Ti掺杂和退火时间对Nb3Al超导体性能的改善

摘要

Nb3Al具有比Nb3Sn更高的超导转变温度(Tc)、上临界场(Hc2)、临界电流密度(Jc)，以及更为优异的抗应变特性，使其成为未来磁约束核聚变堆磁体材料的理想选择，因而开展Nb3Al超导材料的研究具有重要的科学意义。本论文围绕Nb3Al超导体的基础物理性能改善和优化展开研究。首先，研究了Ti掺杂对高能球磨法制备的Nb3Al超导块材结构和性能的影响。在此基础上，研究了Ti掺杂对粉末装管法(PIT)制备的Nb3Al超导线材结构和性能的影响。最后，研究了后退火时间对RHQNb3Al线材结构和性能的影响。得到的研究结果如下：　　高能球磨法制备的(Nb1-xTix)3Al(x=0~0.05)超导体，适量Ti原子取代Nb可以有效抑制Nb3Al超导体中σ-Nb2Al相的生成。10K测量时，(Nb0.98Ti0.02)3Al(x=0.02)的Jc在超过6T的外场下衰减明显优于其他样品，表明适量的Ti(?0.02)可以改善Nb3Al超导体的高场Jc性能。掺杂2at％TiNb3Al的不可逆场(Birr)随测试温度提高逐渐优于纯样Nb3Al，原因可能是由于A15超导相均匀性的提高所致。　　RHQT制备出(Nb1-xTix)3Al超导线材，其前驱线用粉末装管法(PIT)制备。纯样Nb3Al线材的Tc为16.4K，除掺杂1at％Ti的线材，Ti掺杂的(Nb1-xTix)3Al线材Tc都略有增加。掺2at％TiNb3Al线材具有最高Tc值16.7K，掺2.5at％TiNb3Al线材具有最小ΔTc值0.5K，表明适量Ti掺杂到可以改善Nb3Al的超导性能。在5T外场下，RHQTPITNb3Al线材的超导层临界电流密度(Layer Jc)在8K，10K和12K分别是1.32×105A/cm2，4.94×104A/cm2和5.84×103A/cm2，接近我们JRRHQTNb3Al线材的优化值。掺杂2.5at％Ti的(Nb1-xTix)3Al线材LayerJc在8K，10K和12K时分别为2.63×105A/cm2，1.12×105A/cm2和1.44×104A/cm2，是纯样LayerJc性能的两倍，验证了适量的Ti(?2.5 at％)掺杂可以提高Nb3Al超导线材的LayerJc性能。掺杂Ti2.5at％的(Nb1-xTix)3Al线材在8K，10K和12K的不可逆场(Birr)值分别为13T，11.1T和7.5T，比纯样Nb3Al线材高8.3％，15.6％7.1％。　　对在快热急冷热处理电流(IRHQ)“Tc峰值”附近制备的Nb3Al线材，不同的RHQ加热电流使得Nb(Al)ss相无序化程度产生差异，导致获得最佳Jc性能的后退火时间不同。IRHQ=272A和IRHQ=276A对应于“Tc峰值”电流的左侧和右侧，276ARHQ得到的Nb(Al)ss相原子无序度比272A的Nb(Al)ss大，需要更长的后退火时间才能获得最佳的Jc性能。JRNb3Al前驱线的Nb和Al层在塑性加工过程中因硬度差异导致不均匀变形和分布，后退火时间的延长有助于提高Nb3Al超导线材的均匀性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 Nb3Al超导体的发展及研究现状

1.2.1 Nb3Al超导体的特性

1.2.2 Nb3Al超导体的成相机制

1.2.3 Nb3Al超导体的制备工艺

1.2.4 掺杂元素对 Nb3Al超导体性能的影响

1.3 Nb3Al超导体的应用前景

1.4本文的主要研究内容和结构

第二章 样品的制备及表征分析

2.1 Nb3Al样品的制备过程

2.1.1 高能球磨制备 Nb3Al超导块材

2.1.2 粉末装管法（PIT）制备 Nb3Al超导线材

2.1.3 卷绕法（JR）制备 Nb3Al超导线材

2.2 Nb3Al样品的表征分析

2.2.1 物相测试分析

2.2.2 微观形貌和元素成分分析

2.2.3 磁性能测量分析

2.3 本章小结

第三章 Ti 掺杂对高能球磨制备的 Nb3Al 块材结构和性能的影响

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.3 本章小结

第四章 Ti 掺杂对粉末装管法制备的 Nb3Al 线材结构和性能的影响

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 后退火时间对 RHQ Nb3Al 线材结构和性能的影响

5.1 引言

5.2实验方法

5.3 结果与讨论

5.4 结论

结 论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文