CN102693785A - 一种多芯MgB2/Fe/Cu超导线材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，该方法为：一、制备前驱粉末；二、将前驱粉末装入纯铁管中，然后装入第一无氧铜管中，制得装管复合体；三、对装管复合体进行旋锻和拉拔处理得到单芯线材；四、将铜铌复合棒与六根单芯线材置于第二无氧铜管中进行二次组装得到二次复合棒，对二次复合棒进行旋锻拉拔和孔型轧制相结合的加工处理，得到多芯MgB₂/Fe/Cu线材；五、将线材两端密封后置于真空炉中进行真空烧结，得到多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材。本发明方法的多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材在20K，1T时，临界电流密度J_c达到1.8×10⁴A/cm²以上，符合多芯MgB₂超导线材实用化的要求。

Description

一种多芯MgB2/Fe/Cu超导线材的制备方法

技术领域

本发明属于超导材料加工工程技术领域，具体涉及一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法。

背景技术

MgB₂材料早在1954年就已经合成，但是直到2001年才发现其超导电性，由于其临界温度高（T_c=39K），且具有相干长度大、不存在晶界弱连接等优点，始终是国内外各个科学研究小组研究的热点，在经过了大量、系统的研究基础上，发现元素掺杂是提高MgB₂线/带材高场载流能力的有效手段，而TiC掺杂也是目前有效的掺杂物之一。

目前制备MgB₂超导线带材主要包括连续填充成型技术，即CTFF技术和传统的粉末套管法，即PIT技术，其中CTFF制备工艺是直接将MgB₂粉末置于金属带上，通过连续包覆焊管的方法制备成线带材，然后在氩气保护下进行热处理。该技术流程曾用于Bi系高温超导带材，技术相对成熟，但是存在加工设备复杂、成本高等缺点，严重制约了MgB₂线带材的实际应用。而PIT工艺简单，易操作，是目前制备MgB₂线材所采用主流制备技术，PIT技术加工MgB₂线材主要有两种技术路线，即原位法(In-situ) 和先位法(Ex-situ)。

In-situ PIT技术采用Mg粉和B粉按MgB₂的原子数比装入金属管中，通过拉拔、轧制工艺制备成一定尺寸的线材，再进行热处理，最终在线材中生成MgB₂相。In-situ PIT技术的优点是在热处理过程中Mg熔化后与B反应成相，从而可以弥合加工过程中所形成的微裂纹，最终线材中的MgB₂超导相晶粒连接较好。但是由于很多包套材料包括常用的Nb、Fe等，在热处理温度较高时（大于750度），包套材料将同B发生化学反应，生成一定厚度的扩散层，该扩散层的存在将对线/带材临界电流密度起到抑制作用，并且由于热处理温度较低TiC掺杂物中的碳原子很难取代硼位原子，而TiC掺杂物只能作为二相粒子存在于晶界处，很难明显提高线/带材在高场下的临界电流密度。

Ex-situ PIT技术采用反应成相后的MgB₂粉末作为先驱粉末直接装入金属管中，通过轧制和拉拔工艺制备成一定尺寸的线材。该技术的特点是工艺简单，非常适合批量化生产，同时ex-situ PIT制备过程中使用价格低廉的Fe基包套材料，可以对MgB₂芯丝施加足够的应力约束以增强晶粒连接，并且可以很大程度控制成本，降低线材的价格。但是由于MgB₂材料具有类似陶瓷的脆性，冷加工过程中会导致线材中的MgB₂芯丝形成裂纹等宏观缺陷，导致线材性能降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法。采用该方法制备的多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材具有较高的机械强度，可以承载大的应力应变，同时超导载流性能无明显降低，更符合多芯MgB₂超导线材实用化的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将镁粉、无定形硼粉和亚微米级TiC粉末按照Mg∶B∶TiC=1∶（2-x）∶x的原子比混合均匀得到混合物；然后将所述混合物压制成块材，将所述块材在氩气与氢气的混合气氛保护下，于850℃～950℃条件下热处理1h～3h，待热处理后的块材冷却后依次经破碎、球磨和筛分，得到过筛粉末；最后向所述过筛粉末中加入质量为过筛粉末质量的8%～15%的镁粉和硼粉的混合粉末，混合均匀制得前驱粉末；所述x的取值为0.04～0.08；所述镁粉和硼粉的混合粉末中镁粉和硼粉的原子比1∶1；

