Nb_3Sn扩散薄膜的研究

本文叙述对Nb_3Sn扩散薄膜的一项包括高场临界电流机制,合金元素作用机制等内容在内的综合性实验研究。     

Ti对Nb管富Sn法多芯Nb_3Sn超导转变温度T_c的影响

利用电阻法和电感法分别测量了不掺Ti和不同掺Ti量的一组Nb管富Sn法多芯Nb_3Sn样品的超导转变温度T_c,结果表明,掺Ti提高多芯Nb_3Sn T_c的主要原因是掺Ti以后改善了Nb_3Sn的冷收缩应力。     

较低温扩散法Nb_3Sn带绕制成十万高斯超导磁体

北京大学物理系学员和教师,开门办学、厂校挂钩,发扬自力更生的革命精神,研制成功在650—750℃的温度下生产超导Nb_3Sn长带的一种工艺。并用这种方法生产的2.5毫米和5毫米宽的超导带绕制成十万高斯场强的小型超导磁体。 磁体由内外两个同轴螺线管组成,其示意图和主要参数如下:     

扩散Nb_3Sn薄膜中晶界的TEM研究

Nb_3Sn层中的晶界是影响临界电流的重要微结构因素.对扩散Nb_3Sn薄膜的TEM研究表明有尺度分别在10~3A与10~2A的两种大小不同的晶粒.很大面积的叠栅条纹证明有与扩散方向大体上正交的大量晶界.其中,取向差20°的大角度扭转晶界给出间距小到15A的极细密叠栅条纹.初步讨论了这种晶界形成的可能原因.     

MF Nb/Cu挤压管法制备MF Nb_3Sn化合物超导线材工艺的实用性

曾报道过研究“MF Nb/Cu挤压复合管富Sn中心扩散法制备 MF Nb_3Sn超导线材工艺”的初步结果:1)线材容易加工;2)在4—6 T场强下,短样的有效临界电流密度高。美国IGC的Schwall等人用同样的方法制备 MF Nb_3Sn超导线材(作者称“Sn芯法”);日本三菱公司的 Yoshizaki等人先制成 MF Nb/Cu挤压复合棒,然后在棒的中心沿轴向钻孔,获得MF Nb/Cu复合管,用以制备MF Nb_3Sn超导线材(作者称“内Sn扩散法”)。     

添加元素Ti、In对Nb管富Sn法Nb_3Sn生长特性和超导性能的影响

采用Nb管和高Sn含量的Cu-Sn,Cu-Sn-Ti,Cu-Sn-In合金之间的内扩散法制备了Nb_3Sn多芯超导复合线,研究了Nb_3Sn反应扩散热处理条件和添加元素Ti、In对Nb_3Sn反应层生长动力学、组织结构和超导性能的影响。结果表明:母材中添加适量的第三元素Ti或In均提高Nb_3Sn反应层生长速率,与In相比,Ti的效果更为显著.添Ti样品的T_c值在母材添Ti量为0.4w/o处出现峰值,比末添Ti样品的T_c值升高0.3K.添Ti样品的H_(c2)(o)值随母材添Ti量增加单调提高,当母材添Ti量为0.76w/o时,其H_(c2)(o)值由未添Ti样品的21T提高到大约29T.在4.2K和15T脉冲背景磁场(脉冲上升时间t_m=10ms)下,添Ti和添In样品的J_c(non Cu)值分别可达6×10~4Acm~(-2)和2.5×10~4Acm~(-2).     

