挤压工艺制备19芯MgB_2超导线材及其性能研究

本文采用挤压工艺研制19芯结构的多芯MgB_2/Nb/Cu超导线材,通过单道次挤压工艺将多芯复合包套从Φ64mm挤压到Φ20mm。挤压后的复合线通过冷拉拔最终加工到Φ1.4mm,并在670℃,保温2h进行烧结热处理,成功地制备出百米量级长度的MgB_2超导线材。采用该工艺所制备MgB_2超导线材具有良好的晶粒连接性和芯丝结合强度;显微分析表明该多芯复合线材横截面及超导芯丝分布较为均匀;在20和35K,自场下测试了所研制线材的传输性能,其超导临界电流密度J_c分别为1.05×10~5和6.7×10~4A/cm~2。     

Bi（2223）／Ag复合带材的研制

采用粉末套管法制备了单芯,7芯,49芯和343芯Bi_(1.8)Pb_(0.4)Sr_2Ca_(2.2)Cu_3,O_x/Ag 复合带材,并研究了热处理条件,加工方式和弯曲应变对带材超导性能和组织结构的影响.研究表明,带材 J_c 对烧结温度十分敏感,在845℃附近作200h 烧结热处理,其 J_c 都有最大值.采用反复压制和烧结的工艺,可有效地改善带材的 J_c,其中49芯带材 J_c(77K,0T)=1.5×10~4A/Cm~2和 J_c(77K,1T)=1.20×10~3A/cm~2.在弯曲应变状态下,带材的 J_c 与其芯数密切相关,随着芯数增加,带材抗应变性能改善,其中343芯带材,当弯曲应变为～1%时,J_c 仍达无弯曲应变时的～70%,为单芯带材的5倍多.     

千米量级多芯MgB2/Nb/Cu超导线材的制备及性能研究

以无磁性的Nb作为中心增强体和阻隔层材料,无氧铜作为稳定体包套材料,采用原位法粉末装管工艺(in-situ PIT)制备了千米量级7芯导体结构的MgB2/Nb/Cu超导线带材,由于Nb/Cu包套材料具有良好的塑形加工性能,整个加工过程中未进行中间退火热处理,复合多芯线材最终加工到Φ1.4mm;在真空热处理炉中680℃保温2小时进行成相热处理;对烧结后的线材进行了微观结构、超导电性、纵向电流分布均匀性及常温力学性能等分析检测.线带材的工程临界电流密度在20K,1T磁场条件下达到2.5×104 A/cm2.结果表明该工艺能够制备实用化高性能的MgB2线带材.     

高温超导带材制备工艺的发展现状

由铋锶钙铜氧(BSCCO)制成的铋系带材、由钇钡铜氧(YBCO)制成的钇系带材和二硼化镁(MgB_2)线带材是目前实用化程度最高的三种高温超导带材。制备工艺是影响其性能的主要因素,随着传统工艺的发展和新工艺的应用,高温超导带材在制备规模和性能上均有明显提升。热等静压技术解决了铋系带材的致密性问题,高质量4 mm宽铋系带材的临界电流I_c可达200 A,且通过封装增强层可应用于各种复杂的工作环境。薄膜沉积工艺的优化与开发使钇系带材的制备取得了突破,国内外已有多家公司可提供千米级的商用钇系带材,且带材的I_c普遍达350 A/cm以上,正朝单根1 000 A/cm的目标迈进。先进管线成形工艺的应用使MgB_2的单根制备长度增加了数倍,在低温强磁场下的性能优势,使其有望成为该环境下的主流产品。     

