CN103440931B - 一种矩形多芯复合超导带材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，该方法为：一、将无定形硼粉、镁粉和苹果酸乙醇溶液制成混合浆体；二、制备装管前驱粉；三、装管，旋锻拉拔，得到Cu-Nb-MgB2单芯棒；四、将Cu-Nb-MgB2单芯棒和Cu-NbTi单芯棒装入Cu-Ni合金管中进行二次组装，得到二次复合体；五、将二次复合体加工成线材，然后进行旋锻拉拔，得到矩形多芯复合带材；六、缠绕高硅氧玻璃纤维，盘圆，两端夹扁；七、热处理，得到矩形多芯复合超导带材。采用本发明的方法制备的复合超导带材较单一的MgB2和NbTi超导材料具有更宽的温度使用范围和更高的使用磁场。

Description

一种矩形多芯复合超导带材的制备方法
技术领域
本发明属于超导材料制备技术领域，具体涉及一种矩形多芯复合超导带材的制备方法。
背景技术
随着地球“气候变暖”和人类生存环境的恶化，发展节能、环保以及新能源技术成为21世纪人类必然的选择；而超导材料作为21世纪最重要的高技术节能环保材料在大规模输配电、超强磁体、储能、发电机、变压器、磁悬浮列车等领域有着广泛的应用。
目前，低温超导体NbTi合金是运用最广泛的超导材料，具有优越的机械加工性能和超导性能，其长度可达万米。NbTi超导体的制造成本低于其它低温超导材料，且工艺成熟，性能稳定，因此得到广泛的应用。包括我国在内的美国、俄罗斯、欧洲以及其它很多国家和地区都对NbTi超导线材的实际运用做了很多富有成效的研究。但是，NbTi超导体一般工作在液氦（4.2K）温度下，且液氦的比热很小，在使用过程中会被大量损耗，而液氦的购买必须依靠美国等西方国家，因此对于NbTi超导体的实用化受到一定的限制。NbTi超导体的临界转变温度为9.8K，小的热扰动就有可能导致其发生失超现象，产生大量热，造成液氦的大量损失，且影响磁体系统的稳定性。
MgB2超导材料由于其临界温度高（Tc=39K）、相干长度大、不存在晶界弱连接等优点，这一系列的优点使得MgB2超导体一出现就迅速引起人们的广泛关注。由于市场上小型制冷机就可以很容易达到20K左右的低温，因此，MgB2超导材料被认为有望实现20K工作温度下，1～3T医疗核磁共振成像（MRI）磁体的应用。MgB2超导线带材一般选用无氧铜作为稳定层，选用Nb、Ta和Ti作为阻隔层材料，外包套材料则多选用Fe、不锈钢、Monel和CuNi合金，随着外包套材料的强度升高，生成的MgB2超导芯的致密度有一定的增加。但是MgB2超导体由于其粉体固有的性质，导致其机械系能差，在很小的应力下就会发生失超现象，且其临界电流密度受磁场影响大，需要引入有效的钉扎中心，而化学掺杂是一种有效的掺杂方式。
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，提供一种矩形多芯复合超导带材的制备方法。该方法采用溶液包覆工艺制备装管前驱粉，可以保证掺杂C均匀分布，不会造成团聚现象，并且分解产生的C活性高，在较低的温度下就可以起到掺杂作用，而较低的热处理温度可以保证较细的晶粒，较细的晶粒则可以提供更有效的钉扎中心，提高带材在较高磁场条件下的临界电流及扩散层对带材超导性能的影响。采用本发明的方法制备的复合超导带材较单一的MgB2和NbTi超导材料具有更宽的温度使用范围和更高的使用磁场。当温度大于9.8K时，由MgB2超导芯丝提供传输电流；当温度小于9.8K时，由MgB2芯丝和NbTi超导芯丝共同提供传输电流。而且当铌钛超导材料失去超导电性后，在MgB2超导体超导转变温度以下，尤其是在20-35K，MgB2芯丝可以起到很好的分流作用，将NbTi超导芯丝中绝大部分电流分流到具有零电阻效应的MgB2芯丝中，从而对磁体系统进行很好的保护。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将无定形硼粉和镁粉按照Mg∶B=1∶2的原子比配料，混合均匀，然后向混合物中加入苹果酸乙醇溶液，在200r/min～400r/min下搅拌30min～90min，得到混合浆体；所述苹果酸乙醇溶液中苹果酸的质量为无定形硼粉和镁粉总质量的10%～30%；所述苹果酸乙醇溶液中苹果酸的质量百分比浓度为15%～25%；