Nb/Nb_3Sn复合超导材料的高压电子显微镜观察

用1000kV高压电子显微镜观察了单芯和多芯Nb/Nb_3Sn复合材料的显微组织,看到了由Nb_3Sn/Nb_3Sn晶粒重叠而成的叠栅图和Nb基体/Nb_3Sn晶粒重叠而成的叠栅图。     

套管法Nb_3Al前驱线中Nb/Al界面扩散反应过程

利用套管法制备了Nb-Al七芯前驱体线材,并通过等温热处理的方式分别在700~1500℃对其进行热处理,研究了Nb-Al二元体系在其界面处的反应成相过程.研究发现700℃热处理的样品在其界面处只形成了NbAl3反应层;800~900℃热处理的样品界面处又形成一层Nb:Al≈1:1新反应层;随着热处理温度的增加到1000℃,界面处出现Nb2Al反应层,并随热处理温度的增加Nb2Al反应层的厚度增加;1400℃和1500℃热处理的样品中开始观察到了少量的Nb3Al相,磁性测量表明1400℃和1500℃条件下热处理样品的起始超导转变温度分别为14K和15.8K,说明套管法制备的Nb-Al前驱体线材在1400℃以上热处理可以获得Nb3Al超导相,但由于Nb3Al相中的Al含量偏离理想化学计量比,导致其超导转变温度偏低.     

计算多芯Nb_3Sn扩散层厚度的数学模型

本文对94组用青铜法制备的多芯Nb_3Sn扩散层厚度的实测数据,在TQ-16型电子计算机上进行逐步回归分析,得到了一个计算多芯Nb_3Sn扩散层厚度的最优回归模型 式中y——Nb_3Sn层厚(μm) x_1——热处理时间(hr/100) x_2——热处理温度(℃/100) x_3——青铜基体锡含量(Wt.％×100) x_4——青铜基体与铌芯的体积比 x_5——复合线中铌芯直径(mm) x_6——复合线中铌芯数目(芯数/100)该回归模型的复相关指数R=0.969,剩余均方差σ=0.263(μm),F检验值为110.模型高度显著,可用于预测与控制.文中还讨论了根据该模型寻求形成Nb_3Sn的最佳热处理制度区域问题.为材料工作者提供了选择工艺参数的依据.     

添加元素In、Ga对富Sn法Nb_3Sn反应扩散过程和超导临界特性的影响

本文主要报道添加元素In、Ga对Nb管富Sn法Nb_3Sn反应扩散热处理过程和超导临界特性的影响的初步结果。     

有限元法模拟Nb_3Sn线材的应变分布

Nb3Sn超导磁体正常运行时,复合超导线材将受到大的机械载荷(如温度载荷、轴向拉伸和电磁力),其超导电性可能发生可逆和不可逆的退化。针对Nb3Sn线材经高温热处理后冷却到4.2K所产生的热应变,对复合线材结构建立详细的三维有限元分析模型,解决了一维模型不能详细模拟应变分布的问题,从微观尺度仿真了导体内部的应变分布,阐明了导体不同组份材料上热应变分布的特点。在此基础上,进一步分析了对Nb3Sn复合导线施加轴向拉力时,内部Nb3Sn芯丝上由压应变向拉伸应变的转换过程。     

Nb_3Sn微型电缆中的应力效应

本微型电缆是一种柔性予反应导体。为保证其机械性能,采用了低温短时的热处理制度(650～700℃/10—15h)。但却获得了高的高场性能。这是由于微型电缆中钼丝的热收缩与Nb_3Sn热收缩正确地匹配,它几乎完全抵销了Nb_3Sn原来承受的压缩应变,从而使微型电缆获得高的高场性能。     

Nb_3Sn超导相的微观组织表征与Sn扩散的研究

CICC导体作为45T混合磁体外超导磁体的重要绕制材料,其所用的超导股线是由牛津公司提供的RRP法制备的高临界电流Nb_3Sn超导线材。由于Nb_3Sn超导相为典型的A15结构,其塑性非常差,所以在实际工程应用当中,往往是采用先绕制线圈,然后对绕制好的线圈进行热处理,进而生成Nb_3Sn超导相。因此,热处理制度的合理制定对于Nb_3Sn超导相的微观组织结构和超导性能具有非常重要的意义。为了验证热处理故障对超导磁体性能的影响,研究制定了三种不同的热处理制度,利用SEM方法对其生成的Nb_3Sn超导相进行微观组织的表征,通过EDS分析Sn元素的扩散;结合Ic值和RRR值的测定结果,对比分析不同热处理制度对Nb_3Sn股线微观组织与性能的影响。     

