CN101291021B - 一种MgB2带材超导连接方法 - Google Patents

Abstract

一种MgB₂带材超导连接方法，其特征在于在两段待接续的MgB₂带材间放入少量Mg粉和B粉混合物，进行热处理，使得熔化的Mg浸润待接续部分的MgB₂超导芯，同时在热处理过程中与B反应生成MgB₂，最终冷却后与MgB₂超导芯连接。本发明接头部分的电阻在10^-11以下，接头的临界电流最高可达约389 A，折合临界电流密度6.94×10⁴A/cm²，与完整的同批带材短样品在相同条件下的临界电流密度(约7×10⁴A/cm²)相当。

Description

一种MgB2带材超导连接方法 

技术领域

本发明涉及一种MgB₂带材超导连接方法。 

背景技术

MgB₂是2001年发现的一种具有广泛应用前景的新型超导材料，目前国内外已有可小批量供应的MgB₂带材。为了进一步简化生产工艺，在磁体和超导输电等领域内更有效地利用MgB₂ 带材，如在医用核磁共振磁体等应用装置中实现闭合运行，减少常导连接造成的接头电阻发热损耗等，需对超导带材进行超导连接。传统合金超导材料如NbTi等以塑性合金为代表的超导材料可采用熔接或加压等方法直接实现超导连接，而MgB₂的熔点较高，本身又属于脆性陶瓷材料，不能采用上述方法实现超导连接。同时，由于在较高温度下(如＞500℃)MgB₂与氧、水蒸汽等极易发生反应，在制作接头时必须注意隔绝上述气体，或采取其他有效措施，否则将在反应中生成非超导化合物，无法实现超导连接。 

实现超导连接的技术指标是R＜10^-11/接头。通过超导连接，可以使多段较短的超导带材连接成具有足够长度、并不影响超导特性的材料，或可在制作超导磁体时形成闭合回路，从而更充分地利用超导体的无电阻特性。目前，针对陶瓷类化合物超导材料，实现超导连接的方法主要是采用熔接或反应焊接工艺，利用高温将超导材料局部熔化并连接，在连接过程中常在接头处加入少量与超导材料成分相同或相近的辅助材料，使其在处理过程中发生反应，并生成超导相，从而改善连接质量，提高临界电流，降低接头阻抗。 

文献“Melt-texturejoining of YBa₂Cu₃O_ybulks”[J.G.Noudem等，Supercond.Sci.Technol.14pp.363(2001)]给出了上述依靠局部熔融处理和加入助剂改善反应条件，实现YBCO等氧化物超导材料超导连接的方法。但文献所述方法主要适用于块材的连接，对于超导带材，由于必须考虑包套材料的去除及在连接处理过程中的软化、熔化和与超导芯反应等问题，目前实现高温氧化物超导材料的超导连接尚有困难，文献“Bi2223/Ag带材超导接头的研究”[郭仁春等，东北大学学报(自然科学版)，25卷，9期，pp.863(2004)]给出了氧化物超导带材连接的一种实验结果，但所采用的方法对于MgB₂带材不完全适用。MgB₂属于高熔点材料，而且在加热到1000℃以上时发生分解，失去超导特性，导致无法实现超导连接。此外，考虑到隔绝空气和水分，并且尽量使超导芯与包套材料等少发生反应，热处理时间应尽量缩短，不能将超导材料暴露在大气中进行长时间的热处理，因此无法像文献中介绍的高温超导氧化物连接方法那样采用缓慢 加热和降温，利用超导芯的再结晶现象来实现可靠连接。最后，采用直接熔接方式，连接点的机械强度主要取决于熔接过程中生成的超导颗粒间结合的紧密程度，这与超导带材制备过程相似，但由于难以像制备过程中那样利用拉拔、轧制造成的机械应力使超导芯致密化，而MgB₂ 属于脆性陶瓷材料，自身机械强度不高，必须采取有效措施对连接区域进行加强。 

发明内容

本发明的目的是克服现有超导带材连接技术在反应温度较高、无法妥善保障接头机械强度、超导芯致密度，以及不能连接易氧化超导芯等方面的缺点，根据Mg、B和MgB₂超导体的物理化学特性和Fe等常用MgB₂超导带材包套材料的性质，提供了一种实现MgB₂超导带材可靠超导连接的方法。本发明不仅可实现两段或多段MgB₂超导带材可靠的机械、电气连接，而且可使接头区域保持较好的超导特性，达到每接头电阻小于10^-11，接头部分的临界电流大于超导带材本体临界电流的70％。 

本发明所采用的技术方案如下：MgB₂是一种高熔点的陶瓷性金属-非金属合金材料，其熔点高于1000℃且在加热到1000℃以上时发生分解，失去超导特性，因此难以采用局部熔化MgB₂ 芯的方法实现超导连接。同时，金属Mg的熔点很低(649℃)，在MgB₂制备过程中，通常是液相的Mg与固相的B反应生成MgB₂，借鉴这一思想，本发明在两段待接续的MgB₂带材接触面之间放入少量Mg粉和B粉混合物，进行热处理，使得熔化的Mg浸润待接续部分的MgB₂超导芯，同时在热处理过程中与B反应生成MgB₂，最终冷却后与MgB₂超导芯实现可靠连接。 

