MgB2超导线材的制备及界面导热性能研究

摘要

2001年1月，日本科学家发现了二硼化镁的超导电性，轰动了整个凝聚态物理界，创造了金属间化合物超导体转变温度(转变温度高达39K)的新纪录，在全世界范围内引起了研究的热潮。二硼化镁虽然具有临界转变温度高、相干长度较大、无弱连接等一系列优异特性，但要进入实际应用阶段必须解决一些关键技术。
　　本文采用原位粉末套管(In-situ PIT)工艺制备MgB2超导线材，包括MgB2/Cu和MgB2/Monel单线超导线材的制备以及7芯、19芯的MgB2/Fe/Fe、MgB2Fe/Monel、MgB2/Fe/Cu多芯超导线材的制备工艺。同时对MgB2/Fe、MgB2/Monel线材的导热性能进行了研究，探索了扩散层对线材导热性能的影响。
　　单芯研究结果表明，PIT法制备MgB2/Cu单芯线材，当形变量达到82％时，采用450℃保温10min作为线材的退火工艺，可以使包套材料的形变组织发生完全再结晶，消除加工硬化;采用此工艺退火时，只有较少的Mg元素扩散进入外包套中，仅在线材界面处的产生5μm厚的扩散层，生成的杂质相及Mg元素的损失都很少。在制备MgB2/Monel线材时，在Φ1.75mm道次添加一次退火过程可使得线材粉芯达到较高的致密度，与原工艺相比，粉芯晶粒更加细小均匀，线材抗拉强度提高，拉拔过程中不易发生断裂，扩散反应层较薄，厚度约25μm，Mg元素损失减小，且低场下的临界电流密度均达到3.5×105A/cm2。
　　导热结果表明，在制备单芯线材时加入Nb箔，能有效地阻止Mg元素扩散进入外包套中，减少粉芯元素与外包套元素之间的反应，从而控制扩散层的厚度，提高Mg的有效利用率。在制备MgB2/Monel单芯线材时，由于Mg和Cu在高温下容易反应生成Cu2Mg硬脆相，使得线材界面处的扩散层较厚;较厚的扩散层会导致线材界面结合较差，从而造成热扩散系数下降。而MgB2/Fe单芯线材由于Mg不易与外包套发生反应，且扩散速度较慢，线材界面处的扩散层较薄，使得扩散层对线材导热性能的影响较小。
　　多芯研究结果表明，MgBJFe/Fe-7芯线材性能较优异，粉芯晶粒细小呈近等轴状分布，晶粒连接性较好;线材屈服强度低，抗拉强度高，在拉拔过程中不易发生断裂;临界电流密度较高，其10K自场下的Jc达到了4.0×105A/cm2，且由于Fe是铁磁性材料，能有效屏蔽外磁场，减少外磁场的渗入，线材的J。随着外磁场的变化缓慢，在外磁场达到2T，Jc仍然可以达到1.5×104A/cm2。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 超导体简介

1．1．1 超导体的定义

1．1．2 超导基本特性

1．1．3 超导体的发展历程

1．1．4 超导体的应用

1．2 MgB2超导体简介

1．2．1 MgB2的晶体结构

1．2．2 MgB2的性质及应用前景

1．2．3 MgB2的成相与生长机理

1．3 MgB2线带材研究现状

1．3．1 超导线材的制备工艺

1．3．2 长线材的制备

1．3．3 元素掺杂

1．3．4 包套材料的选择

1．3．5 界面导热

1．4 研究意义及研究内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

参考文献

第二章 试验材料及研究方法

2．1 研究技术路线

2．2 试验内容

2．2．1 包套材料

2．2．2 粉末配制

2．2．3 形变工艺

2．2．4 中间退火工艺

2．2．5 烧结工艺

2．3 试验设备及检测方法

2．3．1 试验设备

2．3．2 检测方法

参考文献

第三章 PIT工艺制备MgB2超导线材

3．1 MgB2／Cu超导线材退火工艺及性能研究

3．1．1 试样制备与试验方法

3．1．2 退火温度对外包套微观组织及机械性能的影响

3．1．3 保温时间对外包套微观组织及机械性能的影响

3．1．4 退火工艺对超导线材相组成的影响

3．1．5 退火工艺对超导线材微观结构和元素分布的影响

3．2 MgB2／Monel超导线材退火工艺及性能研究

3．2．1 无中间退火工艺MgB2／Monel单芯线材

3．2．2 一次退火工艺制备MgB2／Monel单芯线材

3．2．3 退火工艺对MgB2／Monel线材性能的影响

3．4 本章小结

参考文献

第四章 扩散层对MgB2超导线材界面导热性能的影响

4．1 MgB2／Monel和MgB2／Nb／Monel超导线材

4．1．1 试样制备与试验方法

4．1．2 Nb层对MgB2／Monel线材微观形貌的影响

4．1．3 Nb层对MgB2／Monel线材界面相组成的影响

4．1．4 Nb层对MgB2／Monel线材界面导热性能的影响

4．2 MgB2／Fe、MgB2／Nb／Fe超导线材

4．2．1 试样制备与试验方法

4．2．2 Nb层对MgB2／Fe线材微观形貌的影响

4．2．3 Nb层对MgB2／Fe线材界面相组成的影响

4．2．4 Nb层对MgB2／Fe线材界面导热性能的影响

4．3 外包套材料对超导线材导热性能的影响

4．4 本章小结

参考文献

第五章 多芯MgB2超导线材力学性能及超导电性研究

5．1 多芯超导线材制备工艺

5．2 MgB2／Fe／Fe多芯超导线材的制备

5．2．1 MgB2／Fe／Fe复合包套7芯线材

5．2．2 MgB2／Fe／Fe复合包套19芯线材

5．3 MgB2／Fe／Monel、MgB2／Fe／Cu多芯超导线材的制备

5．3．1 MgB2／Fe／Monel多芯线材

5．3．2 MgB2／Fe／Cu多芯线材

5．4 微观结构的观察与分析

5．6 超导电性分析

5．6 本章小结

参考文献

第六章 结论

致谢

攻读硕士学位期间学术成果