Nb_3Sn超导磁体的稳定性

我们曾对国产Nb-Ti磁体的退化和在快速励磁条件下的稳定性及其失超动力学,进行了实验研究。这里将在上述工作中证明是克服Nb-Ti磁体机械退化行之有效的措施,应用于国产汽相沉积Nb_3Sn带绕制的磁体中,并把Nb_3Sn磁体与Nb-Ti磁体组装,研究Nb_3Sn磁体的横场(H_(?))、纵场(H_(?))动态稳定性和低场不稳定性。同时给出了室温拉伸对短样I_c的影响。     

Nb_3Sn超导电磁铁

本文报导了关于筒形Nb_3Sn磁体的研究结果。观察到磁通跳跃现象。“冻结”场的分布和历史及激发场的分布紧密相关。“冻结”场可以不是中心对称的,这进一步证明了烧结的Nb_3Sn材料是非均匀介质。 我们描述了新的磁体结构,避免了磁通跳跃。除利用铁心来捕获磁通外,在激发和测量磁场的方法上均具有一定的特点。 利用圆筒状Nb_3Sn作为压挤磁通的活塞,在1.5°K时,曾获得的最高场强是28.5KG。     

Nb_3Sn/Cu复合导体分流温度的定量计算

铌三锡是高磁场下实用的一种低温超导材料,分流温度是超导磁体的关键设计参数。文中采用超导体幂指数模型,定量计算了绝热条件下柱状铌三锡复合导体的分流温度,计算结果与现有的分流温度估算公式结果相符;另外还分别讨论了幂指数模型的中的指数n以及磁场对铌三锡复合导体分流温度的影响。结果可以为无液氦直接冷却系统中超导磁体的相关低温技术研究提供一定的数据参考。     

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。     

Nb_3Sn掺铜的显微结构

前言 Nb_3Sn是A-15化合物中的一个重要超导材料,有较高的H_(c2)(230kG)、T_c(18K)和J_c(在100kG场强下为2.6×10~(5)A.cm~(-2)),继Nb_(3)Sn掺ZrO_(2)颗粒的方法改善了J_c)性能之后叫,J.S.Caslaw期望加入第三元素引起反应动力学的改变来阻止或加快Nb_3Sn的形成达到影响其结构与性能. 结果发现在含有ZrO_2粒的铌基带上加铜扩散形成Nb_3Sn时,反应速度加快。J_c性能也几乎提高一倍. 形成Nb_3Sn的反应速度与锡的扩散速度成正比,所以,反应速度加快实际上意味着锡在铌三锡中的扩散速度加快.金属与合金中的内吸附研究表明,少量具有内表面活性的元素在合金中能显著改变某种元素的扩散速度,即:如果对B元素(或合金)而言,A元素不是内表面活性的,而C元素是内表面活性的,当加入C元素时,便会大大加速(或     

Nb_3Sn的热电势率

我们测量了Nb_3Sn从4.2K到273K的绝对热电势率,结果表明在18 K以上,Nb_3Sn的热电势率都是正的.在60K左右,观察到由于声子曳引引起的平坦的峰.第一次观察到在超导临界温度附近,热电势率也有一个明显的转变过程.     

NbTi、Nb_3Sn超导线拉伸性能研究

超导线材的力学特性是决定超导线使用性能的主要因素之一.超导电缆绞制过程中的张力、扭矩,和电缆载流时产生的电磁力都会使超导线发生各种应变,从而对其临界性能造成影响.因此研究单根超导线的力学性能对分析预测超导电缆的临界性能有重要参考意义.本文主要对以Nb系低温超导材料为基础的NbTi、Nb3Sn超导线在不同温区进行了拉伸实验,测得不同种类、不同状态的超导线在不同温度下的杨氏模量和抗拉强度.并对部分实验结果进行了对比分析和数值拟合.