步骤二、将步骤一中所述前驱粉末装入常规酸洗处理后的纯铁管中，然后将装有前驱粉末的纯铁管装入常规酸洗处理后的第一无氧铜管中，制得装管复合体；

步骤三、对步骤二中所述装管复合体进行旋锻和拉拔处理得到单芯线材，对单芯线材依次进行定尺、截断和常规酸洗；所述旋锻和拉拔处理的道次加工率为10%～15%；

步骤四、对铜铌复合棒依次进行定尺、截断和常规酸洗；然后将酸洗后的铜铌复合棒与六根步骤三中酸洗后的单芯线材置于常规酸洗处理后的第二无氧铜管中进行二次组装得到二次复合棒；再对二次复合棒进行旋锻拉拔和孔型轧制相结合的加工处理，得到直径为1.5mm～2.0mm的多芯MgB₂/Fe/Cu线材；所述二次组装过程中酸洗后的铜铌复合棒置于酸洗处理后的第二无氧铜管中心，酸洗后的单芯线材沿圆周方向围绕酸洗后的铜铌复合棒排列成圆环状结构装入酸洗处理后的第二无氧铜管中；所述酸洗后的单芯线材、酸洗后的铜铌复合棒和酸洗处理后的第二无氧铜管的长度均相同；

步骤五、将步骤四中所述多芯MgB₂/Fe/Cu线材两端密封后置于真空炉中进行真空烧结，得到多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材；所述真空烧结的过程为：在压强为2Pa～5Pa的条件下，以10℃/min～20℃/min的升温速率将炉内温度升至800℃～900℃后保温1h～2h，然后以10℃/min～30℃/min的降温速率将炉内温度冷却至室温。

上述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，步骤一中所述镁粉的质量纯度为99%，镁粉的粒度为-325目，所述无定形硼粉的质量纯度为99%以上，所述亚微米级TiC粉末的质量纯度为99%，亚微米级TiC粉末的粒度不大于1μm。

上述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，步骤一中所述氩气与氢气的混合气氛中氩气的体积百分含量为90%～95%，余量为氢气。

上述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，步骤一中所述破碎、球磨和筛分的过程为：首先采用玛瑙研钵将块材手工破碎20min～30min；然后将破碎后的块材放入玛瑙罐中，按照破碎后的块材与玛瑙球的质量比1∶10～15的比例放入玛瑙球，以400rpm～500rpm的转速球磨1h～3h；最后将球磨后的粉末放入200目～325目的滤筛中进行筛分，保留过筛粉末，去除筛上部分。

上述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，步骤二中所述纯铁管中铁的质量纯度不小于99.9%，所述第一无氧铜管的剩余电阻率不小于100。

上述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，步骤四中所述单芯线材的截面为边长为3mm～4mm的正六边形或直径为6mm～8mm的圆形，所述铜铌复合棒的尺寸与单芯线材的尺寸相同。

上述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，步骤四中所述第二无氧铜管的剩余电阻率不小于100，第二无氧铜管的外径为25mm～32mm，壁厚为3mm～4mm。

上述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，步骤四中所述旋锻拉拔和孔型轧制相结合的加工处理过程为：首先选用15%～20%的道次加工率，对二次复合棒进行3～5道次旋锻和拉拔加工；然后以10%～15%的道次加工率对经旋锻和拉拔加工后的二次复合棒进行10～15道次孔型轧制加工；再对经孔型轧制加工后的二次复合棒进行真空退火；最后以10%～15%的道次加工率对真空退火后的二次复合棒进行旋锻和拉拔加工，得到直径为1.5mm～2.0mm的多芯MgB₂/Fe/Cu线材。

上述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，所述真空退火的制度为：真空度不大于2Pa，退火温度为500℃～550℃，退火时间为1h～2h。

上述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，步骤四中所述铜铌复合棒由作为外层材料的无氧铜和作为内层材料的金属铌组成，所述无氧铜与金属铌的质量比为0.9～1.1∶1，所述无氧铜的剩余电阻率不小于100，所述金属铌的质量纯度不小于99.9%。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用高温对粉末进行热处理，可以保证TiC分解产生的高活性碳更好的取代硼原子，更有利于提高线材在磁场中的临界电流密度；同时采用在成相MgB₂粉末中添加一定比例的镁粉和硼粉组成的混合粉末作为前驱粉末，保证在后续的热处理过程中可以弥合冷加工过程形成的微裂纹，改善晶粒间的连接性，提高线材的载流性能。

2、超导线材在加工过程中由于线材外部受力较大，导致缺陷向中心发展，本发明中心采用强度较高的铜铌复合棒，一定程度上限制了缺陷的发展，从而降低断线的发生。

3、本发明采用纯Fe作为阻隔层和中心铜铌复合棒增强的导体结构有利于提高MgB₂超导芯丝的致密度，有效强化MgB₂晶粒的连接性，提高线材的临界电流密度，同时该结构可以提高线材的屈服强度和抗拉强度，更有利于磁体的制备。

