[發明專利]一種高載流密度、低損耗的Nb3

在審

• 申請號: 202110455791.7
• 申請日: 2021-04-26
• 公開（公告）號: CN113192685A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 潘熙鋒
• 申請（專利權）人: 福建師范大學
• 主分類號: H01B12/02
• 分類號: H01B12/02
• 代理公司: 福州君誠知識產權代理有限公司 35211
• 代理人: 戴雨君

本發明公開了一種高載流密度、低損耗的Nb₃Al前驅體線材及其制備方法，該方法包括：（1）將無中心Nb棒的Nb箔和Al箔卷繞成Nb?Al復合體，并將其裝入Ta阻隔層管，隨后將Ta/Nb?Al復合體加工成六角形的Ta/Nb?Al一次復合棒；（2）將若干根Ta/Nb?Al一次復合棒裝入包含Ta或Nb阻隔層的Cu?Ni合金管，加工成六角形的Ta/Nb?Al二次復合棒；（3）將若干根Ta/Nb?Al二次復合棒裝入包含Ta或Nb阻隔層的Cu?Ni合金管，加工成Cu?Ni包套的Ta/Nb?Al三次復合棒；（4）將三次復合棒通過軋制或拉拔的方式，加工成多芯線材，即獲得高載流密度低損耗的Nb₃Al前驅體線材。該方法制備的Nb₃Al線材，塑性加工過程中不容易斷線，載流性能較好，損耗更低，因此更有利于強磁場領域高場磁體應用。

技術領域

本發明屬于超導材料技術領域，具體涉及一種高載流密度、低損耗的Nb₃Al前驅體線材及其制備方法。

背景技術

由于具有更好的應力-應變容許特性，優良的高場載流密度性能，鈮三鋁（Nb₃Al）低溫超導體，被認為是未來鈮三錫（Nb₃Sn）超導體的替代材料；在磁場強度15 T（特斯拉）的高能粒子加速器、核磁共振譜儀（NMR）、以及磁約束核聚變（ITER）等較多領域高場超導磁體應用上有著巨大的商業潛力。

目前，高載流密度的Nb₃Sn超導線材通常采用內錫法制備，但是內錫法Nb₃Sn線材在工程應用上，存在以下困難：（1）應力-應變作用下超導載流性能衰減很快；由于內錫法Nb₃Sn線材在熱處理時，Sn源會經過Cu的通道向Nb擴散，最后在Nb位置生成Nb₃Sn超導體；因此，原先Sn所在的位置會留下尺寸較大的孔洞，從而嚴重影響線材的應力-應變容許特性；（2）熱處理時間長；由于鈮三錫屬于晶界釘軋超導體，為了降低超導體晶粒尺寸，通常采用低溫、長時間的熱處理工藝，因此熱處理時間需要200小時；磁體制作工藝復雜、磁體失敗風險大。為了解決以上高場超導磁體制作工藝的困難，下一代大型高場超導磁體將采用Nb₃Al超導線材或電纜導體繞制而成。

通常的Nb₃Al前驅體線材，采用Nb中心棒，Nb箔和Al箔卷繞的方法制備成單芯棒，隨后將若干根單芯棒裝入二次包套管中，經過靜液擠壓的方法加工成多芯Nb₃Al前驅體線材。同時，為了解決Nb₃Al前驅體線材低溫、較低磁場下磁通不穩定的難題，在現有的Nb₃Al前驅體線材制作工藝中，還會在Nb箔和Al箔卷繞結束后，然卷繞2-3層的Ta箔，作為多芯線材中Nb₃Al芯絲之間的阻隔層。實際上，當超導芯絲尺寸越細小、芯絲數量越多時，就越有利于獲得熱穩定性高的Nb₃Al超導線材，更有利于高場超導磁體的應用。

但是，在以上現有的Nb₃Al前驅體線材制作工藝中，工程化大批量制備會存在以下難題：

（1）臨界電流（I_c）性能相比于高場RRP內錫法Nb₃Sn線材仍然偏低；在強磁場領域應用過程中，導線具有更高的臨界電流，意味著同樣尺寸的超導磁體，可以勵磁產生具有更高的磁場；因此，臨界電流性能偏低是目前限制Nb₃Al超導線材規模化應用的主要原因之一。

（2）采用兩次靜液擠壓是目前常規的制作Nb₃Al前驅體線材公認有效的方式，這種方式能最大限度地在室溫條件下，保證Nb箔和Al箔之間的良好結合。但是，由于室溫靜液擠壓對設備要求很高，尤其二次靜液擠壓力非常巨大，甚至超過1000 MPa，而我國當前缺乏大型的靜液擠壓設備，從而限制了該材料的大規模工程應用。