快脉冲超导磁体用NbTi超导线材的制备研究北大核心CSCD

本研究以Cu10Ni合金作为基体材料,采用组装法制备了铜比1.8,Φ0.7 mm的快脉冲超导磁体用NbTi超导线材.研究了Cu10Ni合金、时效次数和最终应变、去应力退火对快脉冲超导磁体用NbTi/Cu超导线微观组织和临界电流密度的影响.实验结果表明:采用Cu10Ni合金作为基体,时效3次且最终应变在3.5-5.0之间时,线材最终应变增大,临界电流密度呈先增大而后降低,最终趋于稳定的变化规律;最终应变为4.37时,随着热处理次数的增加,临界电流密度呈先增大而后降低的趋势,断线次数也随之明显增多.损耗的测试结果表明:采用Cu10Ni合金为基体制备的超导线材的损耗要明显小于无氧铜基体的超导线材.经过3次时效热处理且最终应变为4.37时,Cu10Ni合金为基体制备的超导线材其临界电流密度最高为2308A/mm^2(4.2K,5T,判据0.1μV/cm),损耗为40.8mJ/cm^3,(±3T,4.2K).     

快脉冲超导磁体用NbTi超导线材的制备研究

本研究以Cu10Ni合金作为基体材料,采用组装法制备了铜比1.8,Φ0.7 mm的快脉冲超导磁体用NbTi超导线材.研究了Cu10Ni合金、时效次数和最终应变、去应力退火对快脉冲超导磁体用NbTi/Cu超导线微观组织和临界电流密度的影响.实验结果表明:采用Cu10Ni合金作为基体,时效3次且最终应变在3.5-5.0之间时,线材最终应变增大,临界电流密度呈先增大而后降低,最终趋于稳定的变化规律;最终应变为4.37时,随着热处理次数的增加,临界电流密度呈先增大而后降低的趋势,断线次数也随之明显增多.损耗的测试结果表明:采用Cu10Ni合金为基体制备的超导线材的损耗要明显小于无氧铜基体的超导线材.经过3次时效热处理且最终应变为4.37时,Cu10Ni合金为基体制备的超导线材其临界电流密度最高为2308A/mm~2(4.2K,5T,判据0.1μV/cm),损耗为40.8mJ/cm~3,(±3T,4.2K).     

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.     

铌钛超导体的非合金化制备

本文研究了Nb片和Ti片在不同温度下的扩散行为,并利用Nb片和Ti片交替组配加工,经过扩散反应制备出了NbTi超导线.运用扫描电镜(SEM)观察了Nb/Ti界面的扩散形态及微结构,并对热处理工艺的合理选择进行了讨论.结果表明:经800℃,5小时扩散可得到厚度最大,Ti含量最高的NbTi超导相.该工艺制备出的NbTi超导线材的临界电流密度Jc可达到2800A/mm2(5T、4.2K)和4200A/mm2(3T、4.2K),与传统工艺制备出的超导体的性能相当.     

不同Ti含量对NbTi超导体临界电流密度的影响

利用Nb片和Ti片交替组配加工,经扩散反应制备了Ti含量从43WT%到57WT%之间的三种不同成份的NbTi超导线.测量了三种不同成份的临界电流密度Jc,讨论了在磁场下不同Ti含量对NbTi线临界电流密度Jc的影响,并对磁通钉扎机制进行了分析.通过扫描电镜(SEM)观察了Nb/Ti界面扩散形态及微结构,并运用多源标度分析法[1]对不同成份的NbTi超导线进行了磁通钉扎力密度随磁场变化曲线的拟合.结果表明:随着含Ti量的增加,其临界电流密度在低场时很高,而在高场时的性能偏低,且下降迅速,而含Ti量低的超导线在高场时的性能更具有优势;超导线在不同磁场下的性能是由点钉扎和面钉扎两种钉扎机制共同作用决定的.     

用于ITER的NbTi超导股线临界电流测试方法

介绍了一种用于ITER的NbTi超导股线在不同温度下临界电流测试的方法和装置。该装置包括一孔径为70mm、最高磁场高达16T的背景磁体以及变温杜瓦等系统。对NbTi超导线变温测试设计了二元电流引线。用该系统得到了其NbTi超导股线在不同磁场不同温度下的临界电流,用“Luca”定标律拟合了测试结果,并对测试结果进行了分析。     

热等静压对NbTi/Cu多芯超导线加工过程的影响

采用传统方法生产的NbTi/Cu多芯超导线在生产芯数较多的超导线时存在填充系数较大的问题,这直接影响了芯丝的整齐排布,所以组装完成后加入热等静压过程.研究了经过热等静压和未经过热等静压的NbTi/Cu多芯超导线的加工性能.经过试验证明,经过100～150MP,2小时热等静压处理的NbTi/Cu多芯超导线坯锭在加工过程中具有良好的加工性能,提高了超导线复合坯锭的成品率;而未经过热等静压处理的NbTi/Cu多芯超导线坯锭加工性能较差,坯锭内部缺陷较多.     