4、本发明采用拉拔和孔型轧制相结合的技术路线，不但可以保证复合体内外层变形均匀，保证内阻隔层的完整性，而且可以提高超导芯丝的致密度，改善晶粒之间的连接性，更有利于制备出高性能的MgB₂多芯线材。

5、采用本发明的方法制备的多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材具有较高的机械强度，可以承载大的应力应变，同时超导载流性能无明显降低，在20K，1T时，临界电流密度J_c达到1.8×10⁴A/cm²以上，更符合多芯MgB₂超导线材实用化的要求。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1、实施例2和实施例3二次组装得到的二次复合棒的结构示意图。

图2为本发明实施例4、实施例5和实施例6二次组装得到的二次复合棒的结构示意图。

附图标记说明：

具体实施方式

实施例1

步骤一、将镁粉（粒度为-325目，质量纯度为99%）、无定形硼粉（质量纯度为99%以上）和TiC粉末（质量纯度为99%，粒度不大于1μm）按照Mg∶B∶TiC=1∶1.96∶0.04的原子比进行配料，混合均匀后压制成块材，然后将块材在氩气与氢气的混合气氛（混合气氛中氩气的体积百分含量为90%，余量为氢气）保护下，于850℃条件下热处理3h，冷却后采用玛瑙研钵将块材手工破碎20min，将破碎后的块材放入玛瑙罐中，按照破碎后的块材与玛瑙球的质量比1∶10的比例放入玛瑙球，以500rpm的转速球磨3h，将球磨后的粉末放入200目的滤筛中进行筛分，保留过筛粉末，去除筛上部分，最后向过筛粉末中加入质量为过筛粉末质量8%的镁粉和硼粉的混合粉末（混合粉末中原子比为Mg∶B =1∶1），研磨混合均匀后制得前驱粉末；

步骤二、将步骤一中所述前驱粉末装入常规酸洗处理后的纯铁管中，然后将装有前驱粉末的纯铁管装入常规酸洗处理后的第一无氧铜管中，制得装管复合体，其中金属铁作为内层阻隔材料，铁的质量纯度不小于99.9%，外层无氧铜作为稳定体，其剩余电阻率不小于100；

步骤三、采用10%的道次加工率对步骤二中所述装管复合体进行旋锻和拉拔处理，得到截面为边长为3mm的正六边形的单芯线材1，按照1m的长度对单芯线材1依次进行定尺、截断，将定尺截断后的单芯线材1两端密封保护后进行常规酸洗；

步骤四、对截面为边长3mm的正六边形的铜铌复合棒2（由作为外层材料的无氧铜和作为内层材料的金属铌按0.9∶1的质量比组成，其中无氧铜的剩余电阻率不小于100，金属铌的质量纯度不小于99.9%）依次进行定尺、截断和常规酸洗，将酸洗后的铜铌复合棒2与6根步骤三中酸洗后的单芯线材1置于常规酸洗处理后的剩余电阻率不小于100，外径为25mm，壁厚为3mm的第二无氧铜管3中，进行二次组装得到二次复合棒（如图1所示），采用15%的道次加工率对二次复合棒进行5道次旋锻和拉拔加工，然后以10%的道次加工率对经旋锻和拉拔加工后的二次复合棒进行15道次孔型轧制加工，再对经孔型轧制加工后的二次复合棒进行真空退火，真空度2Pa，退火温度温度为500℃，退火时间2h，最后以10%的道次加工率对真空退火后的二次复合棒进行旋锻和拉拔加工，加工成直径为1.5mm的多芯MgB₂/Fe/Cu线材；所述二次组装过程中酸洗后的铜铌复合棒2置于酸洗处理后的第二无氧铜管3中心，酸洗后的单芯线材1沿圆周方向围绕酸洗后的铜铌复合棒2排列成圆环状结构装入酸洗处理后的第二无氧铜管3中；所述酸洗后的单芯线材1、酸洗后的铜铌复合棒2和酸洗处理后的第二无氧铜管3的长度均相同；

步骤五、将步骤四中所述多芯线材两端密封后置于真空炉中进行真空烧结，得到多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材；所述真空烧结的过程为：在压强为2Pa条件下，以10℃/min的升温速率将炉内温度升至800℃后保温2h，然后以10℃/min的降温速率将炉内温度冷却至室温。

本实施例制备的多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材在20K，1T时，临界电流密度J_c达到1.8×10⁴A/cm²。

