具有Al基护套的基于MgB制造技术

护套(3)是一种材料，其由铝(Al)基质组成，其中纳米氧化铝粒子(Al

MGB based with Al based sheath

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有Al基护套的基于MgB2芯的超导体线材和它的生产方法
本专利技术涉及一种轻质超导线材，其基于用由低密度的铝(Al)基复合材料制成的护套稳定化的二硼化镁(MgB2)芯。Al复合护套满足了苛刻和矛盾的要求，这是因为它在技术上允许制造基于MgB2芯的超轻细超导线材，同时它提供了超导体操作所需的适当的机械和电学特性。本专利技术描述了一种以低的生产成本制造具有Al复合护套的超导体的方法。
技术介绍
超导效应可以用于许多应用中，例如太空计划、航空航天领域和能源工业中，其中出于多种原因，需要包括超导线材的装置的低旋转和总重量。在这些应用中超导体的重量低确保了移动装置的效率更高、功耗更低、速度和加速度更高。现今，超导体设计，例如基于NbTi和Nb3Sn的超导体设计使用具有合适的电学和机械特性的铜(Cu)护套。然而，形成超导线材的显著体积部分的Cu护套加剧了NbTi和Nb3Sn超导芯的已经高的重量。使用其它金属和合金作为护套材料，例如铌(Nb)或钢，也会导致超导线材的高重量。在所有已知的超导材料中，MgB2是最轻的超导材料，其密度是例如Nb3Sn的约1/3。因此，自然而然地基于MgB2超导芯来设计轻质超导线材。然而，同样在基于MgB2的超导体的情况下，利用Cu护套的技术方案也是已知的。很自然的是，密度不到1/3的Al似乎是取代Cu的理想替代物。然而，只有在超导体的壳层中使用Al的一般描述是已知的。根据US20020198111A1和WO2014109803A2的技术方案描述了一种用于连续生产含有超导材料，特别是MgB2的超导线材(管)的方法。金属条进入成型和填充装置，首先将它成形成U形轮廓，然后将它用MgB2粉末填充，然后通过成形工具，其中将它成型成封闭的O形管，之后对它进行热处理。该公开内容的金属条材料可以是包括Al的金属。公开说明书US5089455A公开了用于各种应用，例如超导体的包括氧化铝(Al2O3)的各种材料的柔性无机烧结结构的生产。在根据JP2008083065A的示例性实施方案中公开的是，描述了在表面上具有二氧化硅或Al2O3的绝缘层的基于MgB2的超导体。JPH05144626A公开了用于超导线材的绝缘材料的制造，其中一种组分是Al2O3。US2009156410A1公开了通过将MgB2粉末引入到管中来生产MgB2带材或线材，其中管的材料也可以是Al。类似地，US2009170710A1描述了在护套中的MgB2超导线材，并且它的材料也可以是Al。使用Al作为基于轻质MgB2超导材料的超导材料的主要动机是显著成倍减轻超导体的重量。然而，在MgB2超导体中实际使用Al会导致基本的技术问题和约束。这特别是由于两个原因，即纯Al的熔点相对较低(约655℃-660℃)并且纯Al的机械强度不足以用于MgB2超导体的生产和操作。尚不知如下的具体实施方案，其中将使用Al、Al合金或Al基复合材料作为在存在任选的阻挡层的情况下覆盖超导MgB2芯的护套材料，并且同时，超导线材将实现为它的操作所必需的所需机械、电学和热特性。在用于制备超导MgB2线材的各种技术方法中，所谓的原位“粉末装管”(PIT)技术是优选的，这是因为与通过先位PIT制造的线材相比，它相对简单并且具有低的合成温度，在小磁场中的临界电流密度更高。在通过原位PIT生产线材期间，镁(Mg)和硼(B)组分在护套管内以元素粉末的混合物形式变形，可选地使用或不使用扩散阻挡层(通常是钽(Ta)、Nb、钛(Ti)、铁(Fe))。优选的是，稍作修改的方法，即所谓的“中心Mg扩散(IMD)至B”，其中使用镁线代替镁粉来生产具有显著增加的密度和临界电流密度的MgB2芯。护套材料必须具有足够的机械强度和可成形性以在通过通常实施的变形技术的组合，如挤出、旋锻、孔型轧制、拉伸等制造其期间提供细线材的芯中Mg组分和B组分沿它的整个长度的所期望的均匀和强烈的变形和压实。随后，在接近Mg熔融的温度(即约650℃)下进行退火期间通过Mg组分与B组分之间的反应在变形线材的芯中形成MgB2。如果使用充分机械研磨的镁粉和硼粉的混合物，那么可以将反应合成温度降低到600℃-625℃，但是这种方法无法产生通过IMD制备的MgB2超导芯的吸引人的特性。纯的锻铝具有不足的机械强度并且因此不可能在加工期间向芯中的Mg组分和B组分分配足够的塑性变形。在密集加工操作期间塑性应变主要发生在Al护套内，Mg+B芯最终仍不充分致密化和变形。这严格限制了加工过程并且使在制造线材期间线材的芯的稳定化变得复杂。此外，在其中超导体存在强机械张力的一些应用中，当在低温条件下操作时，纯锻铝的低机械强度不足以使超导MgB2芯在机械上稳定。例如，这些是在高场超导磁体中的应用，其中大电磁力作用于线圈中的单个螺线上并且用于传递非常大的电流。此外，在使用退火的超导体进行机械操作期间，例如在将超导体线材卷绕成更小直径的线圈期间，需要高强度和延展性，以确保脆性MgB2芯的完整性而避免在芯中和芯-护套(阻挡层)界面处产生裂纹，这将导致传输电流的明显减少。同时，由于纯Al的熔点低，因此在形成MgB2芯期间可能发生Al的熔融并且导致线材完整性的丧失。通过将Mg与B之间的反应温度降低到尽可能接近Mg的熔点，只能部分地解决该问题，但不能充分解决该问题。然而，以下事实使这种方法变得复杂，即Mg+B反应是放热的并且在MgB2合成期间反应热会增加局部温度。将强度高于纯锻铝的强度的铝合金用于护套也是不可能的。这是因为适用于加工的标准Al合金具有比纯Al甚至更低的熔点或局部共晶的熔融温度起始，即<655℃-660℃。即使在更低的温度下，这也将会导致在MgB2合成期间超导体(局部)熔融并且失去尺寸完整性。此外，标准锻铝合金在高于约550℃的温度(即远低于MgB2芯合成的温度)下在结构上是不稳定的，从而导致不期望的微观结构变化，如晶粒生长、合金元素的偏析、存在相的粗化，并且因此，失去它们良好的机械特性。最后但并非最不重要的是，铝合金具有显著增加的电阻和热阻，这会导致超导体线材的电阻不期望地增加。由密度显著低于Cu的密度，理想地在纯Al的密度水平(即约2.7g·cm-3)上的轻质材料制成的超导体护套的新实施方案是所期望的并且是未知的，这还提供了有利的机械、电学和热特性，并且对于大规模生产基于MgB2的芯超导线材将是技术上可行的。
技术实现思路
上述缺点在很大程度上由具有MgB2芯和由Al基复合材料制成的护套的超导体所消除，其中根据本专利技术，所述护套覆盖至少一个MgB2芯，所述护套和所述芯被薄扩散阻挡层隔开或没有被薄扩散阻挡层隔开，所述扩散阻挡层可以由各种材料(例如Ti、Ta、Nb、Fe)制成，本专利技术的主要构思在于以下事实，即通过将Al复合材料以管的形式成形来制备所述超导体护套，所述复合管是粉末冶金(PM)的产品，其中所述护套的加工的Al复合材料的微观结构由近微米或亚微米Al晶粒组成并且通过在Al基质中原位形成的少量均匀分散的纳米Al2O3粒子而稳定化。本专利技术的基本特征是通过PM生产Al复合材料，除了所用技术的优势之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有Al基护套的基于MgB

