CN103329219B - 混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材 - Google Patents

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Abstract

混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材，由Nb阻挡层细丝、Ta阻挡层细丝、Nb虚拟整体细丝和Nb或Ta的外皮构成。在该混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材中，在由Nb虚拟整体细丝形成的核心的附近的细丝区域集中配置Nb阻挡层细丝，在从Nb阻挡层细丝的外侧至Nb或Ta的外皮的内侧的外周部只配置Ta阻挡层细丝，或Nb阻挡层细丝被Ta阻挡层细丝分散而配置。

Description

混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材
技术领域
本发明涉及混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材。
背景技术
在由急热急冷法制作的Nb3Al超导多芯线材中，至今为止，延展性优异，并且熔点超过2000℃的高熔点材料Nb，作为Nb3Al超导丝的阻挡材料使用。然而，Nb具有约9K的临界温度，在极低温环境下显示出超导性，引起细丝之间的磁性耦合。另一方面，为了抑制这样的磁性耦合，尝试使用超导性低的高熔点材料Ta，但Ta延展性差，因此提高了拉丝加工时的断线风险。
在由急热急冷法制作的Nb3Al超导多芯线材中，为了进行这一特殊的超高温热处理，基体材料限制为高熔点金属的Nb或Ta。因此，由急热急冷法制作的Nb3Al超导多芯线材，只有如下两种：如图1所示这样的，配置有在Nb所形成的虚拟核心的周围具有Nb阻挡层的Nb3Al超导丝的全Nb阻挡层细丝线材，或如图2所示这样的，配置有在Nb或Ta所形成的虚拟核心的周围具有Ta阻挡的Nb3Al超导丝全Ta阻挡层细丝线材。
然而，全Nb阻挡层细丝线材，其加工性优异的另一面是，在极低温环境下使用时，如上述，由于Nb的超导性导致细丝之间发生磁性耦合这样所谓的丝耦合现象。为此，尽管是极细多芯构造，但却像一个整体这样行动，并发生伴随着磁化的增大而来的被称为磁通跳跃的不稳定现象，此外也成为使磁滞损耗增大的原因。
作为抑制这样的由Nb的超导性引起的细丝的耦合的新线材，超导性低的高熔点材料Ta被作为阻挡材使用的全Ta阻挡层细丝线材得到开发。然而，在此线材中，虽然细丝的磁性的耦合得到确实地抑制，但拉丝加工性比Nb阻挡层差，因此如上述，会重新发生提高了拉丝加工时的断线风险这样的问题点。
为了解决这些问题而进行研究的是，向Nb阻挡层添加合金而进行常导化，以及对于作为Ta阻挡层所使用的Ta轧制片的纯度和退火条件进行操作，而使Ta基体的拉丝加工性提高。但是，均得不到充分的拉丝加工性，没有达到问题的根本性的解决。
【先行技术文献】
【专利文献】 
【专利文献1】特开2002－33025号公报
【专利文献2】特开2005－85555号公报
【非专利文献】
【非专利文献1】K.Tsuchiya，T.Takeuchi，N.Banno et al.，“Study of Nb3Al Wires for High-field Accelerator Magnet Applications”，IEEE Trans.Appl.Supercond.，vol.20，pp.1411-1414，2010.