步骤二、将步骤一中所述混合浆体在50℃～60℃下真空焙干，研磨得到粉末；将所述粉末置于管式炉中，在氩气保护下以0.5℃/min～1℃/min的速率升温至180℃～200℃后恒温1h～2h进行低温分解处理，随炉冷却后研磨均匀得到装管前驱粉；
步骤三、将步骤二中所述装管前驱粉装入Nb管中，得到装管复合体；然后对所述装管复合体进行旋锻拉拔，得到具有正六边形截面的Cu-Nb-MgB2单芯棒；再对所述Cu-Nb-MgB2单芯棒进行定尺和截断，然后酸洗去除表面氧化皮；
步骤四、将9根步骤三中经酸洗后的Cu-Nb-MgB2单芯棒和10根具有正六边形截面的Cu-NbTi单芯棒装入Cu-Ni合金管中进行二次组装，得到二次复合体；所述二次复合体的结构为：1根Cu-NbTi单芯棒位于Cu-Ni合金管中心，9根Cu-Nb-MgB2单芯棒和9根Cu-NbTi单芯棒分为内、外两层围绕位于Cu-Ni合金管中心的Cu-NbTi单芯棒，其中内层由3根Cu-Nb-MgB2单芯棒和3根Cu-NbTi单芯棒交错排列而成，外层由6根Cu-Nb-MgB2单芯棒和6根Cu-NbTi单芯棒交错排列而成；所述Cu-NbTi单芯棒的尺寸与Cu-Nb-MgB2单芯棒的尺寸相同；
步骤五、采用旋锻拉拔和孔型轧制相结合的加工方法将步骤四中所述二次复合体加工成线材，然后采用8%～10%的道次加工率经过3～4个矩形模具对所述线材进行旋锻拉拔，得到矩形多芯复合带材；
步骤六、在步骤五中所述矩形多芯复合带材表面缠绕一层高硅氧玻璃纤维，然后盘圆，并将缠绕高硅氧玻璃纤维后的矩形多芯复合带材两端夹扁；所述高硅氧玻璃纤维是指SiO2含量为96%以上的玻璃纤维；
步骤七、将步骤六中两端夹扁后的矩形多芯复合带材置于不锈钢板上，一同放入真空炉中抽真空，待真空度达到2Pa以下，以10℃/min～20℃/min的升温速率升温至600℃～700℃，恒温1h～4h后自然冷却；然后对自然冷却后的矩形多芯复合带材进行3～4次时效热处理，得到矩形多芯复合超导带材；所述时效热处理的过程为：抽真空，待真空度达到5×10-2Pa以下，以1℃/min～3℃/min的升温速率升温至380℃～420℃，恒温20h～40h后自然冷却。
上述的一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，步骤三中所述正六边形的边长为2mm～3mm。
上述的一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，步骤四中所述Cu-NbTi单芯棒由外层的无氧铜层、中间层铌层和内层NbTi合金层三层组成；所述无氧铜层、铌层和NbTi合金层的质量比为1∶（0.1～0.15）∶（0.8～1.2），其中NbTi合金层中Nb的质量百分含量为50%～54%，余量为Ti。
上述的一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，步骤四中所述Cu-Ni合金管中Cu的质量百分含量为85%～90%，余量为Ni。
上述的一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，骤四中所述Cu-Ni合金管的外径为24mm～36mm，壁厚为3mm～4mm。
上述的一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，步骤五中所述旋锻拉拔和孔型轧制相结合的加工方法为：先采用15%～20%的道次加工率对二次复合体进行旋锻拉拔，然后采用10%～15%的道次加工率进行孔型轧制，再采用10%～15%的道次加工率进行旋锻拉拔。
上述的一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，步骤五中所述线材为直径1.6mm～2.0mm的圆形线材。