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.     

加工和热处理对NbTi50/Cu复合超导线材临界电流密度的影响

对一种超导材料而言,临界电流密度(J_c)是衡量其制作磁体高性能和经济性的重要标志。自从发现铌钛合金块状样品具有超导性以来,人们一直在力图寻求提高其临界电流密度的方法。由磁钉扎模型推演归结的重要结果和关系为:(1)J_c∝1/H;(2)J_c∝(T_c—T_2)~2;(3)J_c∝Josephson隧道壁的数量/单位长度。这意味着,要获得高的J_c,超导合金既要有高的H_(c_2),又要具有尽可能高的T_c,以及需要有引入起磁钉作用的常导区域(非超导相、位错、品界、杂质等)。对于NbTi50合金,第三项函数关系是极为重要的。根据超导理论,临界电流密度与合金组织中存在的微细磁钉扎常导区域密切相关,而常导区域的大小和分布主要受冷变形和时效热处理的影响。冷变形和时效热处理是NbTi50/Cu复合超导材料的临界电流密度的决定因素。为此,我们对NbTi50/Cu复合超导材料的强烈冷变形,中间时效以及最终变形对其临界电流密度的影响进行了研究,以期获得高的临界电流密度。     

EAST装置15kA高温超导电流引线研发

低温超导磁体采用高温超导电流引线能显著降低制冷系统的造价和运行费用.正在建造中的大型超导托卡马克核聚变试验装置(EAST)需要一对16kA和12对15kA电流引线.所研发的电流引线采用美国超导(AMSC)公司提供的Bi-2223/Ag-Au带材, 每5条超导带组成单元叠,与不锈钢支撑圆筒表面50个槽软钎焊成超导段.支撑筒两端铜接头,温端与铜电流引线段丝扣连接并低温钎焊;冷端与100根NbTi/Cu超导线直接锡铅钎焊.冷端采用4K超临界氦流冷却;温端正常运行温度为78K,用液氮冷却.设计要求在此冷却条件下的临界电流大于16kA.78～290K铜电流引线采用3头螺旋槽换热器,冷氮气冷却.为提高电流引线的安全性,在高温超导段温端贮存适量液氮作为热沉,大大增加电流引线被烧毁的时间常数.     

铝稳定超导线的研究

本文介绍了一种检测铝稳定超导线的 Cu/NbTi 复合线与铝基材之间结合情况的特殊方法,描述了采用该种导线制成的线圈模型及其纵向和横向失超传播速度的计算和实测结果.研究表明,电流由超导体流向常导基材的所谓“转移长度”是恰当表征该种导线铜与铝基材之间结合状况的重要物理量;计算和实测的失超传播速度为了解这种铝稳定超导线的失超传播性能提供了一定的依据.     

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基于当前应用较广泛的应变下临界电流测量装置Pacman,利用有限元方法对应变盘及超导线进行受力分析,得到了超导线轴向及横向的应变分布情况。结合Nb3Sn超导线偏应变临界电流定标律,分析了在两种极限假设情况(低丝间电阻和高丝间电阻)下超导线截面应变分布对临界电流的影响。     

“三测量点”确定NbTi/Cu复合超导线材分流温度

分流温度(Tcs)是指超导磁体在特定的工作磁场与电流下,当温度升高,超导体中的电流开始流向基体材料时的温度.本文测量了在不同磁场,不同温度时多个测量条件下ITER用NbTi/Cu复合超导线材样品临界电流密度的值,Jc=F(B,T);根据线材不同的使用条件,总结出"三测量点"确定NbTi/Cu线材分流温度的简便方法,对比导体短样分流温度的测量结果,进一步验证了"三测量点"测量线材分流温度并预测导体分流温度的可行性.它为线材制造商及时了解工艺改进效果提供了有力依据.     

低能离子对高温超导YBa_2Cu_3O_(7-δ)薄膜的表面改性和机理

低能氩离子束轰击并后退火处理的离子束表面改性,会影响高温超导薄膜的表面结构和超导特性,但是其中的深刻微观机理不清楚.本文通过连续改变离子束轰击时间,系统研究了离子束表面改性对于超导膜结构和临界电流密度的影响.通过扫描电子显微镜、X射线衍射、J_(c-scanning)测试表征样品的结构特性和超导特性,并得出内应变、氧空位缺陷等参量.研究表明,经过表面改性的钇钡铜氧(YBa_2Cu_3O_(7-δ),YBCO)薄膜,随轰击时间增加表面形貌会变得更加均匀致密,a轴晶粒消失,并且临界电流密度有了显著的提高.由化学键收缩配对模型分析得出,临界电流密度的提高与薄膜内应变增大和引发的局部YBCO结构中Cu—O键收缩有关.     

