[发明专利]极细多芯低温超导线带用的铜合金

说明书

本发明属于铜合金，尤其与低温超导线带用的铜合金有关。

目前在实际应用领域内使用的超导材料主要是在液氦温区的低温超导材料，其中NbTi超导材料占每年实用超导材料用量的90%以上，达数百吨的数量级，对NbTi超导材料的要求除了需继续提高其临界电流密度外，多芯线中的芯线直径也要求越来越细。如超导超级对撞机工程用的多芯NbTi线中的芯丝直径要细达2.5微米左右，芯丝间的距离约0.38微米，要想制得性能良好的多芯超导材料，除了要求NbTi芯丝本身的性能之外，作为基体材料的铜材应具有良好的导电性能及磁性能。

最常用的基体材料是纯铜，纯铜无磁性，又具有极好的导电性，即极低的电阻率和较高的剩余电阻比（R.R.R.室温电阻率与4.2K电阻率之比）。兼具这两种性能的纯铜作为超导线带的基体材料的不足之处是用其制成的极细多芯超导线带中有明显的邻近耦合效应。这种耦合会明显降低超导材料的稳定性。为了克服这种耦合，E.W.Collings等人提出在铜基体中添加少量磁性介质Mn.Fe.Cr等（Advances    in    Cryogenic    Engineering    Materials.Vol.34，1988.P.867～878），利用这些磁性元素原子自旋磁矩的反转对于超导电子的散射克服这种邻近耦合效应。这类铜合金虽可明显克服邻近效应的耦合，但它在4.2K下的低温电阻率比纯铜有明显增加，如在纯铜中添加0.5%锰的铜合金，其在4.2K下的低温电阻率比纯铜增加了一个数量级，导热率也随之变差，这显然不利于铜基体对超导材料的稳定作用，使用这种铜合金作为极细多芯超导线带的铜基体时，为满足对其稳定性的要求，必须在这种铜基体的外面再复纯铜，同时为防止纯铜和铜锰合金间的扩散，还要增设防扩散隔层，这势必会增加超导线带的成本、增大线带的铜比、降低线带的载流能力，同时也使超导线带的结构和生产工艺复杂化。

本发明的目的是要设计一种适合极细多芯低温超导线带用的铜合金，这种铜合金具有磁性，但其低温电性能明显优于已有的添加少量磁性介质的铜合金。

本发明的铜合金由铜和0.05-0.7%（重量）稀土元素组成，稀土元素是Gd（钆）、Er（铒）、Nd（钕）、Dy（镝）中的一种。

Gd、Er、Nd、Dy属于磁性的稀土元素，由稀土元素和铜组成的铜合金具有使用意义的初始磁化率，即具有在低温下通过自旋磁转矩反转对于超导电子进行散射的能力。一般情况下纯铜中加入添加元素后都会不同程度地降低纯铜的导电、导热性能，因此必须控制其添加量，以得到较好的电和磁的综合性能。衡量本发明铜合金的电磁性能的参数有初始磁化率X、室温电阻率ρr、低温电阻率ρ4.2K及剩余电阻比R、R、R.

为了制得成份均匀的本发明铜合金，稀土元素都以中间合金的形式加入，中间合金可以是根据稀土元素和铜的二元相图中的各种成份的脆性相，以便于破碎。本发明的铜合金采用常用的铜合金熔炼、铸造和加工工序可制成各种规格的菅、棒、线、材。

向纯铜中加入0.05重量%的稀土元素就使本发明的铜合金具有了使用意义的初始磁化率，随着稀土元素加入量的增加，初始磁化率了也随之增大，同时合金的电阻率也随之增大，剩余电阻比随之下降，在极细多芯超导线带中常用的纯铜基体的剩余电阻比R、R、R.一般不低于30，因此稀土元素的添加量不超过0.7重量%。其中以加入0.1-0.5（重量%）稀土元素的铜合金具有较好的综合性能。

本发明的铜合金具有良好的电和磁的综合性能。即使添加0.05重量%的稀土元素的本发明的铜合金就具有使用意义的初始磁化率值，尤其是添加Gd（钆）的铜合金，添加0.05Gd重量%的铜合金的初始磁化率就可与添加0.3重量%锰的铜合金的值相当。此外，在赋予本发明合金的初始磁化率的同时，对其电阻率的影响又较小，例如在铜中添加0.1Gd重量%后，对铜在4.2K下的低温电阻率几乎没有什么影响。即使是对电阻率影响最大的Er（铒），以0.1重量%加入铜中后，其低温电阻率也仅增加18%，而同样的加入量，锰对铜的影响就大的多，它在4.2K下的电阻率约为纯铜的16倍。由于本发明的铜合金具有上述优点，因此这种铜合金特别适合用作在4.2K下使用的极细多芯NbTi超导线带或Nb3Sn，V3Ga等超导线带的铜基体，尤其适用于超导芯丝直径小于10微米、芯丝间隔极小的多芯线带。

下面将通过非限定性实施例对本发明的实施方式及其效果作进一步描述。