超導(dǎo)線材的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超導(dǎo)材料加工工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種MgB2超導(dǎo)線材的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MgB2的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度(T。)高達(dá)39K，同時具有較高的臨界電流密度(J。)，其超導(dǎo)機(jī)制可用BCS理論解釋。與傳統(tǒng)低溫超導(dǎo)和氧化物高溫超導(dǎo)體不同，MgB2超導(dǎo)材料具有十分簡單的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)，無弱連接影響，并且晶界能承載較高的電流。同時，MgB2超導(dǎo)磁體可在制冷機(jī)溫度下工作，這樣不僅降低了設(shè)備的運(yùn)行成本，而且從根本上解決了氦資源匱乏問題，使其在電力、交通和醫(yī)療等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。目前普遍認(rèn)為MgB2材料在工作溫度20K、1?3Τ的磁場范圍內(nèi)具有很明顯的技術(shù)優(yōu)勢，有希望在這一工作區(qū)域替代傳統(tǒng)低溫和氧化物高溫超導(dǎo)材料。
[0003]一般構(gòu)成氧化物高溫超導(dǎo)體的化學(xué)元素昂貴，合成的超導(dǎo)材料脆性大，難以加工成線材，而硼和鎂的價格低廉，且容易制成線材。目前國際上MgB2超導(dǎo)線材的主流制備技術(shù)主要包括以意大利Columbus Superconductor公司為代表的傳統(tǒng)粉末套管法(PIT)以及以美國Hyper Tech公司為代表的連續(xù)填充成型技術(shù)(CTFF)。楊芳等在《一種單芯MgB2超導(dǎo)線/帶材的制備方法》(CN201410346380)中采用粉末套管法，通過旋鍛和拉拔工藝制備出了芯絲致密度較高、連接性較好的1882超導(dǎo)線材，但其前驅(qū)粉末需在氬氣氣氛下進(jìn)行高溫預(yù)處理，對設(shè)備要求較高，同時原材料Nb管及微米級Ti粉成本也較高。《Microstructuresand critical currents of single-and mult1-filamentary MgB2 superconductingwires fabricated by an internal Mg diffus1n process》一文中，日本國立材料科學(xué)院(NMS)的K.Togano等人利用中心鎂擴(kuò)散法，在Ta管中心固定一根高純鎂棒，然后將硼粉及其他摻雜粉末填充到Ta管和Mg棒之間，通過軋制、拉拔成功制備了 7芯、19芯等不同導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的1882超導(dǎo)線材，該工藝制備的多芯線材粉芯致密度較高，中高場下性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PIT法及CTFF法制備所得的多芯MgB2超導(dǎo)線材，反應(yīng)層J。值在20K、1T下高達(dá)3.3X105A/cm2，但該工藝中為了防止粉芯與包套反應(yīng)而作為隔離層大量采用的Ta管過于昂貴，且Ta管與中心鎂棒間的間隙偏小，也容易造成實(shí)際填粉過程中的困難。Hur.J M等人也在《Fabricat1n ofhigh-performance MgB2 wires by an internal Mg diffus1nprocess)) 一文中利用中心鎂擴(kuò)散法制備出了 SiC摻雜后的MgB2/Fe包套超導(dǎo)線材，采用670°C真空燒結(jié)后得到在4.2K，10T下J。為4.1 X 10 4A/cm2的線材，該數(shù)據(jù)也遠(yuǎn)高于用傳統(tǒng)PIT法生產(chǎn)的超導(dǎo)線材。