【非专利文献2】N.Banno，T.Takeuchi et al.，“Minimization of the hysteresis loss and low-field instability in technical Nb3Al conductors”，Supercond.Sci，Technol.，vol.21，115020(7pp)，2008
【非专利文献3】T.Takeuchi，A.Kikuchi，N.Banno et al.，“Status and perspective of the Nb3Al development”，Cryogenics，vol.48，pp.371-380，2008
发明内容
本发明提供解决这一问题的划时代的Nb3Al超导多芯线材。即，提供一种一边维持拉丝加工性，一边抑制了细丝的磁性耦合的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材。
通过至今为止试制可知，拉丝工序中的线材的断线，是以被称为所谓的中心爆裂的、变形应力的难以到达的核心附近为起点而发生的。就是说，断线的起点集中在形成核心的虚拟的周围。特别是这一现象在Ta阻挡层细丝线材中大量出现，被认为是Ta的拉丝加工性低的主要原因，但关于线材的截面构成对断线造成的影响，至今为止未得到充分研究。
在这样的背景之中，在本发明中，采用新的截面构成，即，在位于虚拟核心的周围的断线风险高的区域，集中配置Nb阻挡层细丝，在断线风 险高的区域至外皮的内侧的区域即外周部，只配置抑制细丝的磁性耦合的Ta阻挡层细丝，或由Ta阻挡层细丝使Nb阻挡层细丝分散而进行配置，由此维持拉丝加工性，并且抑制细丝的磁性耦合。
即，本发明的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材，其特征在于，由Nb阻挡层细丝、Ta阻挡层细丝、Nb虚拟整体细丝，和Nb或Ta的外皮构成，在由Nb虚拟整体细丝形成的核心的附近的细丝区域，Nb阻挡层细丝集中配置，从该Nb阻挡层细丝的外侧至Nb或Ta的外皮的内侧的外周部，只配置Ta阻挡层细丝，或由Ta阻挡层细丝分散Nb阻挡层细丝而进行配置。
在本发明的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材中，优选在外周部，一条或多本Nb阻挡层细丝，被多条Ta阻挡层细丝分散而配置。
另外，在本发明的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材中，优选Nb阻挡层细丝，是Nb片和Al片被卷成冻胶辊（jelly roll：ジェリーロール）状，在其周围设置Nb层而实施拉丝加工的Nb阻挡层细丝。
另外，在本发明的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材中，优选Ta阻挡层细丝，是Nb片和Al片被卷成冻胶辊状，在其周围设置Ta层而实施拉丝加工的Ta阻挡层细丝。
另外，在本发明的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材中，优选Nb虚拟整体细丝的截面占有率为3%～20%，配置在核心附近的细丝区域的Nb阻挡层细丝的截面占有率为4%～40%，外皮的截面占有率为5%～30%，剩余是外周部。
另外，在本发明的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材中，优选外周部的Nb阻挡层细丝的截面占有率为0%～80%。
根据本发明，即使减面率在99%以上也不会发生断线，可实现优异的拉丝加工性，而且，细丝的磁性耦合得到抑制。
附图说明
图1表示全Nb阻挡层细丝线材的截面构造。
图2表示全Ta阻挡层细丝线材的截面构造。
图3表示本发明的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材的截面构造的一 个形式。
图4表示本发明的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材的截面构造的一个形式。
图5表示本发明的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材的截面构造的一个形式。
图6表示本发明的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材的截面构造的一个形式。
图7表示全Nb阻挡层细丝线材和混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材的磁化曲线的比较。
图8表示全Nb阻挡层细丝线材和混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材的临界电流密度特性的比较。
图9是表示由Ag形成的Nb3Al超导内部稳定化线材的截面构造的照片。
图10是表示由Cu形成的Nb3Al超导内部稳定化线材的截面构造的照片。
具体实施方式
本发明拥有如上特征，以下对其实施方式进行说明。