实施例2

步骤一、将镁粉（粒度为-325目，质量纯度为99%）、无定形硼粉（质量纯度为99%以上）和TiC粉末（质量纯度为99%，粒度不大于1μm）按照Mg∶B∶TiC=1∶1.92∶0.08的原子比进行配料，混合均匀后压制成块材，然后将块材在氩气与氢气的混合气氛（混合气氛中氩气的体积百分含量为95%，余量为氢气）保护下，于950℃条件下热处理1h，冷却后采用玛瑙研钵将块材手工破碎30min，将破碎后的块材放入玛瑙罐中，按照破碎后的块材与玛瑙球的质量比1∶15的比例放入玛瑙球，以400rpm的转速球磨1h，将球磨后的粉末放入325目的滤筛中进行筛分，保留过筛粉末，去除筛上部分，最后向过筛粉末中加入质量为过筛粉末质量15%的镁粉和硼粉的混合粉末（混合粉末中原子比为Mg∶B =1∶1），研磨混合均匀后制得前驱粉末；

步骤二、将步骤一中所述前驱粉末装入常规酸洗处理后的纯铁管中，然后将装有前驱粉末的纯铁管装入常规酸洗处理后的第一无氧铜管中，制得装管复合体，其中金属铁作为内层阻隔材料，铁的质量纯度不小于99.9%，外层无氧铜作为稳定体，其剩余电阻率不小于100；

步骤三、采用15%的道次加工率对步骤二中所述装管复合体进行旋锻和拉拔处理，得到截面为边长为4mm的正六边形的单芯线材1，按照1.5m的长度对单芯线材1依次进行定尺、截断，将定尺截断后的单芯线材1两端密封保护后进行常规酸洗；

步骤四、对截面为边长4mm的正六边形的铜铌复合棒2（由作为外层材料的无氧铜和作为内层材料的金属铌按1.1∶1的质量比组成，其中无氧铜的剩余电阻率不小于100，金属铌的质量纯度不小于99.9%）依次进行定尺、截断和常规酸洗，将酸洗后的铜铌复合棒2与6根步骤三中酸洗后的单芯线材1置于常规酸洗处理后的剩余电阻率不小于100，外径为32mm，壁厚为4mm的第二无氧铜管3中，进行二次组装得到二次复合棒（如图1所示），采用20%的道次加工率对二次复合棒进行3道次旋锻和拉拔加工，然后以15%的道次加工率对经旋锻和拉拔加工后的二次复合棒进行10道次孔型轧制加工，再对经孔型轧制加工后的二次复合棒进行真空退火，真空度1Pa，退火温度温度为550℃，退火时间1h，最后以15%的道次加工率对真空退火后的二次复合棒进行旋锻和拉拔加工，加工成直径为2.0mm的多芯MgB₂/Fe/Cu线材；所述二次组装过程中酸洗后的铜铌复合棒2置于酸洗处理后的第二无氧铜管3中心，酸洗后的单芯线材1沿圆周方向围绕酸洗后的铜铌复合棒2排列成圆环状结构装入酸洗处理后的第二无氧铜管3中；所述酸洗后的单芯线材1、酸洗后的铜铌复合棒2和酸洗处理后的第二无氧铜管3的长度均相同；

步骤五、将步骤四中所述多芯线材两端密封后置于真空炉中进行真空烧结，得到多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材；所述真空烧结的过程为：在压强为5Pa条件下，以20℃/min的升温速率将炉内温度升至900℃后保温1h，然后以30℃/min的降温速率将炉内温度冷却至室温。

本实施例制备的多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材在20K，1T时，临界电流密度J_c达到2.1×10⁴A/cm²。

实施例3

步骤一、将镁粉（粒度为-325目，质量纯度为99%）、无定形硼粉（质量纯度为99%以上）和TiC粉末（质量纯度为99%，粒度不大于1μm）按照Mg∶B∶TiC=1∶1.94∶0.06的原子比进行配料，混合均匀后压制成块材，然后将块材在氩气与氢气的混合气氛（混合气氛中氩气的体积百分含量为92%，余量为氢气）保护下，于900℃条件下热处理1.5h，冷却后采用玛瑙研钵将块材手工破碎25min，将破碎后的块材放入玛瑙罐中，按照破碎后的块材与玛瑙球的质量比1∶12的比例放入玛瑙球，以450rpm的转速球磨2h，将球磨后的粉末放入300目的滤筛中进行筛分，保留过筛粉末，去除筛上部分，最后向过筛粉末中加入质量为过筛粉末质量12%的镁粉和硼粉的混合粉末（混合粉末中原子比为Mg∶B=1∶1），研磨混合均匀后制得前驱粉末；

