[发明专利]一种中心镁扩散法制备单芯MgB2超导线材的方法

说明书

技术领域

本发明属于超导材料加工工程技术领域，具体涉及一种MgB₂超导线材的制备方法。

背景技术

MgB₂的超导临界转变温度(T_c)高达39K，同时具有较高的临界电流密度(J_c)，其超导机制可用BCS理论解释。与传统低温超导和氧化物高温超导体不同，MgB₂超导材料具有十分简单的化学组成和晶体结构，无弱连接影响，并且晶界能承载较高的电流。同时，MgB₂超导磁体可在制冷机温度下工作，这样不仅降低了设备的运行成本，而且从根本上解决了氦资源匮乏问题，使其在电力、交通和医疗等领域拥有广阔的应用前景。目前普遍认为MgB₂材料在工作温度20K、1～3T的磁场范围内具有很明显的技术优势，有希望在这一工作区域替代传统低温和氧化物高温超导材料。

一般构成氧化物高温超导体的化学元素昂贵，合成的超导材料脆性大，难以加工成线材，而硼和镁的价格低廉，且容易制成线材。目前国际上MgB₂超导线材的主流制备技术主要包括以意大利Columbus Superconductor公司为代表的传统粉末套管法(PIT)以及以美国Hyper Tech公司为代表的连续填充成型技术(CTFF)。杨芳等在《一种单芯MgB₂超导线/带材的制备方法》(CN201410346380)中采用粉末套管法，通过旋锻和拉拔工艺制备出了芯丝致密度较高、连接性较好的MgB₂超导线材，但其前驱粉末需在氩气气氛下进行高温预处理，对设备要求较高，同时原材料Nb管及微米级Ti粉成本也较高。《Microstructures and critical currents of single-and multi-filamentary MgB₂ superconducting wires fabricated by an internal Mg diffusion process》一文中，日本国立材料科学院(NIMS)的K.Togano等人利用中心镁扩散法,在Ta管中心固定一根高纯镁棒，然后将硼粉及其他掺杂粉末填充到Ta管和Mg棒之间,通过轧制、拉拔成功制备了7芯、19芯等不同导体结构的MgB₂超导线材，该工艺制备的多芯线材粉芯致密度较高，中高场下性能明显优于传统PIT法及CTFF法制备所得的多芯MgB₂超导线材，反应层J_c值在20K、1T下高达3.3×10⁵A/cm²，但该工艺中为了防止粉芯与包套反应而作为隔离层大量采用的Ta管过于昂贵，且Ta管与中心镁棒间的间隙偏小，也容易造成实际填粉过程中的困难。Hur.J M等人也在《Fabrication ofhigh-performance MgB₂ wires by an internal Mg diffusion process》一文中利用中心镁扩散法制备出了SiC掺杂后的MgB₂/Fe包套超导线材，采用670℃真空烧结后得到在4.2K，10T下J_C为4.1×10⁴A/cm²的线材，该数据也远高于用传统PIT法生产的超导线材。而国内对镁扩散法的研究及应用则大部分集中在超导块材领域，有关中心镁扩散法在线材方面的研究，白质明等在《镁扩散法制备6芯MgB₂超导线材的制备方法》(CN103956222A)中采用粉末套管法，以镁棒为定心棒的铌管作为内芯阻隔层减少粉芯与包套反应，Cu-Nb复合棒作为芯棒起到纤维增强作用提高了线材的机械强度，而无氧Cu管作为外包套稳定层有着高热导率以及优良的机械加工性能，嵌套后利用拉拔和轧制相结合的技术制备出致密度较高的6芯MgB₂超导线材，但该工艺采用Nb管、合金棒等多种金属作为原料，不但结合工艺复杂，成本也相对较高，同时其采用Ar气氛保护烧结，虽然一定程度上避免了镁粉烧损，但对设备要求较高，而5-9h的烧结工艺耗时也相对较长。综上所述，采用镁扩散法能够有效提高MgB₂超导线材在中、高场下的电性能，但现有的上述镁扩散制备MgB₂线材工艺都存在原料及设备成本过高、工艺操作复杂、产品周期较长等实际生产问题。

发明内容