图3是本发明的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材的一个形式的截面图。混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材，例如，是由如下形成的混合阻挡层型的超导多芯线材：例如，Nb片和Al片被卷成冻胶辊状，在其周围设有Nb层，实施拉丝加工而制作的Nb阻挡层细丝1；例如，Nb片和Al片被卷成冻胶辊状，在其周围设有Ta层，实施拉丝加工而制作的Ta阻挡层细丝2；和Nb虚拟整体细丝3。另外，混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材，除了Nb阻挡层细丝1、Ta阻挡层细丝2和Nb虚拟整体细丝3以外，还由Nb或Ta的外皮4构成。Nb虚拟整体细丝3，例如，能够通过拉拔加工制作。
然后，在混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材中，在由Nb虚拟整体细丝3所形成的核心的附近的细丝区域，Nb阻挡层细丝1集中配置，由该Nb阻挡层细丝1的外侧至Nb或Ta的外皮4的内侧的外周部，Nb阻挡层 细丝1被Ta阻挡层细丝2分散而配置，Nb阻挡层细丝1在外周部散布。
这样的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材，由急热急冷法制作，但通过活用作为高熔点金属的Nb优异的拉丝加工性，将以Nb作为阻挡材的Nb阻挡层细丝1集中配置在由Nb虚拟整体细丝3所形成的核心的附近的细丝区域，从而维持拉丝加工性。另外，在由集中配置的Nb阻挡层细丝1的外侧至Nb或Ta的外皮4的内侧的外周部，通过使Nb阻挡层细丝1经由Ta阻挡层细丝2分散配置，Nb阻挡层细丝1因全体邻接而产生的细丝的磁性耦合被Ta阻挡层细丝2分离。因此，能够抑制极低温下的经由Nb阻挡层的细丝的磁性耦合。
混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材的截面构成，除了如图3所示这样以外，还如图4所示，例示为，在从集中配置的Nb阻挡层细丝1的外侧至Nb或Ta的外皮4的内侧的外周部，Nb阻挡层细丝1呈岛状配置，被Ta阻挡层细丝2分散。另外，如图5所示这样，在外周部，Nb阻挡层细丝1呈放射状配置，被Ta阻挡层细丝2分散，此外，如图6所示这样，例示为在外周部只配置Ta阻挡层细丝2等等。混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材的截面构成，并不限定为这些方式，只要在外周部，Nb阻挡层细丝1被Ta阻挡层细丝2分散配置，或是只配置Ta阻挡层细丝2，则能够采用的任意的截面构成。
另外，在混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材中，维持拉丝加工性，并且对于细丝的磁性耦合的抑制有效的优选的配置如下。即，Nb虚拟整体细丝3的截面占有率为3%～20%，配置在核心附近的细丝区域的Nb阻挡层细丝1的截面占有率为4%～40%，外皮4的截面占有率为5%～30%，剩余的是只有Ta阻挡层细丝2的外周部，或Nb阻挡层细丝1被Ta阻挡层细丝2分散配置的外周部。在此，所谓截面占有率，意思是截面的面积率。
关于Nb虚拟整体细丝3的截面占有率，若低于3%，则即使细丝区域的全部都使用Nb阻挡层细丝1，也不能确保充分的拉丝加工性，断线风险急剧增大。反之则断线风险的减轻，在20%以下可见充分的效果，若超过20%，则线材的内部的超导部的截面占有率减少，因此难以维持优异的超导电流特性。因此，Nb虚拟整体细丝3的截面占有率优选为3%～20%。
关于配置在核心附近的细丝区域的Nb阻挡层细丝1的截面占有率，若低于4%，则已经不能在核心的周围配置充分的Nb阻挡层细丝1，可预见到断线风险增大。另一方面，若超过40%，，则在核心的周围细丝耦合的层的厚度增大，因此无法充分获得作为混合阻挡层的效果。因此，配置在核心附近的细丝区域的Nb阻挡层细丝1的截面占有率优选为4%～40%。
关于外皮4的截面占有率，若低于5%，则拉丝加工中外皮4破裂，另外，在进行急热急冷处理时，在2000℃的高温下无法确保充分的强度，断线的可能性高。另一方面，在30%以下，则对于加工性和强度可见充分的效果，若超过30%，则线材的内部的超导部的截面占有率减少，因此难以维持优异的超导电流特性。因此，外皮4的截面占有率优选为5%～30%。
剩余的细丝区域是外周部，外周部的Nb阻挡层细丝1的截面占有率优选为0%～80%。在外周部，断线风险小，即使不配置Nb阻挡层细丝1，只配置Ta阻挡层细丝2，即，使Nb阻挡层细丝1的截面占有率为0%，仍可预见到能够维持充分的拉丝加工性。另外，为了尽可能提高拉丝加工性，并且维持抑制细丝的磁性耦合的效果，优选使Nb阻挡层细丝1的截面占有率在80%以下，若超过80%，则Nb阻挡层细丝1之间遍及细丝区域发生耦合，难以用Ta阻挡层细丝2分离其耦合。
还有，为了最终确保Nb3Al超导多芯线材的优异的电流特性，优选Nb阻挡层细丝1和Ta阻挡层细丝2的芯部的Nb/Al比，以原子比计为2.3～4。
【实施例】 
制作图3所示这样的、总细丝数241条的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材。该线材的Nb虚拟整体细丝的条数为19（截面占有率7%），核心附近的细丝区域的Nb阻挡层细丝的条数为30（截面占有率11%），外周部的Ta阻挡层细丝的条数为144，Nb阻挡层细丝条数为48（外周部的Nb阻挡层细丝的截面占有率为25%）。另外，外皮使用Ta（截面占有率13%）。还有，Nb阻挡层细丝和Ta阻挡层细丝的芯部的Nb/Al比，以原子比计为3。