而國內(nèi)對鎂擴(kuò)散法的研宄及應(yīng)用則大部分集中在超導(dǎo)塊材領(lǐng)域，有關(guān)中心鎂擴(kuò)散法在線材方面的研宄，白質(zhì)明等在《鎂擴(kuò)散法制備6芯MgB2超導(dǎo)線材的制備方法》(CN103956222A)中采用粉末套管法，以鎂棒為定心棒的鈮管作為內(nèi)芯阻隔層減少粉芯與包套反應(yīng)，Cu-Nb復(fù)合棒作為芯棒起到纖維增強(qiáng)作用提高了線材的機(jī)械強(qiáng)度，而無氧Cu管作為外包套穩(wěn)定層有著高熱導(dǎo)率以及優(yōu)良的機(jī)械加工性能，嵌套后利用拉拔和軋制相結(jié)合的技術(shù)制備出致密度較高的6芯1%82超導(dǎo)線材，但該工藝采用Nb管、合金棒等多種金屬作為原料，不但結(jié)合工藝復(fù)雜，成本也相對較高，同時其采用Ar氣氛保護(hù)燒結(jié)，雖然一定程度上避免了鎂粉燒損，但對設(shè)備要求較高，而5-9h的燒結(jié)工藝耗時也相對較長。綜上所述，采用鎂擴(kuò)散法能夠有效提高M(jìn)gB2超導(dǎo)線材在中、高場下的電性能，但現(xiàn)有的上述鎂擴(kuò)散制備1882線材工藝都存在原料及設(shè)備成本過高、工藝操作復(fù)雜、產(chǎn)品周期較長等實(shí)際生產(chǎn)冋題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的在于針對上述技術(shù)中的不足，提供一種中心鎂擴(kuò)散法制備單芯1882超導(dǎo)線材的方法，具體來講:采用了低碳鋼作為包套材料，成本較為合理，同時也保證了線材的機(jī)械強(qiáng)度與加工性能；采用了箱式爐退火和快速燒結(jié)工藝，生產(chǎn)周期較短，同時成品線材粉芯與包套間反應(yīng)層很薄對超導(dǎo)電性幾乎沒有影響。該方法操作簡易，實(shí)現(xiàn)方便，提供了一種可以快速高效制備出高臨界電流密度、高粉芯致密度的MgB2單芯超導(dǎo)線材的方法。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明的一種中心鎂擴(kuò)散法制備單芯MgB2超導(dǎo)線材的方法包括以下步驟:
[0006]步驟1、在氬氣保護(hù)環(huán)境下的手套箱中稱取摩爾比例為0:2?1:2的Mg粉和B粉作為原料混合裝入真空球磨罐中，然后按照原料與研磨球質(zhì)量比為1:3?1:5的比例放入研磨球，最后將裝有原料和研磨球的球磨罐密封后取出手套箱并固定至行星式球磨機(jī)上，設(shè)定球磨時間為3h?5h，且每球磨Ih暫停1min?15min，篩除研磨球后，得到球磨后的原料粉末；
[0007]步驟2、將原料低碳鋼管用濃度9%?10%的稀鹽酸浸泡并清洗其內(nèi)外壁，隨后用濃度12%?14%的亞硝酸鈉對其進(jìn)行鈍化處理；
[0008]步驟3、將直徑為1.8mm?2.4mm的鎂棒表面用砂紙打磨至光亮，并用酒精擦拭晾干;
[0009]步驟4、將鎂棒固定于低碳鋼管的中心位置，并用漏斗將步驟I球磨后的原料粉末填入低碳鋼管和鎂棒之間的空隙中，采用振動裝置以5-20HZ的振動頻率進(jìn)行振動并用搗棒壓實(shí)，裝填完畢后用密封膠密封低碳鋼管兩端；
[0010]步驟5、對步驟4中完成填粉后的低碳鋼管進(jìn)行拉拔，拉拔的初始5?10個道次采用直拉，道次加工率為20%?30%，剩余道次采用盤拉，道次加工率為8%?15% ;
[0011]步驟6、對累計加工變形率達(dá)到80%?90%的線材進(jìn)行中間退火，退火工藝為箱式電阻爐內(nèi)550°C?650°C保溫1min?20min ；
[0012]步驟7、通過拉拔和中間退火得到直徑0.95mm?1.05mm、芯部組成為Mg、B混合粉的低碳鋼包套線材，將該線材置于箱式電阻爐采取800°C?900°C保溫1min?20min的快速燒結(jié)工藝即可獲得MgB2/Fe單芯超導(dǎo)線材；所得MgB2/Fe單芯超導(dǎo)線材在2T下1K和20K時的臨界電流密度J。分別高達(dá)1.2X10 Vcm2和4.1X10 Vcm20
[0013]其中:
[0014]步驟I所述的Mg粉為霧化鎂粉，純度為98wt %?99.83wt %,粒徑為5 μπι?25 μ m。所述的B粉為無定型硼粉，純度為95wt%? 97wt%，粒徑為0.4 μ m?0.6 μ m。所述的充滿氬氣的手套箱嚴(yán)格控制箱體環(huán)境，氧含量<50ppm，水含量<50ppm。
[0015]步驟2所述的低碳鋼的碳含量為0.07wt%? 0.13wt%, Si含量(λ 17wt %?0.3wt %，Mn 含量 0.35wt % ?0.6wt %，P 含量〈0.03wt %，S 含量〈0.03wt %。
[0016]步驟3所述的鎂棒的純度為99.9%?99.99%。