上述的一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，步骤五中所述矩形多芯复合带材的宽度为1.4mm～1.7mm，厚度为1.0mm～1.2mm。
上述的一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，步骤六中所述高硅氧玻璃纤维为S级高硅氧玻璃纤维。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用溶液包覆工艺制备装管前驱粉，可以保证掺杂C均匀分布，不会造成团聚现象，并且分解产生的C活性高，在较低的温度下就可以起到掺杂作用，而较低的热处理温度可以保证较细的晶粒，较细的晶粒则可以提供更有效的钉扎中心，提高带材在较高磁场条件下的临界电流及扩散层对带材超导性能的影响。
2、采用本发明的方法制备的复合超导带材较单一的MgB2和NbTi超导材料具有更宽的温度使用范围和更高的使用磁场。当温度大于9.8K时，由MgB2超导芯丝提供传输电流；当温度小于9.8K时，由MgB2芯丝和NbTi超导芯丝共同提供传输电流。而且当铌钛超导材料失去超导电性后，在MgB2超导体超导转变温度以下，尤其是在20-35K，MgB2芯丝可以起到很好的分流作用，将NbTi超导芯丝中绝大部分电流分流到具有零电阻效应的MgB2芯丝中，从而对磁体系统进行很好的保护。
3、本发明的NbTi超导芯丝可以为MgB2超导体提供机械强度支撑，从而满足更高强度的使用。多芯线所选用的特殊的组装结构，有利于改善粉体流动性、抑制缺陷产生，制备的多芯带材的整体尺寸以及芯丝尺寸更均匀。
4、本发明采用中心增强的结构，有效强化了MgB2晶粒的连接性，且外层包套材料选用Cu-Ni合金，不但可以保证多芯带材具有优良的导电性能和导热性能，而且由于其强度较高可以改善MgB2芯丝内粉体的流动性，并且使得带材的机械强度增加。
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为本发明第一种实施方式和第二种实施方式中的二次复合体的结构示意图。
图2为本发明第三种实施方式、第四种实施方式和第五种实施方式中的二次复合体的结构示意图。
附图标记说明:
1—Cu-Ni合金管；  2—Cu-Nb-MgB2单芯棒；  3—Cu-NbTi单芯棒。
具体实施方式
实施例1
步骤一、将无定形硼粉和镁粉按照Mg∶B=1∶2的原子比配料，混合均匀，然后向混合物中加入苹果酸乙醇溶液，在200r/min下搅拌90min，得到混合浆体；所述苹果酸乙醇溶液中苹果酸的质量为无定形硼粉和镁粉总质量的10%；所述苹果酸乙醇溶液中苹果酸的质量百分比浓度为15%；
步骤二、将步骤一中所述混合浆体倾入培养皿中，放入真空烘箱中，在50℃下真空焙干，研磨得到粉末；将所述粉末置于管式炉中，在氩气保护下以0.5℃/min的速率升温至180℃后恒温2h进行低温分解处理，随炉冷却后研磨均匀得到装管前驱粉；
步骤三、将步骤二中所述装管前驱粉装入外径为10mm，壁厚为1mm的Nb管中，得到装管复合体；采用15%的道次加工率对所述装管复合体进行旋锻拉拔，得到具有边长为2mm的正六边形截面的Cu-Nb-MgB2单芯棒2；再对所述Cu-Nb-MgB2单芯棒2按照1m的长度进行定尺和截断，然后酸洗去除表面氧化皮；
步骤四、按照图1的方式，将9根步骤三中经酸洗后的Cu-Nb-MgB2单芯棒2和10根具有边长为2mm的正六边形截面的Cu-NbTi单芯棒3装入Cu-Ni合金管1中进行二次组装，得到二次复合体；所述二次复合体的结构为：1根Cu-NbTi单芯棒3位于Cu-Ni合金管1中心，9根Cu-Nb-MgB2单芯棒2和9根Cu-NbTi单芯棒3分为内、外两层围绕位于Cu-Ni合金管1中心的Cu-NbTi单芯棒3，其中内层由3根Cu-Nb-MgB2单芯棒2和3根Cu-NbTi单芯棒3交错排列而成，外层由6根Cu-Nb-MgB2单芯棒2和6根Cu-NbTi单芯棒3交错排列而成；所述Cu-NbTi单芯棒3的尺寸与Cu-Nb-MgB2单芯棒2的尺寸相同；所述Cu-NbTi单芯棒3由外层的无氧铜层、中间层铌层和内层NbTi合金层三层组成，其中无氧铜层、铌层和NbTi合金层的质量比为1∶0.1∶0.8，其中NbTi合金层中Nb的质量百分含量为50%，余量为Ti；所述Cu-Ni合金管1中Cu的质量百分含量为85%，余量为Ni；所述Cu-Ni合金管1的外径为24mm，壁厚为3mm；