Nb芯增强千米级7芯MgB_2超导线材的机械性能及超导性能研究

以非铁磁性的Nb作为中心增强体和阻隔层材料,无氧铜作为稳定体包套材料,采用原位法粉末装管工艺(in-situ PIT)制备了千米量级6+1芯导体结构的MgB2/Nb/Cu超导线带材,由于Nb/Cu包套材料具有良好的塑形加工性能,整个加工过程中未进行中间退火热处理,复合多芯线材最终加工到Φ1.4mm;在真空热处理炉中680℃保温2小时进行成相热处理;对烧结后的线材进行了超导电性、纵向电流分布均匀性及弯曲及拉伸力学性能等分析检测。线材的工程临界电流密度在20K,1T磁场条件下达到2.5×104A/cm2,表明该工艺能够制备实用化高性能的MgB2线带材。     

金属芯尺寸对CORC缆REBCO带材临界性能影响

为推动CORC缆应用于CICC导体及高场磁体,研究金属芯尺寸对CORC缆上的ReBCO带材临界性能影响具有一定的重要性。手工绕制了多根单层CORC缆样品,研究了在77 K和自场条件下,芯部尺寸对上海超导生产的YBCO带材的临界电流的影响。随着缆芯尺寸减小,YBCO带材的临界电流产生衰退现象。当缆芯尺寸低于4.3 mm时,临界电流明显下降。当缆芯尺寸为4 mm时,临界电流为127 A,n值为32.5,临界性能衰退了21%。     

低损耗NbTi线材制备技术研究

国内重离子加速器(HIAF)磁体服役在高速脉冲电流下,要求超导磁体用超导线具有较低的损耗,并具有高的临界电流,针对磁体的设计要求,本文研制了两种新型结构的NbTi/Cu0.5Mn超导线,通过两次组装、冷拉拔获得了线径Φ0.8mm、12960芯和10800芯、铜比2.0、芯丝小于5μm的高临界电流、低损耗超导线,系统研究了两种新型结构超导线的截面形貌、芯丝形貌、磁滞损耗及不同时效热处理次数超导线的临界电流密度(Jc)和n值,最后获得了线材芯丝直径和磁滞损耗的变化关系.研究结果表明,两种线材经过二次组装、挤压和冷拉拔后,单个亚组元成型良好,芯丝变形粗细均匀,尺寸大约4μm.随着时效热处理次数由3次增加到5次,线材芯丝表面有颗粒状的CuTi化合物生成,且5T、4.2K下临界电流密度由2295A/mm2增加到2958A/mm2,不同时效热处理次数的线材n值大小介于30~60之间,表明芯丝整体变形均匀.线径Φ0.8 mm、12960芯和10800芯线材在4.2K、±3T下的磁滞损耗分别为35.5mJ/cm3、42.8mJ/cm3,随着线材芯丝直径由4.6μm减小至2.8μm,磁滞损耗由42.8mJ/cm3降低至17.3 mJ/cm3.最后,通过优化工艺后获得了Jc(5T、4.2K)为2958 A/mm2,Qh(4.2K,±3T)为37.5mJ/cm3的千米级NbTi/Cu0.5Mn超导长线,并可实现批量化生产.     

青铜法Nb_3Sn超导线材的性能优化研究

采用青铜法工艺制备了Nb_3Sn超导线材,研究了不同的结构设计、中间退火温度、成相热处理制度等对线材性能的影响.实验结果表明,具有相同的青铜/NbTa体积比而芯丝直径不同的线材,芯丝尺寸在合理范围内越小,临界电流密度越高;使用Ta阻隔层的线材的磁滞损耗有大幅下降,但其加工性能较之Nb阻隔层要差;低的退火温度在改善青铜加工硬化的同时减少了Nb_3Sn超导相预反应生成量,线材性能较高.     

制冷机传导冷却的MgB_2超导磁共振磁体设计分析

分析了超导磁体设计的关键问题,给出了传导冷却的中心场强0.6T的MgB_2磁共振磁体设计,重点讨论了超导磁体的铁轭设计、磁场计算以及杜瓦设计等相关技术.首先对所用MgB_2长线短样的超导性能进行了初步测试,结果表明,在20K时其临界电流约为156A.然后利用COSMOS有限元软件对磁体的中心磁场进行了分析计算,得到0.6T的磁场分布区域.本设计对国产的MgB_2高温超导长线带材在超导磁共振磁体领域的应用研究具有一定的参考价值.     