步骤二、将步骤一中所述前驱粉末装入常规酸洗处理后的纯铁管中，然后将装有前驱粉末的纯铁管装入常规酸洗处理后的第一无氧铜管中，制得装管复合体，其中金属铁作为内层阻隔材料，铁的质量纯度不小于99.9%，外层无氧铜作为稳定体，其剩余电阻率不小于100；

步骤三、采用12%的道次加工率对步骤二中所述装管复合体进行旋锻和拉拔处理，得到截面为边长为3.5mm的正六边形的单芯线材1，按照1.2m的长度对单芯线材1依次进行定尺、截断，将定尺截断后的单芯线材1两端密封保护后进行常规酸洗；

步骤四、对截面为边长3.5mm的正六边形的铜铌复合棒2（由作为外层材料的无氧铜和作为内层材料的金属铌按1∶1的质量比组成，其中无氧铜的剩余电阻率不小于100，金属铌的质量纯度不小于99.9%）依次进行定尺、截断和常规酸洗，将酸洗后的铜铌复合棒2与6根步骤三中酸洗后的单芯线材1置于常规酸洗处理后的剩余电阻率不小于100，外径为29mm，壁厚为3.5mm的第二无氧铜管3中，进行二次组装得到二次复合棒（如图1所示），采用17%的道次加工率对二次复合棒进行4道次旋锻和拉拔加工，然后以12%的道次加工率对经旋锻和拉拔加工后的二次复合棒进行13道次孔型轧制加工，再对经孔型轧制加工后的二次复合棒进行真空退火，真空度1.5Pa，退火温度温度为530℃，退火时间1.5h，最后以12%的道次加工率对真空退火后的二次复合棒进行旋锻和拉拔加工，加工成直径为1.7mm的多芯MgB₂/Fe/Cu线材；所述二次组装过程中酸洗后的铜铌复合棒2置于酸洗处理后的第二无氧铜管3中心，酸洗后的单芯线材1沿圆周方向围绕酸洗后的铜铌复合棒2排列成圆环状结构装入酸洗处理后的第二无氧铜管3中；所述酸洗后的单芯线材1、酸洗后的铜铌复合棒2和酸洗处理后的第二无氧铜管3的长度均相同；

步骤五、将步骤四中所述多芯线材两端密封后置于真空炉中进行真空烧结，得到多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材；所述真空烧结的过程为：在压强为3.5Pa条件下，以15℃/min的升温速率将炉内温度升至850℃后保温1.5h，然后以20℃/min的降温速率将炉内温度冷却至室温。

本实施例制备的多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材在20K，1T时，临界电流密度J_c达到2.0×10⁴A/cm²。

实施例4

步骤一、将镁粉（粒度为-325目，质量纯度为99%）、无定形硼粉（质量纯度为99%以上）和TiC粉末（质量纯度为99%，粒度不大于1μm）按照Mg∶B∶TiC=1∶1.96∶0.04的原子比进行配料，混合均匀后压制成块材，然后将块材在氩气与氢气的混合气氛（混合气氛中氩气的体积百分含量为90%，余量为氢气）保护下，于850℃条件下热处理3h，冷却后采用玛瑙研钵将块材手工破碎20min，将破碎后的块材放入玛瑙罐中，按照破碎后的块材与玛瑙球的质量比1∶10的比例放入玛瑙球，以500rpm的转速球磨3h，将球磨后的粉末放入200目的滤筛中进行筛分，保留过筛粉末，去除筛上部分，最后向过筛粉末中加入质量为过筛粉末质量8%的镁粉和硼粉的混合粉末（混合粉末中原子比为Mg∶B =1∶1），研磨混合均匀后制得前驱粉末；

步骤二、将步骤一中所述前驱粉末装入常规酸洗处理后的纯铁管中，然后将装有前驱粉末的纯铁管装入常规酸洗处理后的第一无氧铜管中，制得装管复合体，其中金属铁作为内层阻隔材料，铁的质量纯度不小于99.9%，外层无氧铜作为稳定体，其剩余电阻率不小于100；

步骤三、采用10%的道次加工率对步骤二中所述装管复合体进行旋锻和拉拔处理，得到截面为直径6mm的圆形的单芯线材1，按照1.2m的长度对单芯线材1依次进行定尺、截断，将定尺截断后的单芯线材1两端密封保护后进行常规酸洗；