步骤五、先采用20%的道次加工率对步骤四中所述二次复合体进行4道次的旋锻拉拔，然后采用10%的道次加工率进行10道次的孔型轧制，再采用10%的道次加工率进行旋锻拉拔，得到直径为1.6mm的圆形线材；采用10%的道次加工率经过3个矩形模具对所述线材进行旋锻拉拔，得到宽度为1.4mm，厚度为1.0mm的矩形多芯复合带材；
步骤六、在步骤五中所述矩形多芯复合带材表面缠绕一层S级高硅氧玻璃纤维，然后盘圆，并将缠绕S级高硅氧玻璃纤维后的矩形多芯复合带材两端夹扁（以降低镁的损失）；
步骤七、将步骤六中两端夹扁后的矩形多芯复合带材置于不锈钢板上，一同放入真空炉中抽真空，待真空度达到1.9Pa后，以10℃/min的升温速率升温至600℃，恒温4h后自然冷却；然后对自然冷却后的矩形多芯复合带材进行3次时效热处理，得到矩形多芯复合超导带材；所述时效热处理的过程为：抽真空，待真空度达到4.7×10-2Pa后，以1℃/min的升温速率升温至380℃，恒温后自然冷却；3次时效热处理的恒温时间分别为20h、30h、40h。
本实施例制备的矩形多芯复合超导带材在20K，1T时，临界电流密度Jc达到6.1×104A/cm2，4.2K，6T时，临界电流密度Jc达到9.8×104A/cm2，机械强度中的Rp0.2达到了164MPa。
实施例2
步骤一、将无定形硼粉和镁粉按照Mg∶B=1∶2的原子比配料，混合均匀，然后向混合物中加入苹果酸乙醇溶液，在400r/min下搅拌30min，得到混合浆体；所述苹果酸乙醇溶液中苹果酸的质量为无定形硼粉和镁粉总质量的30%；所述苹果酸乙醇溶液中苹果酸的质量百分比浓度为25%；
步骤二、将步骤一中所述混合浆体倾入培养皿中，放入真空烘箱中，在60℃下真空焙干，研磨得到粉末；将所述粉末置于管式炉中，在氩气保护下以1℃/min的速率升温至200℃后恒温1h进行低温分解处理，随炉冷却后研磨均匀得到装管前驱粉；
步骤三、将步骤二中所述装管前驱粉装入外径为10mm，壁厚为1mm的Nb管中，得到装管复合体；采用12%的道次加工率对所述装管复合体进行旋锻拉拔，得到具有边长为3mm的正六边形截面的Cu-Nb-MgB2单芯棒2；再对所述Cu-Nb-MgB2单芯棒2按照1.2m的长度进行定尺和截断，然后酸洗去除表面氧化皮；
步骤四、按照图1的方式，将9根步骤三中经酸洗后的Cu-Nb-MgB2单芯棒2和10根具有边长为3mm的正六边形截面的Cu-NbTi单芯棒3装入Cu-Ni合金管1中进行二次组装，得到二次复合体；所述二次复合体的结构为：1根Cu-NbTi单芯棒3位于Cu-Ni合金管1中心，9根Cu-Nb-MgB2单芯棒2和9根Cu-NbTi单芯棒3分为内、外两层围绕位于Cu-Ni合金管1中心的Cu-NbTi单芯棒3，其中内层由3根Cu-Nb-MgB2单芯棒2和3根Cu-NbTi单芯棒3交错排列而成，外层由6根Cu-Nb-MgB2单芯棒2和6根Cu-NbTi单芯棒3交错排列而成；所述Cu-NbTi单芯棒3的尺寸与Cu-Nb-MgB2单芯棒2的尺寸相同；所述Cu-NbTi单芯棒3由外层的无氧铜层、中间层铌层和内层NbTi合金层三层组成，其中无氧铜层、铌层和NbTi合金层的质量比为1∶0.15∶1.2，其中NbTi合金层中Nb的质量百分含量为54%，余量为Ti；所述Cu-Ni合金管1中Cu的质量百分含量为90%，余量为Ni；所述Cu-Ni合金管1的外径为36mm，壁厚为4mm；
步骤五、先采用15%的道次加工率对步骤四中所述二次复合体进行5道次的旋锻拉拔，然后采用15%的道次加工率进行8道次的孔型轧制，再采用15%的道次加工率进行旋锻拉拔，得到直径为2.0mm的圆形线材；采用8%的道次加工率经过4个矩形模具对所述线材进行旋锻拉拔，得到宽度为1.7mm，厚度为1.2mm的矩形多芯复合带材；
