连续管线成型及填料工艺制备MgB超导线材的研究

摘要

具有39 K临界转变温度的超导材料MgB<,2>是一种廉价的简单二元化合物，它的使用温度可以利用制冷技术达到，避免了使用昂贵的液氦，大大降低了成本，同时，它不存在弱连接，易于制备出大传输电流密度的线带材。这些优点使得MgB2超导线材极有可能取代目前使用的Nb<,3>Sn低温超导材料来制备核磁共振成像(MRI)等设备的核心磁体，这将是一个巨大的市场。近年来粉末套管(PIT)方法在制备多层MgB<,2>复合线材时会由于各种套管材料不同的机械性能而增加难度。为了能满足工业化大生产的需要，同时使线材制备简易可行，需要探寻一种新的线材制备方法。 本文以Mg粉、B粉和纳米SiC粉为前驱混合粉末，通过探索成型工艺，在国内首次采用加工领域生产药芯焊丝的连续管线成型及填料(CTFF)技术成功制备出了单芯单层、单芯三层以及多芯多层的掺杂SiC的MgB<,2>超导线材。探索了采用这种方法制备高性能MgB<,2>超导线材的成型加工工艺路线；其次对制备好的线材利用传统真空无压烧结进行烧结退火，通过XRD分析优化了制备过程中的热处理工艺参数，即烧结温度800℃，保温时间15 min，SiC掺杂量不超过10 at.％；重点采用显微分析手段(SEM，TEM)以及低温传输电流测量对烧结后的线材进行了微观结构和超导电性分析，并研究了这些工艺参数对线材超导电性和热稳定性的影响。 实验发现掺杂纳米SiC改善了MgB<,2>超导线材高场下的磁场性能。其中8 at.％SiC掺杂样品的J<,c>值在4.2 K，14T下达到2 565 A/cm<'2>，是未掺杂样品的10倍；在4.2 K，11 T时，J<,c>值超过10<'4> A/cm<'2>，其n值为28，此结果已达到国际先进水平。研究还表明减小单根超导芯的截面尺寸可以改进超导线材的热稳定性，我们结合CTFF和PIT两种方法制备出了7芯、19芯和49芯的复合MgB<,2>超导线材，其中7芯复合线材中单根超导芯横截面积较单芯线材减小了97％，在4.2 K，7.5 T下J<,c>可达10<'4> A/cm<'2>级别，低场下仍能保持电流稳定通过，在4.2 K，0.5 T时J<,c>最高值达到了6.35×10<'4> A/cm<'2>，n值为380，表明多层多芯线具有较好的热稳定性，高的n值使得MgB<,2>超导磁体在4.2 K，10 T到25 K，5 T下稳定使用成为了可能。通过SEM和TEM对超导线材的微观结构分析表明，随烧结温度升高，保温时间延长超导芯越致密，掺杂SiC的样品晶粒周围均有纳米级颗粒包覆。EDS分析得出，较长的保温时间会使晶粒中的C趋于向晶粒表面扩散。TEM观察发现高的烧结温度和纳米粒子掺杂会使晶格发生畸变，晶粒上出现许多位错是掺杂样品中T<,c>值降低的原因之一。同时掺入SiC后与Mg反应会在MgB<,2>晶粒表面形成包覆均匀的纳米尺寸的Mg<,2>Si颗粒，这些纳米级颗粒可以成为磁通钉扎中心，增加晶粒的连通性和提高芯部的密度。同时Si的弥散分布间接说明SiC释放出的C也以弥散的形式置换B位，在MgB<,2>的晶格内形成缺陷，起到增加钉扎中心的作用，这也是掺杂的样品在高场下有高的临界电流密度的主要原因。 综上所述，在掺杂、加工成型和烧结工艺的系统优化下，连续管线成型及填料技术为成功制备高性能MgB<,2>超导线带材提供了一种新的可行途径。纳米SiC掺杂引入了纳米钉扎中心，大大提高了MgB<,2>线材的高场性能；而多芯线材的制备，在减小了超导芯横截面积的同时改善了线材的热稳定性。连续管线成型及填料技术有望为MgB<,2>实现大规模生产提供可能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1超导体的特性和应用前景

1.1.1超导的定义

1.1.2超导体的两个基本特性

1.1.3影响超导性的几个因素

1.1.4超导的发展历程

1.1.5超导的应用前景

1.2 MgB2概述

1.3 MgB2的研究现状

1.3.1块材的制备

1.3.2薄膜的制备

1.3.3线带材的制备

1.3.4连续管线成型及填料(CTFF)工艺简介

1.4本课题研究的目的、内容及意义

1.4.1研究目的

1.4.2研究内容

1.4.3研究意义

第2章研究方案与测试方法

2.1研究方案

2.2实验原料及前驱粉末的制备

2.2.1实验原料及来源

2.2.2前驱粉末的制备

2.3线材的制备

2.4实验仪器及测试方法

2.4.1实验仪器

2.4.2样品测试与分析方法

2.5本章小结

第3章使用CTFF方法制备MgB2超导线材的形变工艺研究

3.1 CTFF方法制备单芯线材

3.1.1单芯单层线材的制备

3.1.2单芯多层复合线材的制备

3.1.3线材超导性的检验

3.2 CTFF方法与PIT方法联合制备多芯复合线材

3.2.1 7芯复合线材

3.2.2 19芯复合线材

3.2.3 49芯复合线材

3.3线材减径的影响因素

3.3.1减径方法和道次形变量

3.3.2前驱粉末填充方式

3.3.3包覆带材宽厚比

3.3.4减径拉拔速度

3.4本章小结

第4章真空无压烧结制备纳米SiC掺杂MgB2线材的退火工艺研究

4.1真空无压烧结机理概述

4.2纳米SiC掺杂MgB2线材的制备

4.3 MgB2芯部相成份的影响因素

4.3.1烧结温度

4.3.2保温时间

4.3.3 SiC掺杂量

4.4超导电性的影响因素

4.4.1 SiC掺杂

4.4.2前驱粉末填充方式

4.4.3包覆材料和超导芯尺寸

4.5本章小结

第5章纳米SiC掺杂MgB2线材的微结构及反应机理研究

5.1真空无压烧结对纳米SiC掺杂样品微观形貌的影响

5.1.1不同烧结温度

5.1.2不同保温时间

5.2微结构及反应机理研究

5.2.1不同烧结温度

5.2.2不同保温时间

5.2.3掺杂SiC的影响

5.3本章小结

结论

前景展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间申请的专利

致谢