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).     

MRI用低铜比NbTi超导线材组织和性能

本文以高均匀性Nb47Ti合金锭和高纯无氧铜为原材料,制备了铜比为1.0,Φ0.846mm的MRI(Magnetic Resonance Imaging)用低铜比NbTi/Cu超导线.研究了最终应变和间隔应变对MRI用NbTi/Cu超导线微观组织和临界电流密度的影响.测试结果表明:时效3次时,最终应变在3.0~4.4之间,随最终应变增大,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;最终应变相同的条件下,增大间隔应变会导致临界电流密度的降低.经过工艺优化后,临界电流密度最高为3208A/mm2(4.2K,5T,判据0.1μV/cm).微观组织观察表明:临界电流密度最高时,α-Ti沉淀相呈褶皱弯曲状,并弥散的分布在β-NbTi基体之上.     

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.     

“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.     

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。     

NbTi/Cu超导线最佳临界电流密度的研究

本文全面地研究了在冷加工和热处理多次交替进行中时效温度、时效时间、时效次数、次数分配、最后一次时效后最终冷变形量等对NbTi/Cu多芯复合线J_c的影响.以上各因素的适当地调整和匹配是获得最佳J_c的关键.选用适宜的各种因素的试验结果得到了最佳J_c=4.0×10~5A/cm~2(4.2K,5T).小批量试制的线材的J_c为2.5—3.0×10~5A/cm~2(4.2K、5T).     

NbTi50超导合金熔铸新工艺的研究

研究了熔铸NbTi50超导合金的新工艺.合金的部分过程包括了真空壳式炉熔铸.试验的结果证明,较过去用合金轧片消除锭中铌不熔块的方法,能有效地除去NbTi50合金锭中的铌不熔块,简化工序,减少原材料损耗,促进合金均匀化.此外,有利于工业化生产,且提高合金的成品率.最终改善合金的加工性能.及NbTi50/Cu复合线材的超导性能     

15 T NbTi/Nb3Sn超导磁体的设计

提出了一个冷孔直径150 mm、中心磁场为15 T的NbTi/Nb_3Sn超导磁体电磁结构。分析了超导磁体各线圈中磁场的分布规律,结合超导材料临界性能,得到了超导磁体的运行电磁裕度。针对线圈结构组份材料的机械性能,采用平均有限元法仿真了超导磁体的应力/应变,最大环向应力和应变分别为112 MPa和0.297%。该结果表明了超导Nb_3Sn线圈中的应力/应变处于合理水平。     

能产生15T磁场的多芯Nb_3Sn导体的冶金与超导性能

本文报道了导体的冶金与超导性能。导体的临界电流密度J_c(4.2K)达到9.0 ×10_4A/cm_2(10T)、5.8×10~4A/cm_2(12T)、1.7×10_4A/Cm_2(16T);上临界磁场H_(c2)~*(外推)为～22T(4.2K);超导转变温度T_c在17.5—17.9K范围;在室温弯曲直径大于或等于100倍线材导体直径时,J_c无退降。使用先绕制后扩散反应的方法成功地制作出了多芯Nb_3Sn螺管超导磁体,此超导磁体在12.8T的背场下,总场达到15.2T。本研究结果意味着,采用这种导体制作15T的实用高场超导磁体是可能的。     

韧性A-15超导材料的唯象理论分析

众所周知,A-15型超导材料Nb~3Sn等在超导特性上此合金型超导材料NbTi更加优越。但是,由于A-15型A_3B是脆性化合物,存在临界电流密度随形变退化问题,所以严重障碍它在大型实用超导磁体上的使用。随着大型实用超导磁体的发展,对工作温度和工作场强要求不断提高,探索韧性A-15超导材料研究工作的现实重要意义是十分明显的。 C.C.Tsuci首先提出含A-15丝富铜的韧性超导体问题,现在发展成为一种新型的制备A-15超导材料的工艺方法。基于不连续的V_3Ga在Cu基体中微料之间有一定的耦合超导电流这一实验事实,本文对得到韧性A-15超导材料的可能性和设计判据进行了唯象的理论分析。     

一种实验用交流超导磁体的研制

该文介绍了用于探测线圈法测量超导材料交流损耗的一种交流超导磁体的设计、加工与绕制。超导磁体设计采用成熟的螺线管磁体技术,磁体骨架为低温环氧树脂加工而成,所用超导线为NbTi/Cu复合超导绞线。为了满足磁体的稳定性,每两层超导线间留出了一条冷却通道。所绕磁体的磁场强度和均匀度都满足设计要求。     

一种制备A15化合物超导材料的新方法——微细多芯Nb/Cu挤压复合管富Sn中心扩散法

研究“微细多芯Nb/Cu挤压复合管富Sn中心扩散法”制备Nb_3Sn化合物超导材料,经700℃/24h反应扩散,样品的临界全电流密度Jc(4.2k,6.0T)=3.2×10~5A/cm~2,临界转变温度Tc=17.53k.     