前驱粉末对(Bi,Pb)-2223/Ag超导带材临界电流密度的影响

采用双相粉工艺即分别制备出2212粉末和(Ca2CuO3 CuO)粉末,将它们分别热处理后,按照2223比例混合均匀,分别在四个不同温度下(800℃,815℃,830℃,845℃)进行了10h的烧结,并采用PIT技术制备出37芯超导带材.通过X射线衍射、SEM观察和临界电流的测试,分析了粉末不同烧结温度对(Bi,Pb)-2223/Ag超导带材临界电流密度的影响.结果表明:采用不同的前驱粉末制备的带材具有不同的临界电流密度,最佳的前驱粉末最终烧结温度是830℃左右.     

Ba-122铁基超导带材扭转下临界性能研究

为推动铁基超导带材实用化发展,本文研制出一种在铁基超导带材纯扭转测试装置,分析了7芯Ba_1-xK_xFe₂As₂(Ba-122)带材在扭转应变下临界性能变化。带材临界电流在扭转应变下会出现衰退行为,并且随扭转应变增大而减小。四对电压信号测量结果一致,表明扭转变形均匀。以95%的初始临界电流为临界扭转标准,带材临界扭转角为120°,相应的临界剪切应变为0.86%和临界扭转螺距为240 mm。扭转应力会损伤超导芯,导致带材临界载流性能降低。     

Bi-2223/Ag多芯超导薄带的制备及其性能研究

采用PIT法制备银包套Bi-2223多芯超导薄带,研究了不同厚度带材的制备工艺和性能特点.采用不同的轧制变形量,将Bi-2223/Ag多芯线轧制为0.4mm～0.07mm不同厚度的带材.试验结果表明,厚度越薄的带材热处理温度较低,相变速度更快.由于组织均匀性和超导相的相对含量及织构的影响,不同厚度带材的临界电流密度有很大差异,厚度为0.1mm左右带材的临界电流密度最高,用这样的薄带可以绕制内径更小的线圈.     

MgB_2/B/MgB_2约瑟夫森结的制备与直流特性

本文采用MgB_2薄膜的混合物理化学气相沉积制备技术和金属掩膜版工艺,以B膜为势垒层在单晶Al_2O_3(0001)基底上制作了纵向三明治结构的MgB_2/B/MgB_2约瑟夫森结.应用标准四引线法对该超导结的R-T曲线和不同温度下的直流I-V曲线进行了测量研究.实验结果表明,制作的MgB_2/B/MgB_2约瑟夫森结超导开启温度为31.3 K,4.2 K时临界电流密度为0.52 A/cm~2,通过对直流特性I-V曲线的微分拟合,清晰地观测到MgB_2的3D带的能隙?π为2.13 meV.     

一次烧结后2223相的转化率对Bi-2223/Ag带材的电流传输性能的影响

Bi-2223银包套带材的热处理工艺一般包括一系列的烧结-轧制/压制过程才能达到最佳的电流传输性能. 大量实验表明, 第一次烧结后带材中2223相的转化率对于后续热处理中的相转化, 微观结构和非超导杂相以及电流传输性能等具有很大的影响. 本文制备了两种不同相组成的BSCCO 2223初始粉末, 并考察了一次烧结后2223相的转化率对最终带材的临界电流的影响. 结果发现, 第一次烧结后带材中形成75～80%的2223相有利于得到最佳的电流传输性能.同时, 初始粉的相组成可以影响电流传输性能对带材热处理时间的依赖性.     

