[发明专利]一种高载流密度、低损耗的Nb3

说明书

本发明公开了一种高载流密度、低损耗的Nb₃Al前驱体线材及其制备方法，该方法包括：（1）将无中心Nb棒的Nb箔和Al箔卷绕成Nb‑Al复合体，并将其装入Ta阻隔层管，随后将Ta/Nb‑Al复合体加工成六角形的Ta/Nb‑Al一次复合棒；（2）将若干根Ta/Nb‑Al一次复合棒装入包含Ta或Nb阻隔层的Cu‑Ni合金管，加工成六角形的Ta/Nb‑Al二次复合棒；（3）将若干根Ta/Nb‑Al二次复合棒装入包含Ta或Nb阻隔层的Cu‑Ni合金管，加工成Cu‑Ni包套的Ta/Nb‑Al三次复合棒；（4）将三次复合棒通过轧制或拉拔的方式，加工成多芯线材，即获得高载流密度低损耗的Nb₃Al前驱体线材。该方法制备的Nb₃Al线材，塑性加工过程中不容易断线，载流性能较好，损耗更低，因此更有利于强磁场领域高场磁体应用。

技术领域

本发明属于超导材料技术领域，具体涉及一种高载流密度、低损耗的Nb₃Al前驱体线材及其制备方法。

背景技术

由于具有更好的应力-应变容许特性，优良的高场载流密度性能，铌三铝（Nb₃Al）低温超导体，被认为是未来铌三锡（Nb₃Sn）超导体的替代材料；在磁场强度15 T（特斯拉）的高能粒子加速器、核磁共振谱仪（NMR）、以及磁约束核聚变（ITER）等较多领域高场超导磁体应用上有着巨大的商业潜力。

目前，高载流密度的Nb₃Sn超导线材通常采用内锡法制备，但是内锡法Nb₃Sn线材在工程应用上，存在以下困难：（1）应力-应变作用下超导载流性能衰减很快；由于内锡法Nb₃Sn线材在热处理时，Sn源会经过Cu的通道向Nb扩散，最后在Nb位置生成Nb₃Sn超导体；因此，原先Sn所在的位置会留下尺寸较大的孔洞，从而严重影响线材的应力-应变容许特性；（2）热处理时间长；由于铌三锡属于晶界钉轧超导体，为了降低超导体晶粒尺寸，通常采用低温、长时间的热处理工艺，因此热处理时间需要200小时；磁体制作工艺复杂、磁体失败风险大。为了解决以上高场超导磁体制作工艺的困难，下一代大型高场超导磁体将采用Nb₃Al超导线材或电缆导体绕制而成。

通常的Nb₃Al前驱体线材，采用Nb中心棒，Nb箔和Al箔卷绕的方法制备成单芯棒，随后将若干根单芯棒装入二次包套管中，经过静液挤压的方法加工成多芯Nb₃Al前驱体线材。同时，为了解决Nb₃Al前驱体线材低温、较低磁场下磁通不稳定的难题，在现有的Nb₃Al前驱体线材制作工艺中，还会在Nb箔和Al箔卷绕结束后，然卷绕2-3层的Ta箔，作为多芯线材中Nb₃Al芯丝之间的阻隔层。实际上，当超导芯丝尺寸越细小、芯丝数量越多时，就越有利于获得热稳定性高的Nb₃Al超导线材，更有利于高场超导磁体的应用。

但是，在以上现有的Nb₃Al前驱体线材制作工艺中，工程化大批量制备会存在以下难题：

（1）临界电流（I_c）性能相比于高场RRP内锡法Nb₃Sn线材仍然偏低；在强磁场领域应用过程中，导线具有更高的临界电流，意味着同样尺寸的超导磁体，可以励磁产生具有更高的磁场；因此，临界电流性能偏低是目前限制Nb₃Al超导线材规模化应用的主要原因之一。

（2）采用两次静液挤压是目前常规的制作Nb₃Al前驱体线材公认有效的方式，这种方式能最大限度地在室温条件下，保证Nb箔和Al箔之间的良好结合。但是，由于室温静液挤压对设备要求很高，尤其二次静液挤压力非常巨大，甚至超过1000 MPa，而我国当前缺乏大型的静液挤压设备，从而限制了该材料的大规模工程应用。