[发明专利]一种改良型Nb3

说明书

本发明公开了一种改良型Nb₃Al前驱体线材及其制备方法，包括：采用无中心Nb棒的方式，将Nb箔和Al箔自卷绕成Nb‑Al复合棒；并将该Nb‑Al复合棒装入Ta管，并用孔型轧制方法加工Ta/Nb‑Al单芯棒；随后，将Ta/Nb‑Al单芯棒和中心Nb棒装入含Ta或Nb阻隔层的二次复合Cu‑Ni包套管；最后通过挤压或拉拔的方法将上述复合体加工成线材，即获得高品质的多芯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，各项性能指标与常规方法制得线材的各项性能指标相当，因此导线成品率更高、线材制备成本更低。

技术领域

本发明属于超导材料技术领域，具体涉及一种改良型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。

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）在目前现有的制备工艺中，如果不采用Ta阻隔层，导线绕制成磁体后，磁体在励磁过程中存在失超（即：磁通不稳定）的风险；但是如果采用现有工艺增加Ta阻隔层，导线加工过程中会存在频繁断线的问题，量产过程中成品率，导致线材加工昂贵，从而限制了它的应用。

（3）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。该方法是在Nb箔和Al箔卷绕完后装入一次金属包套管，随后静液挤压和拉拔加工，获得单芯棒；然后通过单芯棒组装后装入二次包套管，再次进行静液挤压后，获得二次挤压的复合棒材，随后加工成多芯线材。