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170519 SK PP50037-20171.具有Al基护套的基于MgB2芯的超导体线材，其包括基于二硼化镁(MgB2)的超导芯(1)和基于铝(Al)的外护套(3)，其中所述超导体具有小于2.9g·cm-3的密度，并且同时所述超导体包括至少一个芯(1)并且护套(3)完全覆盖所述线材的外表面，
其特征在于
所述外护套(3)是复合材料，其由纯Al的金属基质和氧化铝(Al2O3)的稳定化组分组成，
在Al+Al2O3复合护套(3)的体积中：
Al2O3组分占0.25体积％至5体积％，
Al基质占95体积％至99.75体积％，
并且杂质占最多1体积％，优选地最多0.3体积％，
同时Al2O3组分均匀分散在Al+Al2O3复合材料的整个体积中。


2.根据权利要求1所述的具有Al基护套的基于MgB2芯的超导体线材，其特征在于Al2O3组分在Al+Al2O3复合材料的体积中占0.5体积％至3体积％。


3.根据权利要求1或2所述的具有Al基护套的基于MgB2芯的超导体线材，其特征在于所述线材具有小于2.7g·cm-3的总体密度。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的具有Al基护套的基于MgB2芯的超导体线材，其特征在于所述护套(3)由Al+Al2O3复合管制成，所述复合管是粉末冶金的直接产品或通过机械加工所述粉末冶金产品来生产，其中所述粉末冶金产品是通过将雾化的Al粉固结来制造的。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的具有Al基护套的基于MgB2芯的超导体线材，其特征在于Al2O3组分源于薄原生表面层，其钝化了用于固结的所述Al粉。


6.根据权利要求1至3中任一项所述的具有Al基护套的基于MgB2芯的超导体线材，其特征在于所述护套(3)由Al+Al2O3复合管制成，所述复合管是粉末冶金的直接产品或通过机械加工所述粉末冶金产品来生产，其中所述粉末冶金产品是通过将机械研磨的Al粉和Al2O3粉的混合物固结来制造的。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的具有Al基护套的基于MgB2芯的超导体线材，其特征在于Al+Al2O3复合护套(3)中的Al2O3组分具有小于250nm，优选地小于50nm的至少一个特征尺寸。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的具有Al基护套的基于MgB2芯的超导体线材，其特征在于最终Al+Al2O3复合护套(3)中的Al晶粒具有小于10μm，优选地小于1μm并且甚至更优选地小于900nm的横向晶粒尺寸。


9.根据权利要求1至8中任一项所述的具有Al基护套的基于MgB2芯的超导体线材，其特征在于Al2O3组分是纳米结晶Al2O3弥散相，其位于所述Al晶粒间界处和/或所述Al晶粒内部。


10.根据权利要求1至9中任一项所述的具有Al基护套的基于MgB2芯的超导体线材，其特征在于它包括扩散阻挡层(2)，所述扩散阻挡层(2)具有在所述芯(1)与所述护套(3)之间的界面处的层的形式。


11.根据权利要求10所述的具有Al基护套的基于MgB2芯的超导体线材，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·巴洛格，P·克里泽克，P·柯凡克，I·赫塞克，L·科佩拉，A·罗苏瓦，
申请(专利权)人：斯洛伐克科学院机械工程材料研究所，电气技术学院，
类型：发明
国别省市：斯洛伐克;SK