步骤六、在步骤五中所述矩形多芯复合带材表面缠绕一层S级高硅氧玻璃纤维，然后盘圆，并将缠绕S级高硅氧玻璃纤维后的矩形多芯复合带材两端夹扁（以降低镁的损失）；
步骤七、将步骤六中两端夹扁后的矩形多芯复合带材置于不锈钢板上，一同放入真空炉中抽真空，待真空度达到1.5Pa后，以20℃/min的升温速率升温至700℃，恒温1h后自然冷却；然后对自然冷却后的矩形多芯复合带材进行4次时效热处理，得到矩形多芯复合超导带材；所述时效热处理的过程为：抽真空，待真空度达到4.2×10-3Pa后，以3℃/min的升温速率升温至420℃，恒温后自然冷却；4次时效热处理的恒温时间分别为20h、20h、20h、30h。
本实施例制备的矩形多芯复合超导带材在20K，1T时，临界电流密度Jc达到4.6×104A/cm2，4.2K，6T时，临界电流密度Jc达到8.4×104A/cm2，机械强度中的Rp0.2达到了121MPa。
实施例3
步骤一、将无定形硼粉和镁粉按照Mg∶B=1∶2的原子比配料，混合均匀，然后向混合物中加入苹果酸乙醇溶液，在300r/min下搅拌60min，得到混合浆体；所述苹果酸乙醇溶液中苹果酸的质量为无定形硼粉和镁粉总质量的20%；所述苹果酸乙醇溶液中苹果酸的质量百分比浓度为20%；
步骤二、将步骤一中所述混合浆体倾入培养皿中，放入真空烘箱中，在55℃下真空焙干，研磨得到粉末；将所述粉末置于管式炉中，在氩气保护下以1℃/min的速率升温至200℃后恒温1h进行低温分解处理，随炉冷却后研磨均匀得到装管前驱粉；
步骤三、将步骤二中所述装管前驱粉装入外径为10mm，壁厚为1mm的Nb管中，得到装管复合体；采用15%的道次加工率对所述装管复合体进行旋锻拉拔，得到具有边长为2.5mm的正六边形截面的Cu-Nb-MgB2单芯棒2；再对所述Cu-Nb-MgB2单芯棒2按照1.3m的长度进行定尺和截断，然后酸洗去除表面氧化皮；
步骤四、按照图2的方式，将9根步骤三中经酸洗后的Cu-Nb-MgB2单芯棒2和10根具有边长为2.5mm的正六边形截面的Cu-NbTi单芯棒3装入Cu-Ni合金管1中进行二次组装，得到二次复合体；所述二次复合体的结构为：1根Cu-NbTi单芯棒3位于Cu-Ni合金管1中心，9根Cu-Nb-MgB2单芯棒2和9根Cu-NbTi单芯棒3分为内、外两层围绕位于Cu-Ni合金管1中心的Cu-NbTi单芯棒3，其中内层由3根Cu-Nb-MgB2单芯棒2和3根Cu-NbTi单芯棒3交错排列而成，外层由6根Cu-Nb-MgB2单芯棒2和6根Cu-NbTi单芯棒3交错排列而成；所述Cu-NbTi单芯棒3的尺寸与Cu-Nb-MgB2单芯棒2的尺寸相同；所述Cu-NbTi单芯棒3由外层的无氧铜层、中间层铌层和内层NbTi合金层三层组成，其中无氧铜层、铌层和NbTi合金层的质量比为1∶0.12∶1.0，其中NbTi合金层中Nb的质量百分含量为52%，余量为Ti；所述Cu-Ni合金管1中Cu的质量百分含量为88%，余量为Ni；所述Cu-Ni合金管1的外径为31mm，壁厚为3.5mm；
步骤五、先采用18%的道次加工率对步骤四中所述二次复合体进行5道次的旋锻拉拔，然后采用12%的道次加工率进行9道次的孔型轧制，再采用12%的道次加工率进行旋锻拉拔，得到直径为1.8mm的圆形线材；采用9%的道次加工率经过3个矩形模具对所述线材进行旋锻拉拔，得到宽度为1.6mm，厚度为1.1mm的矩形多芯复合带材；
步骤六、在步骤五中所述矩形多芯复合带材表面缠绕一层S级高硅氧玻璃纤维，然后盘圆，并将缠绕S级高硅氧玻璃纤维后的矩形多芯复合带材两端夹扁（以降低镁的损失）；
步骤七、将步骤六中两端夹扁后的矩形多芯复合带材置于不锈钢板上，一同放入真空炉中抽真空，待真空度达到1.6Pa后，以15℃/min的升温速率升温至650℃，恒温2h后自然冷却；然后对自然冷却后的矩形多芯复合带材进行4次时效热处理，得到矩形多芯复合超导带材；所述时效热处理的过程为：抽真空，待真空度达到3.8×10-3Pa后，以2℃/min的升温速率升温至400℃，恒温后自然冷却；4次时效热处理的恒温时间分别为30h、30h、30h、40h。