本发明超导连接方法的具体步骤如下： 

首先，采用机械或化学腐蚀等方法剥离待连接带材端部一面的一段包套材料，保留其余部分，使MgB₂超导芯暴露在外。接下来将两端剥离了包套材料的待连接带材超导芯部分相对放置，并在两段超导芯的接触面之间添加少量混合均匀的Mg粉和B粉。所添加Mg粉和B粉的原子比为1∶2，Mg粉纯度99.5％，B粉纯度99.99％，粒度325目。随后，为保证接头部分的强度，用薄金属片(如Cu片)包裹接头部分，并在垂直于带材表面的方向上施加一定压力，使两段待连接带材紧密接触。最后，将接头置于Ar保护气氛下加热至700～750℃温度范围，并保持1小时，使Mg、B粉反应生成MgB₂，便可实现两段带材的超导连接。 

本发明的有益效果是：超导带材放置在薄金属片包裹中，并通过施加压力使接头处致密化，可有效减少外界气氛的影响，提高机械强度和接头致密度，保障接头性能。在接头处添加Mg、B粉混合的助剂，可利用Mg的较低熔点及MgB₂低于自身熔点的成相反应温度，在较低温度下实现反应焊接，并与两段被连接带材的超导芯可靠融合，提高接头的临界电流特性，降低接头电阻。 

附图说明

图1a、b、c、d为本发明连接两段MgB₂超导带材的操作过程示意图

图2已剥离部分包套材料的MgB₂带材照片； 

图3为经加压处理的MgB₂带材样品；

图4为采用本发明方法实现超导连接的MgB₂带材样品的典型临界电流测量(E-I关系)曲线。

具体实施方式

首先如图1a所示，用机械方法剥离两段待连接带材端部一个侧面上长约5-10mm的包套材料，暴露出长约10mm的超导芯，去除包套材料后的带材如图2所示，图2中a为单芯带材，b为多芯带材。然后如图1b所示，将两段除去包套材料的带材超导芯相对贴合，在两段超导芯的接触面之间添加少量按照原子比Mg∶B＝1∶2混合研磨好的Mg、B混合粉末，所加粉末粒度为325目，并使两段待连接带材保持紧密接触。然后如图1c所示，用薄Cu片在超导带材连接部位的外侧紧密包裹，使两段待连接带材不松脱。再在液压机上垂直带材表面加压到约0.6GPa，保持压力10分钟，以便提高带材接头部位的致密度。经过加压处理后的带材接头如图3所示，图3中a为已完成热处理和临界电流测量实验的带材接头，b为只完成加压，未进行热处理的带材接头。最后，如图1d，将带材接头送入Ar保护气氛加热炉中，快速升温加热到700～750℃，保持温度约1小时，使接头部分的Mg、B粉与MgB₂超导芯充分反应，实现稳固连接，其后随炉降温到室温，即可取出带材。 

这一连接过程适用于MgB₂超导单芯和多芯带材，其中以“原位法”(一种超导带材制备方法：将Mg、B混合粉末装入金属包套材料内，完成拉拔、轧制等工序后再进行热处理烧结成材)制备的超导带材连接效果最好。典型超导单芯带材接头在1T外加磁场(磁场方向垂直于电流)和4.2K温度下的临界电流测试结果如图4所示，接头部分的电阻在10^-11Ω以下，接头的临界电流最高可达约389A，折合临界电流密度6.94×10⁴A/cm²，与完整的同批带材短样品在相同条件下的临界电流密度(约7×10⁴A/cm²)相当。 

Claims (1)

1.一种MgB₂带材超导连接方法，在两段待接续的MgB₂带材间放入少量Mg粉和B粉混合物，进行热处理，使得熔化的Mg浸润待接续部分的MgB₂超导芯，其特征在于包括以下操作步骤：

(1)首先用机械方法剥离两段待连接超导带材端部一个侧面上的一段包套材料，暴露出超导芯；

(2)再将两端剥离了包套材料的待连接超导带材超导芯部分相对放置，并在两段超导芯的接触面之间添加少量按照原子比Mg∶B＝1∶2混合均匀的Mg、B混合粉末，并使两段待连接超导带材保持紧密接触；

(3)然后用薄Cu片在超导带材连接部位的外侧紧密包裹，使两段待连接带材不松脱；

(4)再在液压机上垂直超导带材表面加压到约0.6GPa，保持压力10分钟；

(5)将超导带材接头送入Ar保护气氛加热炉中，快速升温加热到700～750℃，保持温度约1小时，使接头部分的Mg、B粉与MgB₂超导芯充分反应，实现稳固连接，其后随炉降温到室温，即可取出超导带材。

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