超导电工材料Nb3Al的制备工艺及性能研究

摘要

超导电技术是21世纪具有极大发展潜力和广阔市场前景的高新技术之一，而Nb3Al超导材料便是这一领域当前研究的热点。上世纪70年代末，科研人员就已证实Nb3Al在高磁场下具有非常高的临界电流密度Jc和良好的应变力，其作为一种可替代Nb3Sn在高场下大规模应用的超导材料，在电力系统、热核聚变、超导磁悬浮列车、军事、医学等领域有着巨大的应用前景。然而，目前制约Nb3Al超导材料大规模应用的主要因素是复杂而且成本高昂的制备技术。
　　本论文正是以围绕探索低成本、高性能、实用化、易推广的Nb3Al制备工艺为研究目标，同时深入研究了铌基超导材料Nb3Al丰富的电、磁性能。文中主要涉及开发出了采用高能球磨制备Nb3Al超导材料的技术及其工艺优化问题，以及化学元素掺杂对Nb3Al晶体结构、形貌和超导电性的影响。此外，本论文对采用高能球磨原位粉末装管法制备的Nb3Al超导线材，与高温扩散法和快热快冷法(RHQT)制备的Nb3Al线材的超导性能进行了详细比较和深入研究。
　　第1章主要对本论文的课题研究背景及意义、研究内容和论文结构进行了简明扼要的论述。同时，本章节对当今世界科研领域中超导材料的研究状况进行了系统的综述，包括超导电性概述及超导材料的研究进展。此外，本章节重点调研了Nb3Al超导体的研究现状，及目前尚且存在的问题。其中，着重调研了制备Nb3Al超导体的技术路线和目前传统的制备方法，以及各种制备工艺各自存在的优点和缺点。
　　第2章主要对本论文所采用的实验方法和表征手段进行了阐述。实验方法方面，详细介绍了Nb3Al超导材料制备的几种方法，包括(RHQT)快热快冷法，扩散法及高能球磨法。表征手段方面，对材料的晶体结构、微观结构、电磁性能表征的方法进行了介绍。
　　第3章重点探索了高能球磨法制备高性能Nb3Al超导材料的技术关键以及工艺优化的主要因素。通过实验结合机理分析，探究了球磨原料初始化学计量比、球磨时间、样品烧结温度和时间等对Nb3Al纯样晶体结构、形貌以及超导性能的影响。其中，经工艺优化后制备的Nb3Al样品，其超导转变温度Tc=15.7 K;在温度为4.2 K，外加磁场为7T的条件下，其超导临界电流密度Jc仍然高达6.3×104 A/cm2;超导上临界磁场Hc2(0)=28.1 T。
　　第4章主要研究了化学元素Ge、Sn掺杂对Nb3Al超导材料超导电性的影响。采用高能球磨法，成功制备了Ge和Sn掺杂的Nb3(Al1-xGex)和Nb3(Al1-xSnx)样品。重点研究了球磨原料初始化学计量比中Ge、Sn掺杂含量、样品烧结温度对Ge、Sn掺杂的Nb3(Al1-xGex)和Nb3(Al1-xSnx)超导样品晶体结构、形貌及超导电性的影响。其中，经优化后制各的Nb3(Al1-xGex)样品的超导转变温度Tc=17.7 K;在温度为4.2 K及磁场为7T的条件下，其超导临界电流密度Jc=8.3×104 A/cm2。整体超导性能有了显著提升。
　　第5章着重研究了Mg和Ir的元素掺杂效应。深入探究了Mg和Ir掺杂在改善Nb3Al超导材料机械加工性能的同时，对Nb3Al超导材料超导电性的影响。采用高能球磨法，分别成功制备了Mg和Ir掺杂的Nb3(Al1-xMgx)和Nb3(Al1-xIrx)样品。结合理论知识对实验结果进行了深入分析，重点探究了球磨原料初始化学计量比中Mg和Ir掺杂含量对Nb3(Al1-xMgx)和Nb3(Al1-xIrx)样品晶体结构、形貌及超导电性的影响。
　　第6章重点从比较不同制备工艺对Nb3Al线材性能的影响方面，对改善机械合金化Nb3Al超导性能进行了深入研究。采用热扩散法、高能球磨法、快热快冷法(RHQT)制备了Nb3Al超导线材，从微观结构及超导性能方面，将不同制备工艺对Nb3Al线材性能的影响做了分析研究。在前期研究的基础上，提出了后期进一步制备Nb3Al线材实用化的工艺方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 文献综述

1．2．1 超导电性概述

1．2．2 超导材料的研究进展和未来研究方向

1．2．3 Nb3Al超导体的研究现状

1．3 论文的研究内容和目的

1．4 本文结构

第2章 Nb3Al的实验制备与表征

2．1 引言

2．2 实验中制备Nb3Al超导材料所采用的主要方法

2．2．1 低温制备方法——高能球磨法

2．2．2 高温制备方法——热扩散法和RHQT法

2．3 表征方法

2．3．1 X射线衍射(XRD)分析

2．3．2 扫描电子显微(SEM)分析

2．3．3 磁性测量分析

2．3．4 电输运测量分析

2．4 本章小结

第3章 对Nb3Al低温成相制备方法的探索——采用高能球磨法制备Nb3Al超导体及其性能研究

3．1 引言

3．2 烧结温度对Nb3Al物相演变、微观结构及超导性能的影响

3．2．1 实验

3．2．2 结果及讨论

3．3 名义化学组份对Nb3Al物相演变、微观结构及超导性能的影响

3．3．1 实验

3．3．2 结果与讨论

3．4 烧结时间对Nb3Al物相演变、微观结构及超导性能的影响实验

3．4．1 实验

3．4．2 结果及讨论

3．5 低温成相工艺制备的Nb3Al样品的超导性能研究

3．6 本章小结

第4章 提高机械合金化Nb3Al超导电性的探索——-Ge、Sn掺杂对Nb3Al超导电性的影响

4．1 Ge掺杂对Nb3(Al1-xGex)样品超导性能的影响

4．1．1 引言

4．1．2 实验

4．1．3 结果及讨论

4．1．4 小结

4．2 Sn掺杂对Nb3Al超导性能的影响

4．2．1 引言

4．2．2 实验

4．2．3 结果及讨论

4．2．4 小结

4．3 本章小结

4．3．1 Ge掺杂对Nb3(Al1-xGex)样品超导性能的影响

4．3．2 Sn掺杂对Nb3(A1-xSnx)样品超导性能的影响

第5章 在改善机械合金化Nb3Al机械加工性能的同时——Mg、Ir掺杂对机械合金化Nb3Al超导性能的影响

5．1 Mg掺杂对Nb3Al超导性能的影响

5．1．1 引言

5．1．2 实验

5．1．3 结果及讨论

5．1．4 小结

5．2 Ir掺杂对机械合金化Nb3Al超导性能的影响

5．2．1 引言

5．2．2 实验

5．2．3 结果及讨论

5．2．4 小结

5．3 本章小结

5．3．1 Mg掺杂对Nb3(Al1-xMgx)样品超导性能的影响

5．3．2 Ir掺杂对Nb3(Al1-xIrx)样品超导性能的影响

第6章 改善机械合金化Nb3Al超导性能的其他探索——不同制备工艺的比较

6．1 引言

6．2 实验

6．3 结果及讨论

6．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文