一种Nb3Al超导接头制备方法技术

一种Nb3Al超导接头制备方法，制备步骤为：选取组分包括纯Nb和纯Al、或Nb-Al合金和纯Al的原料粉末，通过高能球磨方式制备成Nb-Al超饱和固溶合金粉末，将Nb-Al超饱和固溶合金粉末与待连接的超饱和固溶态的Nb3Al超导线前驱体的端部一起装填入接头管内，并对粉末进行预压实，随后将接头管整体连同Nb3Al超导线前驱体一同进行热处理。热处理完成后制成Nb3Al超导接头。

【技术实现步骤摘要】
一种Nb3AI超导接头制备方法
本专利技术涉及一种超导线连接方法，特别涉及一种适用于急热急冷淬火转变法制得的Nb3Al超导线的超导接头制备方法。
技术介绍
高场超导磁体在诸如核磁共振、ITER热核聚变、高能物理加速器等
起着无可替代的重要应用。在现有超导磁体制备技术中，IOT及以下磁体采用机械延展性能优异的NbTi合金超导线绕制而成。由于NbTi合金的临界磁场较低，IOT以上的更高磁场则需要使用具备更高临界磁场特性的A-15型金属间化合物超导材料建造磁体。现有的10-20T磁体多采用由低温超导体的NbTi合金和Nb3Sn超导体的混合线圈嵌套构成。A-15型金属间化合物Nb3Sn超导材料具有较好的经济性和较高的技术成熟度，但是其缺点在于临界性能有限，且机械性能尤其脆弱。高场磁体线圈要求在承受较大的应力同时能够维持较高的电流密度，同属A-15型晶体结构的金属间化合物的Nb3Al相比Nb3Sn具备超导临界性能高、应力敏感性低、耐辐照性能好等技术优点，有望成为高场核磁共振谱仪超导磁体和未来商用热核聚变装置高场超导磁体的重要材料。Nb3Al超导体股线的制备技术主要包括:固态扩散法、激光/电子束加热法和淬火法等。其中，急热急冷淬火转变法是将Nb/Al混合多丝导线快速加热到约1800°C后淬火处理得到超饱和固溶态的Nb3Al超导线前驱体，然后再进行大约800-900°C扩散热处理得到Nb3Al超导线。由于超饱和固溶态材料具有良好的室温延展性，非常便于线圈绕制，因此是目前一种主要的Nb3Al超导线制备方法。在Nb3Al磁体实际建造过程中需要对线圈进行接头连接处理，超导线的连接是磁体建造过程中的关键技术之一。这些接头位置包括:超导线圈的层间连接、多线圈之间的连接和磁体线圈与电流引线的连接等。对于Nb3Al超导接头性能的要求，一方面接头必须具备优良的机械强度，以应对磁体的预应力、弯曲应力、电磁应力、收缩应力等。另一方面，接头还必须具有较低的电阻，尤其是闭环运行的超导磁体，接头电阻将会导致磁场的衰减。例如在核磁共振谱仪(NMR)磁体中，要求磁场在特定空间尺度分布上保持极高均匀性和时间尺度上保持极高稳定性，以此来提高系统的信噪比和扫描分辨率。其中，空间尺度的均匀性主要依靠电磁设计与精确绕制工艺保障；而时间尺度上的稳定性则是依靠超导开关通过超导接头连接磁体两极，使磁体在闭环状态下得以恒定电流状态运行，通过减少磁体电流衰减来维持磁场的稳定性来保障。当接头电阻恒定时，闭环磁体的磁场强度呈指数衰减。接头电阻越大，磁场衰减越快。一般地，当NMR磁体接头电阻小于IO-11Q时，才能使得系统损耗率小于0.02ppm/hour,保证NMR系统稳定运行。因此控制磁场衰减需要通过尽量降低接头电阻来达到目的。Nb3Al接头的现有技术方面，现仅有日本RIKEN的T.Fukuzaki提出采用焊料法制备Nb3Al超导线接头，但是受制于其超导焊料成分和工艺条件，接头的临界背场只能达到0.4T，实际可用背场只能达到0.1T，并对实际接头使用要求苛刻。现有的采用焊料法制备的Nb3Al超导接头中，在超导接头内的电流路径为两个:沿导线侧面的径向传播方向为:Nb3Al超导线内的Nb3Al芯一Nb3Al超导线的Nb基体一Nb3Al超导线表面的Nb3Sn层一SnPbBi焊料一Nb3Al超导线表面的Nb3Sn层一Nb3Al超导线的Nb基体一Nb3Al超导线内的Nb3Al芯；沿导线端部的电流传播方向为:Nb3Al超导线内的Nb3Al芯一SnPbBi焊料一Nb3Al超导线内的Nb3Al芯。上述两个路径中都需要经过SnPbBi焊料材料，虽然SnPbBi焊料在低温下也具有一定的超导性能，但是其超导临界性能较差，尤其其临界背场较低，在高场下将失去超导性能，从而影响到Nb3Al超导线圈的性能。并且电流沿导线侧面的径向传播方向上需要经过两次Nb3Sn层，Nb3Sn超导材料虽然具备较好的超导性能，但是比Nb3Al超导材料的临界性能稍差，临界磁场和临界电流都比Nb3Al超导材料低，且应力敏感性较高，易产生应力导致的临界性能退化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术Nb3Al超导线超导接头制备技术中质量不稳定、工艺条件复杂苛刻等问题，提出一种新的Nb3Al超导线接头制备方法。本专利技术方法简便，质量稳定，可降低接头电阻。本专利技术可应用于高场核磁共振谱仪超导磁体和未来商用热核聚变装置高场超导磁体的制造过程。本专利技术的技术方案在于:一种Nb3Al超导接头制备方法，其制备步骤为:选取粒径为20-200微米的原料粉末，原料粉末的组分包括纯Nb和纯Al，或Nb-Al合金和纯Al，且原料粉末中的Al和Nb的原子数量配比为3:1 ;将原料粉末放入玛瑙或刚玉球材质的磨罐中，同时放入与磨罐材质相同的磨球，并放入硬脂酸钠粉末作为分散剂，通过高能球磨方式制备成Nb-Al超饱和固溶合金粉末；除去Nb3Al前驱体超导线的外壳材料。将Nb-Al超饱和固溶合金粉末与待连接的超饱和固溶态的Nb3Al超导线前驱体的端部一起装填入接头管内，并对粉末进行预压实，压力范围为5-20MPa ;随后将接头管连同Nb3Al超导线前驱体一同进行热处理，热处理工艺制度为:先加热至180°C保温2小时，这个温度的保温是为了将粉末表面的硬脂酸钠分散剂能够挥发干净，利于粉末的烧结结合；再升温至800-900°C，保温10-80小时，该温度的保温是为了使Nb-Al原子扩散和Nb3Al超导相变的形成，在此温度内Nb3Al超导相将生成；随后控制热处理炉温度缓慢冷却到室温，缓慢冷却是为了使制备的Nb3Al超导接头和Nb3Al超导线内部尽量减少温度变化引起的应力应变集中，造成超导性能的损伤；热处理温度误差3°C，便于准确控制超导相变进程；热处理过程中对接头管内的粉末可以给予持续的外部压力，也可以不施加外部压力。热处理完成后制成Nb3Al超导接头。其中，高能球磨包括行星式球磨、搅拌式球磨、振动式球磨。其中，热处理氛围是真空，真空度优于lX10_2Pa，或者是流动惰性气体，如氩气气氛。其中，整个Nb3Al超导接头制备过程可在真空环境内进行，真空度优于IX 10_2Pa。其中，超饱和固溶态的Nb3Al超导线前驱体是指采用目前常用的急热急冷淬火转变法制备的Nb3Al超导线的一种中间状态。具体来说是将Nb/Al混合多丝导线快速加热到约1800°C后淬火处理得到的一种Nb-Al超饱和固溶体状态的材料，Al原子在Nb晶体中超饱和固溶存在。随后Nb3Al超导线前驱体还需要进行800°C扩散热处理，使Nb-Al超饱和固溶体中的Al原子与Nb原子扩散生成Nb3Al化合物相，最终得到具备超导特性的Nb3Al超导线。Nb3Al超导线前驱体与最终状态的Nb3Al超导线相比，其优点在于它具有良好的室温延展性，非常便于线圈绕制，Nb3Al超导线圈一般都是在Nb3Al超导线前驱体状态下先进行绕制成型后，再进行扩散热处理最终得到Nb3Al超导线圈。一般来说Nb3Al超导线厂家在Nb3Al超导线产品出厂前会先对Nb3Al超导线进行处理制得所述的超饱和固溶态的Nb3Al超导线前驱体。使用时，将上述的超饱和固溶态的Nb3Al超导线前驱体绕制成线圈后，再进行大约800本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Nb3Al超导接头制备方法，其特征在于所述的制备方法的步骤为：选取粒径为20?200微米的原料粉末，所述原料粉末的组分包括纯Nb和纯Al，且原料粉末中的Al和Nb的原子数量配比为3:1；将原料粉末放入玛瑙或刚玉球材质的磨罐中，同时放入与磨罐相同材质的磨球，并放入硬脂酸钠粉末作为分散剂，进行高能球磨制备成Nb?Al超饱和固溶合金粉末；除去Nb3Al前驱体超导线的外壳材料，然后将所述的Nb?Al超饱和固溶合金粉末与待连接的超饱和固溶态的Nb3Al超导线前驱体的端部一起装填入接头管内，并对粉末进行预压实，压力范围为5?20MPa；随后将接头管连同Nb3Al超导线前驱体一同进行热处理，热处理工艺制度为：先加热至180℃保温2小时，再升温至800?900℃，保温10?80小时，热处理温度误差3℃，随后控制热处理炉温度缓慢冷却到室温，热处理完成后制成Nb3Al超导接头。