本实施例制备的矩形多芯复合超导带材在20K，1T时，临界电流密度Jc达到5.3×104A/cm2，4.2K，6T时，临界电流密度Jc达到10.4×104A/cm2，机械强度中的Rp0.2达到了148MPa。
实施例4
步骤一、将无定形硼粉和镁粉按照Mg∶B=1∶2的原子比配料，混合均匀，然后向混合物中加入苹果酸乙醇溶液，在300r/min下搅拌70min，得到混合浆体；所述苹果酸乙醇溶液中苹果酸的质量为无定形硼粉和镁粉总质量的25%；所述苹果酸乙醇溶液中苹果酸的质量百分比浓度为20%；
步骤二、将步骤一中所述混合浆体倾入培养皿中，放入真空烘箱中，在60℃下真空焙干，研磨得到粉末；将所述粉末置于管式炉中，在氩气保护下以0.8℃/min的速率升温至200℃后恒温1.2h进行低温分解处理，随炉冷却后研磨均匀得到装管前驱粉；
步骤三、将步骤二中所述装管前驱粉装入外径为10mm，壁厚为1mm的Nb管中，得到装管复合体；采用12%的道次加工率对所述装管复合体进行旋锻拉拔，得到具有边长为2.25mm的正六边形截面的Cu-Nb-MgB2单芯棒2；再对所述Cu-Nb-MgB2单芯棒2按照1.0m的长度进行定尺和截断，然后酸洗去除表面氧化皮；
步骤四、按照图2的方式，将9根步骤三中经酸洗后的Cu-Nb-MgB2单芯棒2和10根具有边长为2.25mm的正六边形截面的Cu-NbTi单芯棒3装入Cu-Ni合金管1中进行二次组装，得到二次复合体；所述二次复合体的结构为：1根Cu-NbTi单芯棒3位于Cu-Ni合金管1中心，9根Cu-Nb-MgB2单芯棒2和9根Cu-NbTi单芯棒3分为内、外两层围绕位于Cu-Ni合金管1中心的Cu-NbTi单芯棒3，其中内层由3根Cu-Nb-MgB2单芯棒2和3根Cu-NbTi单芯棒3交错排列而成，外层由6根Cu-Nb-MgB2单芯棒2和6根Cu-NbTi单芯棒3交错排列而成；所述Cu-NbTi单芯棒3的尺寸与Cu-Nb-MgB2单芯棒2的尺寸相同；所述Cu-NbTi单芯棒3由外层的无氧铜层、中间层铌层和内层NbTi合金层三层组成，其中无氧铜层、铌层和NbTi合金层的质量比为1∶0.1∶1.2，其中NbTi合金层中Nb的质量百分含量为54%，余量为Ti；所述Cu-Ni合金管1中Cu的质量百分含量为85%，余量为Ni；所述Cu-Ni合金管1的外径为29mm，壁厚为3.5mm；
步骤五、先采用18%的道次加工率对步骤四中所述二次复合体进行5道次的旋锻拉拔，然后采用12%的道次加工率进行9道次的孔型轧制，再采用12%的道次加工率进行旋锻拉拔，得到直径为1.8mm的圆形线材；采用9%的道次加工率经过3个矩形模具对所述线材进行旋锻拉拔，得到宽度为1.6mm，厚度为1.1mm的矩形多芯复合带材；
步骤六、在步骤五中所述矩形多芯复合带材表面缠绕一层S级高硅氧玻璃纤维，然后盘圆，并将缠绕S级高硅氧玻璃纤维后的矩形多芯复合带材两端夹扁（以降低镁的损失）；
步骤七、将步骤六中两端夹扁后的矩形多芯复合带材置于不锈钢板上，一同放入真空炉中抽真空，待真空度达到1.3Pa后，以15℃/min的升温速率升温至680℃，恒温2h后自然冷却；然后对自然冷却后的矩形多芯复合带材进行3次时效热处理，得到矩形多芯复合超导带材；所述时效热处理的过程为：抽真空，待真空度达到4.0×10-3Pa后，以1℃/min的升温速率升温至400℃，恒温后自然冷却；3次时效热处理的恒温时间分别30h、40h、40h。
本实施例制备的矩形多芯复合超导带材在20K，1T时，临界电流密度Jc达到4.2×104A/cm2，4.2K，6T时，临界电流密度Jc达到9.5×104A/cm2，机械强度中的Rp0.2达到了135MPa。
实施例5
步骤一、将无定形硼粉和镁粉按照Mg∶B=1∶2的原子比配料，混合均匀，然后向混合物中加入苹果酸乙醇溶液，在350r/min下搅拌50min，得到混合浆体；所述苹果酸乙醇溶液中苹果酸的质量为无定形硼粉和镁粉总质量的15%；所述苹果酸乙醇溶液中苹果酸的质量百分比浓度为20%；