步骤四、对截面为直径6mm的圆形的铜铌复合棒2（由作为外层材料的无氧铜和作为内层材料的金属铌按0.9∶1的质量比组成，其中无氧铜的剩余电阻率不小于100，金属铌的质量纯度不小于99.9%）依次进行定尺、截断和常规酸洗，将酸洗后的铜铌复合棒2与6根步骤三中酸洗后的单芯线材1置于常规酸洗处理后的剩余电阻率不小于100，外径为25mm，壁厚为3mm的第二无氧铜管3中，进行二次组装得到二次复合棒（如图1所示），采用15%的道次加工率对二次复合棒进行5道次旋锻和拉拔加工，然后以10%的道次加工率对经旋锻和拉拔加工后的二次复合棒进行15道次孔型轧制加工，再对经孔型轧制加工后的二次复合棒进行真空退火，真空度2Pa，退火温度温度为500℃，退火时间2h，最后以10%的道次加工率对真空退火后的二次复合棒进行旋锻和拉拔加工，加工成直径为1.5mm的多芯MgB₂/Fe/Cu线材；所述二次组装过程中酸洗后的铜铌复合棒2置于酸洗处理后的第二无氧铜管3中心，酸洗后的单芯线材1沿圆周方向围绕酸洗后的铜铌复合棒2排列成圆环状结构装入酸洗处理后的第二无氧铜管3中；所述酸洗后的单芯线材1、酸洗后的铜铌复合棒2和酸洗处理后的第二无氧铜管3的长度均相同；

步骤五、将步骤四中所述多芯线材两端密封后置于真空炉中进行真空烧结，得到多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材；所述真空烧结的过程为：在压强为2Pa条件下，以10℃/min的升温速率将炉内温度升至800℃后保温2h，然后以10℃/min的降温速率将炉内温度冷却至室温。

本实施例制备的多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材在20K，1T时，临界电流密度Jc达到2.1×10⁴A/cm²。

实施例5

步骤一、将镁粉（粒度为-325目，质量纯度为99%）、无定形硼粉（质量纯度为99%以上）和TiC粉末（质量纯度为99%，粒度不大于1μm）按照Mg∶B∶TiC=1∶1.92∶0.08的原子比进行配料，混合均匀后压制成块材，然后将块材在氩气与氢气的混合气氛（混合气氛中氩气的体积百分含量为95%，余量为氢气）保护下，于950℃条件下热处理1h，冷却后采用玛瑙研钵将块材手工破碎30min，将破碎后的块材放入玛瑙罐中，按照破碎后的块材与玛瑙球的质量比1∶15的比例放入玛瑙球，以400rpm的转速球磨1h，将球磨后的粉末放入325目的滤筛中进行筛分，保留过筛粉末，去除筛上部分，最后向过筛粉末中加入质量为过筛粉末质量15%的镁粉和硼粉的混合粉末（混合粉末中原子比为Mg∶B =1∶1），研磨混合均匀后制得前驱粉末；

步骤二、将步骤一中所述前驱粉末装入常规酸洗处理后的纯铁管中，然后将装有前驱粉末的纯铁管装入常规酸洗处理后的第一无氧铜管中，制得装管复合体，其中金属铁作为内层阻隔材料，铁的质量纯度不小于99.9%，外层无氧铜作为稳定体，其剩余电阻率不小于100；

步骤三、采用15%的道次加工率对步骤二中所述装管复合体进行旋锻和拉拔处理，得到截面为直径8mm的圆形的单芯线材1，按照1.6m的长度对单芯线材1依次进行定尺、截断，将定尺截断后的单芯线材1两端密封保护后进行常规酸洗；

步骤四、对截面为直径8mm的圆形的铜铌复合棒2（由作为外层材料的无氧铜和作为内层材料的金属铌按1.1∶1的质量比组成，其中无氧铜的剩余电阻率不小于100，金属铌的质量纯度不小于99.9%）依次进行定尺、截断和常规酸洗，将酸洗后的铜铌复合棒2与6根步骤三中酸洗后的单芯线材1置于常规酸洗处理后的剩余电阻率不小于100，外径为32mm，壁厚为4mm的第二无氧铜管3中，进行二次组装得到二次复合棒（如图1所示），采用20%的道次加工率对二次复合棒进行3道次旋锻和拉拔加工，然后以15%的道次加工率对经旋锻和拉拔加工后的二次复合棒进行10道次孔型轧制加工，再对经孔型轧制加工后的二次复合棒进行真空退火，真空度1Pa，退火温度温度为550℃，退火时间1h，最后以15%的道次加工率对真空退火后的二次复合棒进行旋锻和拉拔加工，加工成直径为2.0mm的多芯MgB₂/Fe/Cu线材；所述二次组装过程中酸洗后的铜铌复合棒2置于酸洗处理后的第二无氧铜管3中心，酸洗后的单芯线材1沿圆周方向围绕酸洗后的铜铌复合棒2排列成圆环状结构装入酸洗处理后的第二无氧铜管3中；所述酸洗后的单芯线材1、酸洗后的铜铌复合棒2和酸洗处理后的第二无氧铜管3的长度均相同；

