CN102982889B - MgB2超导线及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MgB2超导线的制备方法，包括：将干燥的镁、硼、铪和硅粉末，按照原子比Mg∶Hf∶B∶Si＝1-x∶x∶2-x∶x的比例充分混合1-3小时，其中0.05≤x≤0.20；将混合后的粉末装入无缝低硅钢管或铌管，再将这一复合体装入无氧铜管中组装成复合体；将复合体在室温经旋锻、孔型轧制和拉拔三种工艺的综合使用加工成线材；将线材置于真空退火炉中，室温下抽真空至10-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，然后以不低于60℃/分钟加热至740℃-760℃，保温1-10小时；以不低于25℃/分钟冷却至室温，制成截面形状为圆型的MgB2基超导线。该方法制备过程简单并适宜于大规模生产、制得在3特斯拉以上的背景磁场中具有高临界电流密度的MgB2基超导线。<!--1--><!--2-->

Description

MgB2超导线及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种超导材料及其制备方法。
背景技术
二硼化镁（MgB2）是目前临界转变温度最高的金属间化合物超导材料，它的临界转变温度(39-40K)高于目前已经进行实际应用的Nb3Sn和NbTi等超导材料。较高的转变温度、较大的相干长度、较高的上临界场、晶界不存在弱连接、结构简单、成本低廉等优点使MgB2成为应用在20K-30K温度范围的材料最有力的竞争者。
特别是在低场领域，如在磁共振成像磁体应用方面，MgB2表现了极大的优势，已经有数据表明，MgB2的实用化将带来数十亿的经济效益，而且由于可以在制冷机制冷条件下工作，MgB2的应用将会大大推动磁共振成像仪的推广，对于中国广大的乡村人民医疗水平的提高具有十分重要的意义。
然而，目前制备的MgB2材料的临界电流密度与低温超导材料和A15超导材料相比还比较低，而且会随着磁场强度的增加而急剧的减小。提高MgB2的临界电流密度是一个难题，因为当电流通过超导材料时就会产生电子涡旋，电子涡旋的运动消耗能量，进而破坏材料的超导能力。如果涡旋能钉扎在杂质或缺陷上并且不影响无阻电流的流动，将可以大大提高临界电流密度。
因此，为了提高MgB2在一定磁场下的临界电流密度，可以采用中子(质子)轰击、化学腐蚀、机械加工、掺杂等方法，而由于掺杂具有更简便快速、能进行均匀改性等特点，成为目前提高MgB2磁通钉扎能力的主要方法。已经进行实验的Zr、Mo、Nb、W、Ti、Al、Fe、WSi2、ZrSi2等掺杂均只能小幅度提高MgB2的性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种制备过程简单并适宜于大规模生产、且在3特斯拉以上的背景磁场中具有高临界电流密度的MgB2基超导线及其制造方法。
本发明公开了一种MgB2超导线，其中，该超导线为在MgB2基超导材料中弥散分布着硅、铪及其化合物，该超导材料原子比组成为Mg∶Hf∶B∶Si＝1-x∶x∶2-x∶x，其中0.05≤x≤0.20。
本发明还公开了该MgB2超导线的的制备方法，其包括如下步骤：
（1）首先将干燥的镁、硼、铪和硅粉末，按照原子比Mg∶Hf∶B∶Si＝1-x∶x∶2-x∶x的比例充分混合1-3小时，其中0.05≤x≤0.20；
（2）将混合后的粉末装入无缝低硅钢管或铌管，再将这一复合体装入无氧铜管中组装成复合体；
（3）将复合体进行室温冷加工过程，经过旋锻、孔型轧制和拉拔三种加工工艺的综合使用加工成线材，线材的最终截面形状为圆型；
（4）将加工到最终尺寸和形状的线材置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，然后以不低于60℃/分钟的升温速率将线材加热，在740℃-760℃的温度下保温1-10小时；
（5）最后以不低于25℃/分钟的冷却速率将线材冷却至室温，制成截面形状为圆型的MgB2基超导线。
针对本发明的方法的研究，发现采用镁和硼的混合粉末作为烧结粉末，在等于大气压条件下制备的常规方法无法获得在高场下具有高临界电流密度的MgB2超导材料。而如果在镁和硼的混合粉末中同时添加适量的硅和金属铪作为助烧剂，在等于大气压条件下制备的MgB2基超导材料中弥散分布着硅、铪及其化合物，MgB2基超导材料表现出高临界电流密度的特征。
本发明的方法采用硅和金属Hf作为助烧剂，在烧结过程完成后，硅、铪及其化合物弥散分布在最终获得的MgB2基超导材料中，所获得的MgB2基超导材料在3特斯拉以上的背景磁场中具有高的临界电流密度。硅、铪及其化合物弥散分布在最终获得的MgB2基超导材料中，使最终形成的MgB2晶粒细化，有效强化了MgB2晶粒连接。本发明可实现MgB2基超导材料的低成本制备，同时引入了第二相粒子，有效改善了MgB2基超导材料的磁通钉扎。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更清楚地理解本发明，下面通过具体实施方式详细描述其技术方案。
本发明公开的MgB2超导线是截面形状为圆型的超导材料，该超导材料是在MgB2基超导材料中弥散分布着硅、铪及其化合物，该MgB2基原子比组成为Mg∶Hf∶B∶Si＝1-x∶x∶2-x∶x，其中0.05≤x≤0.20。
该超导线的制备步骤包括：
（1）首先将干燥的镁、硼、铪和硅粉末，按照原子比Mg∶Hf∶B∶Si＝1-x∶x∶2-x∶x的比例充分混合1-3小时，其中0.05≤x≤0.20；
（2）将混合后的粉末装入无缝低硅钢管或铌管，再将这一复合体装入无氧铜管中组装成复合体；
（3）将复合体进行室温冷加工过程，经过旋锻、孔型轧制和拉拔三种加工工艺的综合使用加工成线材，线材的最终截面形状为圆型；