这样的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材，以如下方式制作。Nb阻 挡层细丝和Ta阻挡层细丝，通过冻胶辊法制作，压出，使用超硬钢模拉丝至外径2mm。以图3所示的方式配置得到的Nb阻挡层细丝和Ta阻挡层细丝和Nb虚拟整体细丝，在其周围作为外皮缠绕Ta片数圈，以静水压压出后，以超硬钢模实施拉丝加工。拉丝加工可以仅利用现有技术进行。
在现有的全Ta阻挡层细丝线材中，在拉丝加工中减面加工率为95%时开始断线，相对于此，在混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材中，减面率即使在99%以上也不会发生断线，确认到具有优异的加工性。
其次，对加工线材实施大约2000℃的急热急冷处理，生成Nb－Al过饱和固溶体相，接着以800℃进行10小时的热处理，通过相变使Nb3Al超导相生成后，由SQUID进行磁化测量。其结果如图7所示，相比因细丝的磁性耦合导致磁化增大的全Nb阻挡层细丝线材，可确认其磁化得到显著抑制。在全Nb阻挡层细丝线材中出现的在低磁场侧的突发性的磁化增大，是细丝的磁性耦合现象的表现。混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材，具有抑制细丝的磁性耦合的效果。
该混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材，关于临界电流特性，如图8所示，在15T的磁场下，非铜部的线材的单位截面积的值为700A/mm2，可确认具有与现有的Nb3Al超导多芯线材同等的性能。
当然，本发明并不限定为以上的例子，关于细节可以是各种形态。
例如，在由急热急冷法制作的Nb3Al线材之中，如图9和图10所示，Nb阻挡层细丝或Ta阻挡层细丝的芯部不是Nb/Al复合材料，而是配置有由Cu和Ag掩埋的细丝的所谓内部稳定化线材，但是该内部稳定化线材，意图是提高通电稳定性，而不是解决拉丝加工性和抑制细丝耦合。在本发明的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材中，可以应用该内部稳定化线材。具体来说，混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材，如果具有在核心附近的细丝区域集中配置Nb阻挡层细丝的构造，则如图9和图10所示，能够将Nb虚拟整体细丝的一部分置换成由Ta和Nb被覆的Cu或Ag细丝。同样，在外周部，也能够部分地配置由Ta和Nb被覆的Cu或Ag细丝。
另外，Nb阻挡层细丝和Ta阻挡层细丝，不限于由使用了Nb片和Al片的冻胶辊法制作，只要生成Nb3Al相，形成Nb和Al的微细的扩散对即可。例如，通过使用了Nb管和Al芯的棒管法、填充Nb粉末和Al粉末 的混合粉末而制作的粉末套管法等，也能够制作Nb阻挡层细丝和Ta阻挡层细丝。
【产业上的可利用性】
本发明能够解决断线风险和细丝的磁性耦合这样的问题，而且，实现了现有的Nb3Al超导多芯线材同等以上的超导特性。因此，作为具体的应用端，可列举设于20T级的高分辨力NMR分析装置、核融合示范炉、高能粒子加速器等的大型高磁场磁体等。
【符号说明】 
1  Nb阻挡层细丝
2  Ta阻挡层细丝
3  Nb虚拟整体细丝
4  Nb或Ta的外皮

Claims (6)

1.一种混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材，其特征在于，由在Nb3Al超导丝的周围设有Nb层而形成的Nb阻挡层细丝、在Nb3Al超导丝的周围设有Ta层而形成的Ta阻挡层细丝、Nb虚拟整体细丝和Nb或Ta的外皮构成，在由Nb虚拟整体细丝形成的核心的附近的细丝区域集中配置Nb阻挡层细丝，在从该Nb阻挡层细丝的外侧至Nb或Ta的外皮的内侧的外周部只配置Ta阻挡层细丝，或Nb阻挡层细丝被Ta阻挡层细丝分散而配置。
2.根据权利要求1所述的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材，其特征在于，在所述外周部，1条或多条Nb阻挡层细丝被多条Ta阻挡层细丝分散而配置。
3.根据权利要求1所述的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材，其特征在于，所述Nb阻挡层细丝是Nb片和Al片被卷成冻胶辊状，在其周围设置Nb层并实施拉丝加工而成的Nb阻挡层细丝。
4.根据权利要求1所述的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材，其特征在于，所述Ta阻挡层细丝是Nb片和Al片被卷成冻胶辊状，在其周围设置Ta层并实施拉丝加工而成的Ta阻挡层细丝。
5.根据权利要求1所述的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材，其特征在于，Nb虚拟整体细丝的截面占有率为3％～20％，配置在核心附近的细丝区域的Nb阻挡层细丝的截面占有率为4％～40％，外皮的截面占有率为5％～30％，剩余的为所述外周部。
6.根据权利要求5所述的混合阻挡层型Nb3Al超导多芯线材，其特征在于，所述外周部的Nb阻挡层细丝相对于所述外周部的截面占有率为0％～80％。
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