先位粉末套管法制备MgB2/Fe线材的超导性能研究

采用先位法将MgB2粉装入纯铁管中,制备出MgB2/Fe超导线材.用X射线衍射仪和扫描电子显微镜分析了样品的物相组成和显微结构;用SQUID测量了样品的超导转变温度;用标准四引线法测量了短样的临界电流.结果显示,超导样品的临界转变温度约为38.3 K,在4.2 K/4 T下MgB2/Fe线材的临界电流密度为～104A/cm2.研究结果表明,高温退火有效地减少了冷加工过程中产生的应力,改善了晶粒连接性,提高了芯材的致密度,可以显著地提高先位法制备线材的临界电流密度.     

用于快脉冲超导磁铁的液氦内冷电缆的设计（英文）

中科院近代物理所提出的强流重离子加速器装置将使用快脉冲超导磁铁技术。为了获得快脉冲磁铁运行的稳定性,研制了适用于快脉冲运行的液氦内冷电缆。该电缆采用超临界氦进行迫流冷却,具有交流损耗低、所用液氦少和冷却效率高的特点,是研制快脉冲超导磁铁的关键技术之一。文中主要介绍电缆的设计和交流损耗并简单描述电缆的加工。用于绞缆的超导线材的性能决定了电缆的性能,因此首先进行超导线的研制。通过研制三种不同基体(纯铜基、铜镍基和铜锰基)的超导线材,以获取低损耗和高临界电流的超导线,进而得到运行稳定性高的电缆。当背景磁场变化为0T-3T-0T时,测得三种线材的磁滞损耗分别为29.7m J/cm3,18.8m J/cm3和26m J/cm3。超导线的耦合损耗很大程度上取决于横向电阻率的大小,相比纯铜基的线材铜镍基和铜锰基体的横向电阻率较大,因此耦合损耗小。在4.2K温度时不同磁场下铜基线的临界电流要高于另外两种线材,但铜锰基体线材的临界电流要略高于铜镍基线材。通过比较三种线材的性能,选用铜锰基体线材进行绞缆较为适合。     

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。     

用多芯Nb/Cu挤压管法Nb_3Sn超导复合线制成13T实用超导磁体

实验证实了用“MF Nb/Cu挤压管法”超导复合线制作13T实用Nb_3Sn/Nb-Ti超导磁体的可行性。净孔径为φ40mm的复合磁体,在4.2K,中心场强达到11.0T;净孔径为φ18mm的复合磁体,在4.2K,中心场强达到13.0T,此时内绕组中的Nb_3Sn 复合线的全临界电流密度J(cw)=310A/mm_2,与短样性能相一致。     

122型铁基超导线带材实用化研究进展

在种类众多的新型铁基超导材料中,122型铁基超导体具有高转变温度、超高上临界场、低各向异性、高临界电流密度等优点,因此成为高场应用领域最具竞争力的铁基超导材料.目前122型铁基超导线带材在4.2 K,10 T下的传输临界电流密度已经超过10⁵A/cm²这一实用化门槛值,表现出十分广阔的应用前景.本文回顾了新型铁基超导体的发现及发展历程,结合122型铁基超导体的自身特点,就如何制备高性能122型铁基超导线带材展开讨论,同时对粉末装管法制备流程中影响线带材性能的几大关键因素进行了详细分析.重点介绍了近年来122型铁基超导线带材的实用化研究进展,包括高强度线带材的制备、圆线的研制、多芯线材及长线的制备、超导接头的研究、力学性能及各向异性的研究等.对122型铁基超导线带材实用化研究进行了总结,并对其未来的发展趋势进行了展望.     

面向高场应用的铁基超导材料

铁基超导体的上临界磁场可达100 T以上,并具有较小的各向异性、简单的制备工艺等突出优点,在核磁共振成像(MRI)、核磁共振谱仪(NMR)及高场超导磁体等领域具有重要的应用前景。目前铁基超导材料正处于快速发展的研发阶段,低成本的粉末装管法已广泛应用于铁基超导线带材的制备,临界传输电流密度在4.2 K和10 T下超过10~5A/cm~2;最近世界首根百米量级铁基超导长线的成功研制进一步奠定了铁基超导材料在强电领域的应用基础。本文首先介绍了铁基超导材料的典型结构与基本超导特性,接着以粉末装管工艺流程为主线,从影响铁基线带材临界电流密度的关键因素:相纯度、晶界弱连接以及致密度等方面入手,详细评述了国内外铁基超导线带材制备的最新研究进展。在此基础上,分析当前研究中存在的问题,并提出进一步改善传输性能的可能对策,最后对铁基超导材料的发展趋势进行了展望。     

超导股线Nb3Sn的性能测试研究

随着超导磁体的不断开发应用,对高临界电流密度超导材料的需求不断增长,以金属间化合物为基体的超导材料Nb3Sn具有特殊的实际意义,其制成的导体临界性能高于NbTi导体,Nb3Sn股线也是ITER磁体的关键组成部分.为了选择超导磁体合适的运行参数以及确定其稳定运行的范围,了解其超导特性是必要的.根据磁体设计所用标准,磁体运行时性能与股线的性能密切相关.本文介绍了一种测试Nb3Sn股线临界性能的方法,实验采用四引线法进行,测试中对样品提供了一个垂直方向的背景磁场,其大小可从0 T变化到16 T,实验时样品置于变温杜瓦内,温度调节通过控制进入变温杜瓦的氦气量来实现,可使温度变化小于0.01 K.对测试结果运用Summer定理进行了拟合并加以分析.     

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.