步骤二、将步骤一中所述混合浆体倾入培养皿中，放入真空烘箱中，在55℃下真空焙干，研磨得到粉末；将所述粉末置于管式炉中，在氩气保护下以0.5℃/min的速率升温至190℃后恒温1.5h进行低温分解处理，随炉冷却后研磨均匀得到装管前驱粉；
步骤三、将步骤二中所述装管前驱粉装入外径为10mm，壁厚为1mm的Nb管中，得到装管复合体；采用12%的道次加工率对所述装管复合体进行旋锻拉拔，得到具有边长为2.25mm的正六边形截面的Cu-Nb-MgB2单芯棒2；再对所述Cu-Nb-MgB2单芯棒2按照1.0m的长度进行定尺和截断，然后酸洗去除表面氧化皮；
步骤四、按照图2的方式，将9根步骤三中经酸洗后的Cu-Nb-MgB2单芯棒2和10根具有边长为2.25mm的正六边形截面的Cu-NbTi单芯棒3装入Cu-Ni合金管1中进行二次组装，得到二次复合体；所述二次复合体的结构为：1根Cu-NbTi单芯棒3位于Cu-Ni合金管1中心，9根Cu-Nb-MgB2单芯棒2和9根Cu-NbTi单芯棒3分为内、外两层围绕位于Cu-Ni合金管1中心的Cu-NbTi单芯棒3，其中内层由3根Cu-Nb-MgB2单芯棒2和3根Cu-NbTi单芯棒3交错排列而成，外层由6根Cu-Nb-MgB2单芯棒2和6根Cu-NbTi单芯棒3交错排列而成；所述Cu-NbTi单芯棒3的尺寸与Cu-Nb-MgB2单芯棒2的尺寸相同；所述Cu-NbTi单芯棒3由外层的无氧铜层、中间层铌层和内层NbTi合金层三层组成，其中无氧铜层、铌层和NbTi合金层的质量比为1∶0.15∶0.8，其中NbTi合金层中Nb的质量百分含量为52%，余量为Ti；所述Cu-Ni合金管1中Cu的质量百分含量为88%，余量为Ni；所述Cu-Ni合金管1的外径为29mm，壁厚为3.5mm；
步骤五、先采用18%的道次加工率对步骤四中所述二次复合体进行5道次的旋锻拉拔，然后采用12%的道次加工率进行9道次的孔型轧制，再采用12%的道次加工率进行旋锻拉拔，得到直径为1.8mm的圆形线材；采用9%的道次加工率经过3个矩形模具对所述线材进行旋锻拉拔，得到宽度为1.6mm，厚度为1.1mm的矩形多芯复合带材；
步骤六、在步骤五中所述矩形多芯复合带材表面缠绕一层S级高硅氧玻璃纤维，然后盘圆，并将缠绕S级高硅氧玻璃纤维后的矩形多芯复合带材两端夹扁（以降低镁的损失）；
步骤七、将步骤六中两端夹扁后的矩形多芯复合带材置于不锈钢板上，一同放入真空炉中抽真空，待真空度达到2.0Pa后，以10℃/min的升温速率升温至650℃，恒温3h后自然冷却；然后对自然冷却后的矩形多芯复合带材进行4次时效热处理，得到矩形多芯复合超导带材；所述时效热处理的过程为：抽真空，待真空度达到5.0×10-2Pa后，以2℃/min的升温速率升温至400℃，恒温后自然冷却；4次时效热处理的恒温时间分别40h、20h、30h、40h。
本实施例制备的矩形多芯复合超导带材在20K，1T时，临界电流密度Jc达到4.0×104A/cm2，4.2K，6T时，临界电流密度Jc达到9.3×104A/cm2，机械强度中的Rp0.2达到了125MPa。
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 (9)

1.一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将无定形硼粉和镁粉按照Mg∶B＝1∶2的原子比配料，混合均匀，然后向混合物中加入苹果酸乙醇溶液，在200r/min～400r/min下搅拌30min～90min，得到混合浆体；所述苹果酸乙醇溶液中苹果酸的质量为无定形硼粉和镁粉总质量的10％～30％；所述苹果酸乙醇溶液中苹果酸的质量百分比浓度为15％～25％；
步骤二、将步骤一中所述混合浆体在50℃～60℃下真空焙干，研磨得到粉末；将所述粉末置于管式炉中，在氩气保护下以0.5℃/min～1℃/min的速率升温至180℃～200℃后恒温1h～2h进行低温分解处理，随炉冷却后研磨均匀得到装管前驱粉；
步骤三、将步骤二中所述装管前驱粉装入Nb管中，得到装管复合体；然后对所述装管复合体进行旋锻拉拔，得到具有正六边形截面的Nb-MgB2单芯棒(2)；再对所述Nb-MgB2单芯棒(2)进行定尺和截断，然后酸洗去除表面氧化皮；