步骤五、将步骤四中所述多芯线材两端密封后置于真空炉中进行真空烧结，得到多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材；所述真空烧结的过程为：在压强为5Pa条件下，以20℃/min的升温速率将炉内温度升至900℃后保温1h，然后以30℃/min的降温速率将炉内温度冷却至室温。

本实施例制备的多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材在20K，1T时，临界电流密度Jc达到2.3×10⁴A/cm²。

实施例6

步骤一、将镁粉（粒度为-325目，质量纯度为99%）、无定形硼粉（质量纯度为99%以上）和TiC粉末（质量纯度为99%，粒度不大于1μm）按照Mg∶B∶TiC=1∶1.94∶0.06的原子比进行配料，混合均匀后压制成块材，然后将块材在氩气与氢气的混合气氛（混合气氛中氩气的体积百分含量为93%，余量为氢气）保护下，于900℃条件下热处理1.5h，冷却后采用玛瑙研钵将块材手工破碎25min，将破碎后的块材放入玛瑙罐中，按照破碎后的块材与玛瑙球的质量比1∶13的比例放入玛瑙球，以450rpm的转速球磨2h，将球磨后的粉末放入250目的滤筛中进行筛分，保留过筛粉末，去除筛上部分，最后向过筛粉末中加入质量为过筛粉末质量11%的镁粉和硼粉的混合粉末（混合粉末中原子比为Mg∶B=1∶1），研磨混合均匀后制得前驱粉末；

步骤二、将步骤一中所述前驱粉末装入常规酸洗处理后的纯铁管中，然后将装有前驱粉末的纯铁管装入常规酸洗处理后的第一无氧铜管中，制得装管复合体，其中金属铁作为内层阻隔材料，铁的质量纯度不小于99.9%，外层无氧铜作为稳定体，其剩余电阻率不小于100；

步骤三、采用13%的道次加工率对步骤二中所述装管复合体进行旋锻和拉拔处理，得到截面为直径7mm的圆形的单芯线材1，按照1.4m的长度对单芯线材1依次进行定尺、截断，将定尺截断后的单芯线材1两端密封保护后进行常规酸洗；

步骤四、对截面为直径7mm的圆形的铜铌复合棒2（由作为外层材料的无氧铜和作为内层材料的金属铌按1∶1的质量比组成，其中无氧铜的剩余电阻率不小于100，金属铌的质量纯度不小于99.9%）依次进行定尺、截断和常规酸洗，将酸洗后的铜铌复合棒2与6根步骤三中酸洗后的单芯线材1置于常规酸洗处理后的剩余电阻率不小于100，外径为29mm，壁厚为3.5mm的第二无氧铜管3中，进行二次组装得到二次复合棒（如图1所示），采用17%的道次加工率对二次复合棒进行4道次旋锻和拉拔加工，然后以12%的道次加工率对经旋锻和拉拔加工后的二次复合棒进行13道次孔型轧制加工，再对经孔型轧制加工后的二次复合棒进行真空退火，真空度1.5Pa，退火温度温度为520℃，退火时间1.5h，最后以12%的道次加工率对真空退火后的二次复合棒进行旋锻和拉拔加工，加工成直径为1.7mm的多芯MgB₂/Fe/Cu线材；所述二次组装过程中酸洗后的铜铌复合棒2置于酸洗处理后的第二无氧铜管3中心，酸洗后的单芯线材1沿圆周方向围绕酸洗后的铜铌复合棒2排列成圆环状结构装入酸洗处理后的第二无氧铜管3中；所述酸洗后的单芯线材1、酸洗后的铜铌复合棒2和酸洗处理后的第二无氧铜管3的长度均相同；

步骤五、将步骤四中所述多芯线材两端密封后置于真空炉中进行真空烧结，得到多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材；所述真空烧结的过程为：在压强为3.5Pa条件下，以15℃/min的升温速率将炉内温度升至850℃后保温1.5h，然后以20℃/min的降温速率将炉内温度冷却至室温。

本实施例制备的多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材在20K，1T时，临界电流密度Jc达到2.0×10⁴A/cm²。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将镁粉、无定形硼粉和亚微米级TiC粉末按照Mg∶B∶TiC=1∶（2-x）∶x的原子比混合均匀得到混合物；然后将所述混合物压制成块材，将所述块材在氩气与氢气的混合气氛保护下，于850℃～950℃条件下热处理1h～3h，待热处理后的块材冷却后依次经破碎、球磨和筛分，得到过筛粉末；最后向所述过筛粉末中加入质量为过筛粉末质量的8%～15%的镁粉和硼粉的混合粉末，混合均匀制得前驱粉末；所述x的取值为0.04～0.08；所述镁粉和硼粉的混合粉末中镁粉和硼粉的原子比1∶1；