Nb_3Sn超导线弯曲应变对临界电流影响研究

Nb3Sn超导线现为大型工程科研项目如国际热核聚变反应堆(ITER),强磁场项目等磁体的基本材料之一.由于A15相的脆性,受力作用下Nb3Sn超导体超导性能会发生严重退化.在ITER用管内电缆导体(CICC)中,股线受到电磁力作用时会产生弯曲应变.为研究弯曲应变对超导线的临界电流影响,我们对ITER标准临界电流测试骨架中间部位开槽,使股线在通电过程中产生循环的弯曲应变,并测试得到其临界电流.结合Nb3Sn超导线偏应变临界电流定标律,分析在两种极限假设情况(低丝间电阻和高丝间电阻)下超导线弯曲应变对临界电流的影响,并与骨架开槽实验结果进行比较.     

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。     

热处理和添加元素对MgB2晶畴尺寸和微观应变的影响

用X射线衍射仪和扫描电镜研究了热处理温度和添加元素(Ti, Zr)对单相MgB2粉末样品的晶畴尺寸和微观应变的影响.结果表明,无论是没添加的还是添加了合金元素的MgB2样品,随热处理温度的升高晶畴尺寸明显增大.在同样处理制度下,添加元素样品的晶畴尺寸明显小于不添加的样品.随热处理温度的升高,微观应变有降低的趋势.晶畴尺寸的测试结果与扫描电镜的观测结果表现出很好的一致性.实验说明,添加元素(Ti, Zr)MgB2样品临界电流密度的提高,与晶格畸变增加,晶畴尺寸变小,晶界增多,导致钉扎力增加有关.     

基于微观结构的Cu互连电迁移失效研究

提出了一种基于微观晶粒尺寸分布的Cu互连电迁移失效寿命模型. 结合透射电子显微镜和统计失效分析技术, 研究了Cu互连电迁移失效尺寸缩小和临界长度效应及其物理机制. 研究表明, 当互连线宽度减小, 其平均晶粒尺寸下降并导致互连电迁移寿命降低. 小于临界长度的互连线无法提供足够的空位使得铜晶粒耗尽而发生失效. 当互连长度大于该临界长度时, 在整个电迁移测试时间内, 部分体积较小的阴极端铜晶粒出现耗尽情况. 随着互连长度的增加该失效比例迅速增大, 电迁移失效寿命减小. 当互连长度远大于扩散长度时, 失效时间主要取决于铜晶粒的尺寸, 且失效寿命和比例随晶粒尺寸变化呈现饱和的波动状态. 关键词： Cu 互连 电迁移 微观结构     

Nb-50wt%Ti超导合金的临界电流及钉扎机构

采用多次时效工艺制成了最佳性能的NbTi 50超导多芯线.给出了在4.2 K下,场强接近B_c_2时的临界电流,以及透射电镜的观察结果.结合上述结果对其中的磁通钉扎机构作了详细的讨论.从而弄清了多次时效工艺的理论根据.作者指出:为了进一步提高NbTi 50合金的高场临界电流密度J_c,除了有细化的亚带和αTi沉淀外,还必须控制高场下磁通的切交流动.     

NbTi-Cu多芯超导体爆炸焊接

本文报导了NbTi-Cu多芯超导体的爆炸焊接工艺及接头样品性能. 介绍了爆炸焊接装置以及为确定配置方法和焊接参数而进行的试验工作. 对两种截面的超导体(7×3.6mm,Cu:NbTi=10,204芯和3.6×1.8 mm,Cu:NbTi=5,174芯)进行了大量地爆炸焊接试验,焊接的超导体接头是令人满意的.包括NbTi芯丝在内,各组元均实现了良好的冶金结合,接头部位经简单修理与该导体尺寸、形状相同.接头具有优良的弯曲性能和足够高的抗拉强度(室温时为33.1 kg/mm~2,液氮时为43.6 kg/mm~2,分别达到了该导体在相同条件下抗拉强度的97.3％和100％).截面积为3.6×1.8mm,超导体的接头在4.2K,5T场强下,临界电流为1801A,达到了该导体在相同条件下I临界电流的90％.该项研究成果可用来焊接相似截面的超导体.