈要求在承受較大的應力同時能夠維持較高的電流密度，同屬A-15型晶體結構的Nb3Al相比Nb3Sn具備超導臨界性能高、應力敏感性低、耐輻照性能好等技術優點，是未來商用熱核聚變堆、高能粒子加速器、NMR等高場應用中替代Nb3Sn的理想材料。

由于Nb3Al成相溫度高，低于成相溫度時存在化學計量比偏移的現象，目前仍未有商業制備的Nb3Al出售。超導磁體的電纜線中一般用銅來作為穩定化材料，一定量銅的存在可以幫助超導體在擾動失超的情況下減小焦耳熱的產生。目前，Nb3Al超導材料的優化制備技術主要有：快熱快冷法和機械合金化法。

快熱快冷法：將Nb和Al進行機械復合后，加工成長線，然后在真空環境下進行快速加熱和冷卻，使Nb和Al反應生成Nb(Al)ss過飽和固溶體，進而在800℃左右退火將Nb(Al)ss轉變為Nb3Al。上述過程中需要通過特殊的設備在2000℃左右的高溫下進行熱處理，；原料須將鈮和鋁加工成管狀，帶狀或板狀，然后進行加工和復合再拉絲和熱處理，工藝極其復雜，周期長。另外，用疊層卷制法或管中棒法制成的前驅體線材外層為銅，歐姆加熱處理時的溫度明顯高于銅的熔點，所以在進行歐姆加熱之前須用酸洗方法除去這層銅，去銅操作復雜；若前驅體線材采用難融的Nb或Ta作為基體材料，起穩定化作用的Cu只能通過其他方式附加到線材上，熱穩定效果下降，股線制造成本大幅度增加。利用這種方法合成的Nb3Al線材的性能高度依賴于歐姆加熱處理過程中線材獲得的最高溫度(Tmax)。由于被加熱股線的彎曲、振動和熔融Ga浴液面的隨時變化，因此，即使歐姆加熱電流保持不變，也不能保證線材獲得的最高溫度(Tmax)不變，合成線材的性能也得不到保證。此外，在進行轉變退火時由于線材升溫速度的差異會產生A15相的堆垛層錯，偏離化學計量比，導致Tc和Bc2下降。除了上面提到的問題外，Nb/Al先驅線截面配置、退火前有助于提高晶界密度的機械變形制度和適合減小堆垛層錯密度的退火制度等也都還需進一步的優化?？梢?，RHQT方法工藝復雜，對設備要求太高，周期長，效率低下，反應條件難以控制，很難滿足大規模應用的需求。

機械合金化法：通過機械-化學作用，把混合的Nb和Al粉末放入球磨機中進行機械合金化，然后對機械合金化后的粉末進行熱處理得到鈮鋁化合物。此法物相純度不高，且設備不普及，在磨球型號，球磨介質，球料比，轉速及時間等方面需進行多番調試，為充分混合及避免在球磨罐底形成合金殼層，球磨罐還需要間歇處理，且不可避免原料粉末被磨球污染的可能，很難用于擴大規模生產。

高溫合成的工藝普遍復雜難度大，或對設備要求高?；诿芏确汉囊幌盗杏嬎惚砻黝w粒細小的反應物使反應中的活化能大幅減少，降低合成難度。本發明利用鈮粉吸收氣體的特性，首先通過氫氣與鈮粉的物理化學作用，產生含有氫氣的鈮粉與微量鈮氫化合物，達到細化鈮粉的目的，使反應中的活化能大幅減少，降低合成難度。后續的熱處理過程中氫氣及少量氫化物會抑制鈮粉和鋁粉與燒結環境中存在的微量空氣發生氧化反應，避免引入氧化物，氮化物等雜質，確保產品質量。細化的鈮粉與鋁粉按配比模壓成形，在1400℃燒結得到具有A15結構的Nb3Al超導材料。

發明內容

針對上述問題，本發明提供一種制備工藝簡單、制備周期短、制備效率高，且值得的超導材料性能優良的Nb3Al超導材料的制備方法。

為達到上述發明目的，本發明Nb3Al超導材料的制備方法，包括：

a、鈮粉預處理

將純度為99.99％的Nb粉均勻鋪灑在石英舟內，放入管式爐，通入配比為4.7％-100％的氫氣和95.3％-0的氬氣混合氣，在300-380℃的溫度區間加熱，保溫3小時，隨爐冷卻后取出，得到預處理鈮粉；

b、壓片制備