步骤二、将步骤一中所述前驱粉末装入常规酸洗处理后的纯铁管中，然后将装有前驱粉末的纯铁管装入常规酸洗处理后的第一无氧铜管中，制得装管复合体；

步骤三、对步骤二中所述装管复合体进行旋锻和拉拔处理得到单芯线材（1），对单芯线材（1）依次进行定尺、截断和常规酸洗；所述旋锻和拉拔处理的道次加工率为10%～15%；

步骤四、对铜铌复合棒（2）依次进行定尺、截断和常规酸洗；然后将酸洗后的铜铌复合棒（2）与六根步骤三中酸洗后的单芯线材（1）置于常规酸洗处理后的第二无氧铜管（3）中进行二次组装得到二次复合棒；再对二次复合棒进行旋锻拉拔和孔型轧制相结合的加工处理，得到直径为1.5mm～2.0mm的多芯MgB₂/Fe/Cu线材；所述二次组装过程中酸洗后的铜铌复合棒（2）置于酸洗处理后的第二无氧铜管（3）中心，酸洗后的单芯线材（1）沿圆周方向围绕酸洗后的铜铌复合棒（2）排列成圆环状结构装入酸洗处理后的第二无氧铜管（3）中；所述酸洗后的单芯线材（1）、酸洗后的铜铌复合棒（2）和酸洗处理后的第二无氧铜管（3）的长度均相同；

步骤五、将步骤四中所述多芯MgB₂/Fe/Cu线材两端密封后置于真空炉中进行真空烧结，得到多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材；所述真空烧结的过程为：在压强为2Pa～5Pa的条件下，以10℃/min～20℃/min的升温速率将炉内温度升至800℃～900℃后保温1h～2h，然后以10℃/min～30℃/min的降温速率将炉内温度冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述镁粉的质量纯度为99%，镁粉的粒度为-325目，所述无定形硼粉的质量纯度为99%以上，所述亚微米级TiC粉末的质量纯度为99%，亚微米级TiC粉末的粒度不大于1μm。

3.根据权利要求1所述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述氩气与氢气的混合气氛中氩气的体积百分含量为90%～95%，余量为氢气。

4.根据权利要求1所述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述破碎、球磨和筛分的过程为：首先采用玛瑙研钵将块材手工破碎20min～30min；然后将破碎后的块材放入玛瑙罐中，按照破碎后的块材与玛瑙球的质量比1∶10～15的比例放入玛瑙球，以400rpm～500rpm的转速球磨1h～3h；最后将球磨后的粉末放入200目～325目的滤筛中进行筛分，保留过筛粉末，去除筛上部分。

5.根据权利要求1所述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述纯铁管中铁的质量纯度不小于99.9%，所述第一无氧铜管的剩余电阻率不小于100。

6.根据权利要求1所述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述单芯线材（1）的截面为边长为3mm～4mm的正六边形或直径为6mm～8mm的圆形，所述铜铌复合棒（2）的尺寸与单芯线材（1）的尺寸相同。

7.根据权利要求1所述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述第二无氧铜管（3）的剩余电阻率不小于100，第二无氧铜管（3）的外径为25mm～32mm，壁厚为3mm～4mm。

8.根据权利要求1所述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述旋锻拉拔和孔型轧制相结合的加工处理过程为：首先选用15%～20%的道次加工率，对二次复合棒进行3～5道次旋锻和拉拔加工；然后以10%～15%的道次加工率对经旋锻和拉拔加工后的二次复合棒进行10～15道次孔型轧制加工；再对经孔型轧制加工后的二次复合棒进行真空退火；最后以10%～15%的道次加工率对真空退火后的二次复合棒进行旋锻和拉拔加工，得到直径为1.5mm～2.0mm的多芯MgB₂/Fe/Cu线材。

9.根据权利要求8所述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，其特征在于，所述真空退火的制度为：真空度不大于2Pa，退火温度为500℃～550℃，退火时间为1h～2h。

10.根据权利要求1所述的一种多芯MgB₂/Fe/Cu超导线材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述铜铌复合棒（2）由作为外层材料的无氧铜和作为内层材料的金属铌组成，所述无氧铜与金属铌的质量比为0.9～1.1∶1，所述无氧铜的剩余电阻率不小于100，所述金属铌的质量纯度不小于99.9%。

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