原位粉末套管法制備高性能MgB2-Nb-Cu線材的研究.pdf

1、2001年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)金屬間化合物二硼化鎂(MgB2)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)39K，達(dá)到了BCS理論傳統(tǒng)超導(dǎo)體的極限，引起了人們極大的興趣。與鈣鈦礦類結(jié)構(gòu)的氧化物高溫超導(dǎo)材料相比，MgB2超導(dǎo)體具有以下優(yōu)勢(shì):晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原材料成本較低，各向異性小，相干長度大，晶界對(duì)輸運(yùn)電流的抑制不明顯，可以承載很高電流。因此，被認(rèn)為在20K左右溫區(qū)，無液氦制冷條件MRI應(yīng)用領(lǐng)域有顯著的優(yōu)勢(shì)。但是，目前存在三個(gè)問題影響MgB2的實(shí)際應(yīng)用:第一，其臨界電流

2、密度Jc隨外場(chǎng)升高迅速降低;第二，MgB2在原位粉末套管法(in-situ PIT)制備中，金屬阻隔層會(huì)與前驅(qū)粉反應(yīng)，生成的擴(kuò)散層使線材的傳輸超導(dǎo)電性發(fā)生退降;第三，MgB2線材的機(jī)械性能較差，制約了其磁體應(yīng)用范圍。所以，如何采取有效手段，提高M(jìn)gB2線材的磁場(chǎng)載流能力，抑制界面反應(yīng)，增強(qiáng)線材的力學(xué)性能，使其更好地滿足實(shí)際應(yīng)用需要，成為實(shí)用化超導(dǎo)材料的研究熱點(diǎn)。所以，本論文的研究工作主要為下述三方面:
　　第一，本文研究了無定形納

3、米碳粉摻雜對(duì)MgB2線材結(jié)構(gòu)和性能的影響。用in-situPIT制備了不同C摻雜量的MgB2線材。結(jié)果表明，對(duì)于MgB2-xCx(x=0，0.05，0.10，0.15)線材樣品，隨C摻雜量增大，MgB2(110)峰向高角方向漂移，(002)峰基本不變，說明摻雜C主要取代MgB2晶體結(jié)構(gòu)中的B原子位置，引起a軸晶格常數(shù)減小，由于對(duì)Mg原子層影響不大，所以c軸晶格常數(shù)不變。同時(shí)，無定形納米C摻雜會(huì)抑制MgB2的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc，表現(xiàn)在Tc隨

4、摻雜量的增大而降低，x=0.1的C摻雜量，可有效改善MgB2線材的性能。而熱處理溫度的升高有利于C原子進(jìn)入MgB2晶體結(jié)構(gòu)，更好地起到摻雜和替代的作用。
　　第二，通過Nb-B擴(kuò)散偶首次詳細(xì)研究了前驅(qū)粉B與金屬Nb在燒結(jié)時(shí)的擴(kuò)散行為。Nb-B擴(kuò)散偶結(jié)果表明，在低于650℃的熱處理中，Nb-B擴(kuò)散層不可見，750℃時(shí)，Nb-B輕微擴(kuò)散，隨熱處理溫度升高，Nb-B擴(kuò)散層增厚，Nb-B界面層產(chǎn)物主要是NbB2，還有少量的NbB，正是這兩

5、種產(chǎn)物阻礙了超導(dǎo)電流的傳輸。高溫（高于850℃）處理的樣品，Nb-B界面層出現(xiàn)非常明顯且厚的擴(kuò)散層，可以阻斷超導(dǎo)電流進(jìn)入MgB2芯絲。根據(jù)Nb-B擴(kuò)散偶的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們微量調(diào)整前驅(qū)粉Mg∶B的比例，從一定程度上，抑制了in-situ PIT制備MgB2/Nb/Cu線帶材中Nb-B的擴(kuò)散行為，達(dá)到了改善傳輸超導(dǎo)電性的目的。結(jié)果顯示，對(duì)于750℃和850、950℃熱處理，最佳的Mg∶B比例分別是1.03∶2和1.05∶2。
　　第三，

6、本論文首次研究了不同導(dǎo)體結(jié)構(gòu)線材的機(jī)械性能。發(fā)現(xiàn)6芯線材的室溫拉伸強(qiáng)度最大，同時(shí)，它的抗彎曲性能也是最優(yōu)的。并在此基礎(chǔ)上，對(duì)比了三種不同增強(qiáng)材料(Cu、Cu-Nb、NbTi)對(duì)提高線材整體機(jī)械性能的影響。SEM和應(yīng)力應(yīng)變曲線等結(jié)果均表明:用于脈沖磁體的高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Nb微觀復(fù)合材料非常適合作為MgB2線帶材的增強(qiáng)芯。相比之下，Cu質(zhì)地軟，對(duì)線材的增強(qiáng)作用不大，而NbTi又過硬，不利于拉拔加工進(jìn)行，退火對(duì)改善NbTi增強(qiáng)線材加工連續(xù)性的效

7、果也不明顯。750℃處理的Cu-Nb增強(qiáng)線材屈服強(qiáng)度在結(jié)果樣品中是最大的。傳輸電性結(jié)果表明，在20K，1.5T測(cè)試條件下，70MPa拉伸應(yīng)力前后，其臨界電流值Ic均超過190A，同時(shí)，10～30K，零場(chǎng)下其電阻率也是最低的。根據(jù)簡(jiǎn)化計(jì)算，750℃的Cu-Nb增強(qiáng)線材機(jī)械性能達(dá)到了1T磁場(chǎng)以下的應(yīng)用要求。
　　由于高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Nb微觀復(fù)合材料的力學(xué)性能受Nb芯絲尺寸的影響很大，所以，我們根據(jù)Cu-Nb材料在拉拔加工中硬化嚴(yán)重的特點(diǎn)

8、，引入合理的中間退火處理以去除應(yīng)力，制備了一系列不同芯數(shù)結(jié)構(gòu)Cu-Nb材料增強(qiáng)的6芯MgB2圓線，分別是91芯Cu-Nb、853芯Cu-Nb和8532(853×853)芯Cu-Nb增強(qiáng)的MgB2圓線。通過這種方式，使MgB2線材在保持傳輸超導(dǎo)電性的基礎(chǔ)上，同時(shí)具有Cu-Nb材料的高強(qiáng)度優(yōu)點(diǎn)。熱處理前后，增強(qiáng)線材樣品的室溫拉伸結(jié)果如我們預(yù)料一致，Cu-Nb增強(qiáng)芯中Nb芯絲的細(xì)化從很大程度上改善了MgB2復(fù)合線的力學(xué)性能。但是，在提高機(jī)械性