步骤四、将9根步骤三中经酸洗后的Nb-MgB2单芯棒(2)和10根具有正六边形截面的Cu-NbTi单芯棒(3)装入Cu-Ni合金管(1)中进行二次组装，得到二次复合体；所述二次复合体的结构为：1根Cu-NbTi单芯棒(3)位于Cu-Ni合金管(1)中心，9根Nb-MgB2单芯棒(2)和9根Cu-NbTi单芯棒(3)分为内、外两层围绕位于Cu-Ni合金管(1)中心的Cu-NbTi单芯棒(3)，其中内层由3根Nb-MgB2单芯棒(2)和3根Cu-NbTi单芯棒(3)交错排列而成，外层由6根Nb-MgB2单芯棒(2)和6根Cu-NbTi单芯棒(3)交错排列而成；所述Cu-NbTi单芯棒(3)的尺寸与Nb-MgB2单芯棒(2)的尺寸相同；
步骤五、采用旋锻拉拔和孔型轧制相结合的加工方法将步骤四中所述二次复合体加工成线材，然后采用8％～10％的道次加工率经过3～4个矩 形模具对所述线材进行旋锻拉拔，得到矩形多芯复合带材；
步骤六、在步骤五中所述矩形多芯复合带材表面缠绕一层高硅氧玻璃纤维，然后盘圆，并将缠绕高硅氧玻璃纤维后的矩形多芯复合带材两端夹扁；所述高硅氧玻璃纤维是指SiO2含量为96％以上的玻璃纤维；
步骤七、将步骤六中两端夹扁后的矩形多芯复合带材置于不锈钢板上，一同放入真空炉中抽真空，待真空度达到2Pa以下，以10℃/min～20℃/min的升温速率升温至600℃～700℃，恒温1h～4h后自然冷却；然后对自然冷却后的矩形多芯复合带材进行3～4次时效热处理，得到矩形多芯复合超导带材；所述时效热处理的过程为：抽真空，待真空度达到5×10-2Pa以下，以1℃/min～3℃/min的升温速率升温至380℃～420℃，恒温20h～40h后自然冷却。
2.根据权利要求1所述的一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，其特征在于，步骤三中所述正六边形的边长为2mm～3mm。
3.根据权利要求1所述的一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述Cu-NbTi单芯棒(3)由外层的无氧铜层、中间层铌层和内层NbTi合金层三层组成；所述无氧铜层、铌层和NbTi合金层的质量比为1∶(0.1～0.15)∶(0.8～1.2)，其中NbTi合金层中Nb的质量百分含量为50％～54％，余量为Ti。
4.根据权利要求1所述的一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述Cu-Ni合金管(1)中Cu的质量百分含量为85％～90％，余量为Ni。
5.根据权利要求1所述的一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述Cu-Ni合金管(1)的外径为24mm～36mm，壁厚为3mm～4mm。
6.根据权利要求1所述的一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，其特征在于，步骤五中所述旋锻拉拔和孔型轧制相结合的加工方法为：先采用15％～20％的道次加工率对二次复合体进行旋锻拉拔，然后采用 10％～15％的道次加工率进行孔型轧制，再采用10％～15％的道次加工率进行旋锻拉拔。
7.根据权利要求1所述的一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，其特征在于，步骤五中所述线材为直径1.6mm～2.0mm的圆形线材。
8.根据权利要求1所述的一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，其特征在于，步骤五中所述矩形多芯复合带材的宽度为1.4mm～1.7mm，厚度为1.0mm～1.2mm。
9.根据权利要求1所述的一种矩形多芯复合超导带材的制备方法，其特征在于，步骤六中所述高硅氧玻璃纤维为S级高硅氧玻璃纤维。
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