【技术特征摘要】
1.一种Nb3Al超导接头制备方法，其特征在于所述的制备方法的步骤为:选取粒径为20-200微米的原料粉末，所述原料粉末的组分包括纯Nb和纯Al，且原料粉末中的Al和Nb的原子数量配比为3:1 ;将原料粉末放入玛瑙或刚玉球材质的磨罐中，同时放入与磨罐相同材质的磨球，并放入硬脂酸钠粉末作为分散剂，进行高能球磨制备成Nb-Al超饱和固溶合金粉末；除去Nb3Al前驱体超导线的外壳材料,然后将所述的Nb-Al超饱和固溶合金粉末与待连接的超饱和固溶态的Nb3Al超导线前驱体的端部一起装填入接头管内，并对粉末进行预压实，压力范围为5-20MPa ;随后将接头管连同Nb3Al超导线前驱体一同进行热处理，热处理工艺制度为:先加热至180°C保温2小时，再升温至800-900°C，保温10-80小时，热处理温度误差3°C，随后控制热处理炉温度缓慢冷却到室温，热处理完成后制成Nb3Al超导接头。2.根据权利要求1所述的Nb3Al超导接头制备方法，其特征在于所述的原料...

【专利技术属性】
技术研发人员：程军胜，王秋良，刘建华，戴银明，朱光，胡新宁，周峰，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：