快热快冷法制备Nb3Al超导线材及其性能研究

摘要

下一代高场超导磁体对超导线材的机械性能、上临界场Hc2、临界电流密度Jc等性能指标都提出了更高的要求。Nb3Al属于A15类超导材料，具备优异的Hc2、应力/应变容许特性及高场Jc性能，非常有希望替代Nb3Sn成为下一代高场磁体用的超导线材。但是符合理想原子百分比的A15相Nb3Al只有在1800℃以上的高温才稳定，且在相图中其成相区间非常窄，因此Nb3Al超导线材的制备难度大、成相工艺复杂。快速加热快速冷却转变退火(Rapid Heating Quenching and Transformation，RHQT)工艺被认为是最有希望制备高性能Nb3Al线材的方法，但是目前国内尚未对RHQT方法制备Nb3Al超导线材开展系统的研究。 本论文围绕Nb3Al超导线材的RHQT制备方法的开发而展开，主要工作如下:设计并制作了一套可以精确控温的快热快冷（RHQ）短样热处理设备，探索了套管法、原位粉末装管法、卷绕法前驱线的制备工艺。利用该设备对三种前驱线进行RHQ热处理，通过调节热处理过程中的最高温度和加热时间等关键参数，结合传输法和磁化法测量结果系统分析了所获得Nb3Al线材样品的超导性能。利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱(EDS)观察分析了样品的微观组织，同时对比研究了三种类型前驱线超导性能与RHQ参数之间的关系。 在对比分析国外研究小组RHQ热处理设备的基础上，在论文第三章提出了一种优化的快速加热与冷却结构，使样品与Ga液面平行。这种结构既保证了样品在冷却时各部分有相同的冷却速率，又节省了前驱体线材。基于该优化的加热与冷却结构，设计并制作了基于C8051F410单片机的控制电路，并完成了控制芯片的编程，使之能够实现在0.1s内对前驱体线材的加热与冷却。基于辐射测温原理，利用电荷耦合器件(CCD)设计并制作了一套非接触式高温温度计，能够快速准确地测量前驱线在RHQ过程中的温度变化，且测温过程中不影响前驱线的温度。 在论文第四章，结合热挤压技术制备了直径0.6和0.8mm的156芯套管法前驱线，并系统研究了RHQ热处理温度与线材超导性能的关系。结果表明套管法前驱体线材在RHQT处理后，其超导起始转变温度（T-onset）达到16.9～17.2K。SEM结果显示套管法前驱线在RHQT后，样品横截面为蜂窝管状结构，并在管状结构的内壁形成了高品质的Nb3Al超导体。EDS能谱分析结果表明:致密的A15相处在样品内部超导层位置;Nb和Al的原子百分比达到了理想的3∶1。通过降低套管法前驱线中Nb/Al复合芯丝的直径，可能减小这种蜂窝状结构中心的孔洞直径。 在论文第五章，首先利用Ta作为阻隔层、以纯Nb粉和纯Al粉作为前驱体粉末，制备了原位粉末装管法的Nb3Al前驱线。然后采用缓慢冷却的方式，基于我们自主设计制作的精确温度测量装置，研究了Nb、Al粉末在加热和冷却过程中的成相反应，并对RHQ热处理参数与超导性能之间的规律进行了分析。研究表明:原位粉末装管法前驱线只在快速加热温度上升过程中存在一个恒温温度平台，而在降温时不存在温度平台，后续的加热升温过程中温度平台消失。RHQ热处理时间为20ms时样品的Tc-onset最高，达到16.8K，A15相组分略有偏离理想原子百分比。两次RHQ热处理的样品的A15相也偏离理想原子百分比。 在论文第六章，首先结合静液挤压工艺制备了简单结构的18芯卷绕法前驱体线材。然后利用高温温度计采集快速加热缓慢冷却过程中的温度变化曲线，结合微观组织观察，研究了Nb/Al卷在此过程中的反应情况。我们发现了卷绕法前驱线的温度在升温和降温过程中的变化规律，即在加热和冷却过程中存在短时间的恒温区，通过多次加热循环后降温过程的温度平台有消失的趋势。同时随着加热循环次数的增加，样品内部的柯肯达尔孔洞会逐渐合并长大。选取不同的RHQ热处理时间和处理温度，结合传输法和磁化法测试，系统研究了RHQ热处理参数对卷绕法样品超导性能的影响。结果表明:卷绕法前驱线经过40ms的RHQ热处理后样品超导性能最佳，Tc-onset达到17.5K。所获得的A15相致密均匀，EDS扫描结果表明A15相组分接近理想原子百分比。在11K自场下样品的最大传输Jc达到140A/mm2。基于Bean模型和样品磁滞回线的计算，样品在10K、2T下的Jc达到了1100A/mm2。

目录

声明

摘要

1．1超导体基本特性

1．2实用化超导线材研究进展

1．3 Nb3Al超导线材研究进展

1．3．1 Nb3Al超导体的特性

1．3．2 Nb3Al线材的制备方法

1．4 Nb3Al线材制备中存在的问题

1．5本论文的主要内容

第2章样品制备与表征方法

2．1．1套管法

2．1．2粉末装管法

2．1．3卷绕法

2．2 Nb3Al样品的热处理方法

2．3样品的表征方法

2．3．1电性能表征

2．3．2磁性能表征

2．3．3显微结构和元素表征

2．4本章小节

第3章Nb3Al短线RHQ热处理设备的设计

3．1机械结构设计

3．2电路结构设计

3．3控制程序的编写

3．4加热模拟

3．5低温温度计的设计

3．6本章小结

第4章Nb3Al套管法前驱线RHQ热处理研究

4．1套管法前驱线的制备

4．2 RHQT热处理

4．3结果与讨论

4．3．1直径0．6 mm前驱线的RHQ热处理结果与讨论

4．3．2直径0．8 mm前驱线的RHQ热处理结果与讨论

4．4更细Nb/Al芯丝前驱线的制备

4．5本章小结

第5章Nb3Al粉末装管法前驱线RHQ热处理研究

5．1粉末装管法前驱线的制备

5．2 RHQ热处理设备的改进

5．3前驱线在快热过程中的成相反应

5．4超导性能测试与讨论

5．4．1快热时间20 ms样品的结果与讨论

5．4．2快热时间80 ms样品的结果与讨论

5．5粉末装管法复合前驱体的制备

5．6本章小结

第6章Nb3Al卷绕法前驱线RHQ热处理研究

6．1卷绕法前驱线的制备

6．1．1 7芯前驱线的制备

6．1．2 (18+1)芯前驱线的制备

6．2前驱线在快热过程中的成相反应

6．3 RHQT热处理

6．4结果与讨论

6．4．1快热时间120 ms样品的结果与讨论

6．4．2快热时间40 ms样品的结果与讨论

6．4．3快热时间30 ms样品的结果与讨论

6．5本章小结

第7章结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间获得的学术成果