[发明专利]一种锡掺杂提高低温烧结铌三铝临界电流密度的方法

说明书

本发明提出一种锡掺杂提高低温烧结铌三铝临界电流密度的方法。将纯Nb粉、纯Al粉和纯Sn粉按原子比例Nb₃(Al_1‑xSn_x)称量，x为0.10～0.35，混合倒入球磨罐中；磨球和混合粉末质量比9～11:1，球磨罐密封；球磨罐装载在球磨机上，转速为350～450rad/min球磨，得到Nb‑Al‑Sn预合金粉末；将预合金粉末压片并真空封入石英管中，将石英管进行烧结，烧结温度800～900℃，烧结完成后随炉冷却得到掺杂Sn的Nb₃Al超导体。本发明得到超导体其临界电流密度J_c在1.6×10⁴A·cm^‑2～1.6×10⁵A·cm^‑2(4.2K，5T)之间，比未掺杂Nb₃Al提高1～2个数量级。

技术领域

本发明提出了一种锡掺杂提高低温烧结铌三铝临界电流密度的方法，属于超导技术领域。

背景技术

铌三铝(Nb₃Al)超导材料具有良好的超导性能，更重要的是其应力应变容许性能优势明显，能在较高的应力下依然保持良好的传输电流的能力，被认为是制备长距离输电线的理想材料。另外，Nb₃Al超导材料也可以较好地应用在条件严刻的航空航天、探测器等精密的高科技产业当中。

制备Nb₃Al超导材料的传统方法一般有快速加热快速凝固法、雾化法和激光熔炼法等，这类方法所需的热处理温度通常高于1000℃，能耗大、资源利用率不高，因此不适宜大规模生产。而采用球磨法与后续低温烧结相结合的方法制备Nb₃Al超导材料，不仅设备易得、工艺过程简单，其热处理温度也显著降低(低于900℃)。而且该法还可以制备出纳米级的Nb₃Al晶粒，能够显著改善其载流能力，因而是一种非常节约能耗、适用于大规模工业化生产的方法。

尽管前期已有报道称通过球磨加后期烧结成功合成了Nb₃Al超导相，但其超导性能却通常较低。临界电流密度J_c是超导性能的重要参数之一，它代表的是超导材料在外场下的电流传输能力，这往往决定着超导材料是否可以实际应用。根据前期文献报道可知，通过球磨加后期烧结得到Nb₃Al超导相的J_c仅为10³A·cm^-2(4.2K，5T)。J_c值低意味着传输电流的能力较差，这直接导致其不能实际应用。为了改善球磨法制备的Nb₃Al的超导性能，许多研究者尝试在Nb-Al二元体系中添加第三组元。有研究表明，第三组元掺杂可以改善Nb₃Al的临界转变温度T_c，但其对于J_c的影响的研究却很少。根据近期Phase formation andsuperconducting properties of mechanically alloyed Nb₃(Al_1-xGe_x)system(Superconductor Science and Technology,29(2016),075001)一文的报道，Ge掺杂后Nb₃Al的J_c提高到1.5×10⁴A·cm^-2(4.2K，5T)，但其需要的烧结温度却高达1100℃，这与我们利用球磨法降低其烧结温度的初衷背道而驰。

基于以上背景，为进一步提高Nb₃Al的J_c并保证后续烧结温度维持在低温水平，我们提出了一种锡掺杂提高低温烧结铌三铝临界电流密度的方法。该方法的烧结温度仅为800～900℃，由该法得到的Nb₃Al的J_c为1.6×10⁴A·cm^-2～1.6×10⁵A·cm^-2(4.2K，5T)。