2T高温超导Bi-2223带材磁体

通过带材Ic及其弯曲性能测试,进行磁体设计,采用先处理后绕制(R&W)的工艺,制得中心磁场达2T的高温超导Bi-2223带材饼状线圈磁体.该磁体在液氮(77K)下通电流22.4A,中心磁场达0.25T;在液氦下可通电流170A,中心磁场达2.0T(4.2K),为液氮下的8倍,表明所采用的工艺,对制作中小规模高温超导Bi-2223带材饼状线圈磁体,是合适的.     

Al_2O_3(0001)基底MgB_2/B/MgB_2多层膜的制备及性质

本文介绍了应用混合物理化学气相沉积(HPCVD)制备MgB_2薄膜技术,以B膜作为势垒层在单晶Al_2O_3(0001)基底上制作了纵向三明治结构的MgB_2/B/MgB_2多层膜.采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)和标准四线法对获得的MgB_2/B/MgB_2多层膜断面结构、超导薄膜晶体结构及超导特性进行了测量研究.实验结果表明,制备的MgB_2/B/MgB_2多层膜结构清晰,底层和顶层超导薄膜显示出良好的超导特性.     

窄丝化工艺对第二代高温超导带材临界电流特性的影响

超导带材应用于超导电力设备时,其临界电流特性受外界交变磁场大小和方向的影响,展现出明显的各向异性.为了减小外场对超导带材的影响,本文通过窄丝化工艺将4 mm宽的高温超导带材分切成2 mm宽的高温超导细丝.本文通过冷热循环疲劳测试实验和带材显微观察两个角度相互验证,对2 mm超导细丝临界电流性能做了具体评估.创新性地提出...     

扭转应变与高温超导带材临界电流分布关系研究

为加工大电流导体和制备高温超导电缆,有必要掌握高温超导带材在扭转下性能。该文研究了扭转下高温超导一代铋锶钙铜氧(BSCCO)和二代钇钡铜氧(YBCO)带材临界电流的分布与扭转应变之间的关系,用四线法在液氮、自场环境下测量了不同扭距下带材临界电流,分析比较了三种不同带材(日本住友HT-CA;AMSC8501;Super Power SCS4050)临界电流随扭距变化规律的异同,建立了计算扭转下带材内部应变的模型,推导出了扭转下三种不同带材临界电流密度与应变之间的函数关系。此外,将实验测得的临界电流与通过模型理论计算得到的数值进行了比较和分析。     

YBCO 带材无阻连接热退火效应研究

超导焊接是第二代高温超导(2G-HTS) 带材研究的重要内容, 在两根超导带材中间生长超导连接层可实现无阻连接. 在超导连接层的生长过程中, 原来的两根超导带材需再次经历热处理, 目前这方面的研究甚少. 本文系统研究了780 ℃ 热退火中, 时间、 气氛对带材性能的影响. 分析了样品的显微结构、 表面形貌以及临界电流密度(J c ) , 结果表明:2 h 干氮氧气氛有利于提高原始带材的性能; 湿氮氧气氛使J c 值降低. 这可能是湿气的存在增加了晶粒缺陷, 使杂质的扩散通道增加, 从而Ba-Cu-O 积聚生长, 造成 YBCO 性能恶化. 在文中我们还利用 XRD 进行了应力拟合分析了应力变化.     

硼膜制备工艺、微观结构及其在硼化镁超导约瑟夫森结中的应用

MgB_2材料具备临界转变温度较高、相干长度大、临界电流和临界磁场高等优点,被认为有替代Nb基超导材料的潜力.研究了不同温度下以化学气相沉积法制备的硼(B)薄膜的微观结构.实验结果表明:较低温度沉积的B先驱薄膜为无定形B膜,可以与Mg蒸气反应生成MgB_2超导薄膜;当沉积温度高于550?C时,所得硼薄膜为晶型薄膜;以晶型硼薄膜为先驱膜在镁蒸气中退火,不能生成硼化镁超导薄膜.利用晶型B膜的这一特点,成功制备了以晶型硼薄膜为介质层的硼化镁超导约瑟夫森结.