（4）将加工到最终尺寸和形状的线材置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，然后以不低于60℃/分钟的升温速率将线材加热，在740℃-760℃的温度下保温1-10小时；
（5）最后以不低于25℃/分钟的冷却速率将线材冷却至室温，制成截面形状为圆型的MgB2基超导线。
下面具体说明符合本发明的技术实例。
实例1
将干燥的镁(99％)、硼(99％)、铪(99％)和硅(99％)粉末按照原子比Mg∶Hf∶B∶Si＝0.95∶0.05∶1.95∶0.05的比例充分混合1小时。将研磨后的粉末装入0.9米长低硅钢管(内径10mm，壁厚1.5mm)中，使粉末在管中达到充实、紧密，然后封闭钢管两端，再将钢管装入1米长无氧铜管(内径13.5mm，壁厚2mm)中。继而，对这一组装的复合体进行旋锻，按照每次0.5mm的道次加工率加工至直径为7mm。然后进行孔型轧制，按照每次1.0mm的道次加工率加工成边长为3mm的方线。将方线按照每次0.2mm的道次加工率加工成直径为1.2mm，长度为50米的线材。将加工后线材置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待达到10-3Pa的真空度后充入纯氩气(＞99％)，然后开始以不低于60℃/分钟的升温速率将线材加热，在750℃的温度下保温3小时，最后以不低于20℃/分钟冷却速率将线材冷却至室温，便制成超导转变温度为35.2K，临界电流密度达到7.0×104A/cm2(25K，1T)的MgB2实用超导复合线材。
实例2
将干燥的镁(99％)、硼(99％)、铪(99％)和硅(99％)粉末按照原子比Mg∶Hf∶B∶Si＝0.9∶0.1∶1.9∶0.1的比例充分混合1小时。将研磨后的粉末装入0.9米长低硅钢管(内径10mm，壁厚1.5mm)中，使粉末在管中达到充实、紧密，然后封闭钢管两端，再将钢管装入1米长无氧铜管(内径13.5mm，壁厚2mm)中。继而，对这一组装的复合体进行旋锻，按照每次0.5mm的道次加工率加工至直径为7mm。然后进行孔型轧制，按照每次1.0mm的道次加工率加工成边长为3mm的方线。将方线按照每次0.2mm的道次加工率加工成直径为1.2mm，长度为50米的线材。将加工后的线材置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待达到10-3Pa的真空度后充入纯氩气(＞99％)，然后开始以不低于60℃/分钟的升温速率将线材加热，在760℃的温度下保温1小时，最后以不低于20℃/分钟冷却速率将线材冷却至室温，便制成超导转变温度为35.1K，临界电流密度达到7.7×104A/cm2(25K，1T)的MgB2实用超导复合线材。
实例3
首先将干燥的镁(99％)、硼(99％)、铪(99％)和硅(99％)粉末按照原子比Mg∶Hf∶B∶Si＝0.8∶0.2∶1.8∶0.2的比例充分混合2小时。将研磨后的粉末装入0.9米长低硅钢管(内径10mm，壁厚1.5mm)中，使粉末在管中达到充实、紧密，然后封闭钢管两端，再将钢管装入1米长无氧铜管(内径13.5mm，壁厚2mm)中。继而，对这一组装的复合体进行旋锻，按照每次0.5mm的道次加工率加工至直径为7mm。然后进行孔型轧制，按照每次1.0mm的道次加工率加工成边长为3mm的方线。将方线按照每次0.2mm的道次加工率加工成直径为1.2mm，长度为50米的线材。将加工后线材置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待达到10-3Pa的真空度后充入纯氩气(＞99％)，然后开始以不低于60℃/分钟的升温速率将线材加热，在740℃的温度下保温10小时，最后以不低于20℃/分钟冷却速率将线材冷却至室温，便制成超导转变温度为35.2K，临界电流密度达到5.9×104A/cm2(25K，1T)的MgB2实用超导复合线材。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种MgB2超导线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)首先将干燥的镁、硼、铪和硅粉末，按照原子比Mg∶Hf∶B∶Si＝1-x∶x∶2-x∶x的比例充分混合1-3小时，其中0.05≤x≤0.20；
(2)将混合后的粉末装入无缝低硅钢管或铌管，再将这一复合体装入无氧铜管中组装成复合体；
(3)将复合体进行室温冷加工过程，经过旋锻、孔型轧制和拉拔三种加工工艺的综合使用加工成线材，线材的最终截面形状为圆型；
(4)将加工到最终尺寸和形状的线材置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，然后以不低于60℃/分钟的升温速率将线材加热，在740℃-760℃的温度下保温1-10小时；
(5)最后以不低于25℃/分钟的冷却速率将线材冷却至室温，制成截面形状为圆型的MgB2基超导线。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，Mg∶Hf∶B∶Si＝0.95∶0.05∶1.95∶0.05。
3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，Mg∶Hf∶B∶Si＝0.9∶0.1∶1.9∶0.1。
4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，Mg∶Hf∶B∶Si＝0.8∶0.2∶1.8∶0.2。
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