[0017]所述的鎂棒加鎂粉的鎂元素總量同硼粉所含硼元素總量的原子比例為1:2。
[0018]有益效果:
[0019]1、采用本發(fā)明的制備工藝，能夠有效提高成品線材內(nèi)部粉芯的致密度，提升線材的超導(dǎo)電性能尤其是中、高場下的超導(dǎo)電性能，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。
[0020]2、采用本發(fā)明的制備工藝，制備出的MgB2/Fe單芯超導(dǎo)線材在2T下1K和20K時的臨界電流密度J。分別高達(dá)1.2X10 5A/cm2和4.1X10 4A/cm2ο
[0021]3、本發(fā)明采用箱式電阻爐退火和快速燒結(jié)工藝，設(shè)備簡單、操作便捷；直接采用低碳鋼管作為包套材料，加工方便、成本低廉，便于實(shí)際生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0022]圖1為制備出的MgB2/Fe單芯超導(dǎo)線材在1K和20K時的臨界電流密度曲線。
[0023]圖2為制備出的MgB2/Fe單芯超導(dǎo)線材的內(nèi)部粉芯SEM微觀形貌圖，從圖中可以看出內(nèi)部粉芯的致密度較高。
[0024]圖3為制備出的MgB2/Fe單芯超導(dǎo)線材的SEM線掃描圖，從圖中可以看出包套邊緣反應(yīng)層很薄，同時內(nèi)部粉芯連通性較好。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明制備單芯1882超導(dǎo)線材的方法包括以下步驟:
[0026]步驟1、在氬氣保護(hù)環(huán)境下的手套箱中稱取摩爾比例為0:2?1:2的Mg粉和B粉作為物料混合裝入真空球磨罐中，然后按照物料同研磨球質(zhì)量比為1:3?1:5的比例放入研磨球，最后將裝有原料粉末和研磨球的球磨罐密封后取出手套箱并固定至行星式球磨機(jī)上，設(shè)定球磨時間為3h?5h，且每球磨Ih暫停1min?15min。
[0027]步驟2、將原料低碳鋼管用濃度9%?10%的稀鹽酸浸泡并清洗其內(nèi)外壁，隨后用濃度12%?14%的亞硝酸鈉對其進(jìn)行鈍化處理。
[0028]步驟3、將直徑為1.8mm?2.4mm的鎂棒表面用砂紙打磨至光亮，并用酒精擦拭晾干。
[0029]步驟4、將鎂棒固定于低碳鋼管的中心位置，并用漏斗將步驟I球磨后的原料粉末填入低碳鋼管和鎂棒之間的空隙中，采用振動裝置以5-20HZ的振動頻率進(jìn)行振動并用搗棒壓實(shí)，裝填完畢后用密封膠密封低碳鋼管兩端。
[0030]步驟5、對步驟4中完成填粉后的低碳鋼管進(jìn)行拉拔。拉拔的初始5?10個道次采用直拉，道次加工率為20%?30%，剩余道次采用盤拉，道次加工率為8%?15% ;
[0031]步驟6、對累計加工變形率達(dá)到80%?90%的線材進(jìn)行中間退火，退火工藝為箱式電阻爐內(nèi)550°C?650°C保溫1min?20min ；
[0032]步驟7、通過拉拔和中間退火得到直徑0.95mm?1.05mm、芯部組成為Mg、B混合粉的低碳鋼包套線材，將線材置于箱式電阻爐采取800°C?900°C保溫1min?20min的快速燒結(jié)工藝即可獲得MgB2/Fe單芯超導(dǎo)線材。所得MgB2/Fe單芯超導(dǎo)線材在2T下1K和20K時的臨界電流密度J。分別高達(dá)1.2 X 10 5A/cm2和4.1 X 10 4A/cm2
[0033]所述的Mg粉為霧化鎂粉，純度為98wt %?99.83wt%,粒徑為5 μ m?25 μ m。
[0034]所述的B粉為無定型硼粉，純度為95wt%? 97wt%，粒徑為0.4 μ m?0.6 μ m。
[0035]所述的充滿氬氣的手套箱嚴(yán)格控制箱體環(huán)境，氧含量<50ppm，水含量<50ppm。
[0036]所述的球磨是在400rpm的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行球磨的。
[0037]所述的低碳鋼的碳含量為0.07wt%? 0.13wt%, Si含量0.17wt%? 0.3wt %, Mn含量 0.35wt % ?0.6wt %，P 含量〈0.03wt %，S 含量〈0.03wt %。
[0038]所述的鎂棒的純度為99.9%?99.99%。
[0039]所述的鎂棒加鎂粉的鎂元素總量同硼粉所含硼元素量的原子比例為1:2。
[0040]實(shí)施例1
[0041]步驟1、在氬氣保護(hù)環(huán)境下的手套箱中稱取純度為95wt%、平均粒徑0.4 μπι的無定型B