CN105976940A - 一种采用高能球磨法制备超导材料的方法 - Google Patents

一种采用高能球磨法制备超导材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用高能球磨法制备超导材料的方法，包括以下工艺步骤：制备铌铝过饱和固溶体：取纯度为99.999%的Nb粉和纯度为99.999%的Al粉，或者取纯度为99.999%的Nb粉和Al‑Ge混合粉，按照Nb和Al的原子比为3:1的比例混合，进行高能球磨加工，球磨罐中充入Ar气，转速为800~1800r/min，球磨时间为4.5~5.5h，制得铌铝过饱和固溶体；制备Nb3Al超导线材单芯线前驱体；制备Nb3Al超导线材多芯线前驱体；热处理工艺；避免了采用传统快热快冷处理中前驱体在高温下容易断裂及对加热设备特殊性的要求，获得的超导线材成分均匀，性能优良，有效降低了成本，利于进行规模化生产。

Description

一种采用高能球磨法制备超导材料的方法
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，具体的说，是一种采用高能球磨法制备超导材料的方法。
背景技术
超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。
超导材料具有如下特性：
零电阻
超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感应电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。
抗磁性
超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。
临界温度
外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。
临界磁场
使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。
临界电流和临界电流密度
超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc越低，这称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146开。
通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破坏而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。
面对未来聚变示范堆及商用堆需要超导磁体运行电流密度更大、磁场强度更高、超导线圈应力应变容限更高等关键问题，研究人员开始寻求综合性能更优的超导材料。在实用超导材料中，A15型金属间化合物由于具有较高的临界温度、临界磁场和临界电流密度，其开发和应用最为普遍和迅速。作为A15型金属间化合物的一种，Nb3Al超导材料具有更高的临界磁场和临界电流密度及更好的应变容许特性。其超导临界转变温度可达18.9K，上临界磁场为29.5T(4.2K)，均超过了Nb3Sn超导材料。此外，其临界电流密度高达1000A/mm2(16T,4.2K)，在应力不超过210MPa的条件下，临界电流密度几乎没有变化。因此，Nb3Al超导材料是制作大型高场磁体最理想的超导材料之一。
目前，Nb3Al超导线材的制备方法有卷绕法(jelly-roll)、套管法(rod-in-tube)、粉末装管法(powder-in-tube)等，但是这些方法制备的前驱体线材需要通过特殊的设备在2000℃以上的高温下进行热处理，才能够得到Nb3Al超导线材，成本较高，而且在热处理过程中很容易发生断线，不利于长线的生产。
发明内容
本发明的目的在于设计出一种采用高能球磨法制备超导材料的方法，解决现有技术制备Nb3Al超导线材时经高温处理Nb3Al前驱体线材容易断线的问题，采用一种新的超导材料制备方法，避免了采用传统快热快冷处理中前驱体在高温下容易断裂及对加热设备特殊性的要求，获得的超导线材成分均匀，性能优良，有效降低了成本，利于进行规模化生产。
本发明通过下述技术方案实现：一种采用高能球磨法制备超导材料的方法，包括以下工艺步骤：
1）制备铌铝过饱和固溶体：
取纯度为99.999%的Nb粉和纯度为99.999%的Al粉，或者取纯度为99.999%的Nb粉和Al-Ge混合粉，按照Nb和Al的原子比为3:1的比例混合，将混合粉末置于球磨罐中，加入球磨剂，进行高能球磨加工，球磨罐中充入Ar气，转速为800~1800r/min，球磨时间为4.5~5.5h，制得铌铝过饱和固溶体；
2）制备Nb3Al超导线材单芯线前驱体：
将步骤1）制得的铌铝过饱和固溶体装入Cu管内，进行多道次的拉拔加工，获得单芯线前驱体；
3）制备Nb3Al超导线材多芯线前驱体：
将步骤2）制得的单芯线前驱体切割为等长的小段，将多根所述单芯线前驱体小段装入Cu管内，进行多道次的拉拔加工，获得Nb3Al超导线材多芯线前驱体；
4）热处理工艺：
将第步骤3）制得的Nb3Al超导线材多芯线前驱体放入加热炉中，炉温设置为950~1000℃，烧结1~3小时，制得Nb3Al超导线材。
进一步的为更好的实现本发明，特别设置成下述方式：步骤1）中所述Al-Ge混合粉中，Ge占Al-Ge总量的质量份数为3.2~28.7%，Al、Ge的质量百分比总和为100%。
进一步的为更好的实现本发明，特别设置成下述方式：步骤1）中所述球磨罐中球与混合粉末的质量比为9:1-1.2。
进一步的为更好的实现本发明，特别设置成下述方式：步骤2）中，所述拉拔加工的加工速率为每分钟12~18米，每个加工道次的材料变形率为9%~12%，形成的Nb3Al超导线材单芯线前驱体的横截面为圆形，所述圆形的直径为1.0~2.5mm。
进一步的为更好的实现本发明，特别设置成下述方式：步骤3）中，所述拉拔加工的加工速率为每分钟12~18米，每个加工道次的材料变形率为9%~13%，形成的Nb3Al超导线材多芯线前驱体的横截面为圆形，所述圆形的直径为1.0~2.5mm。
进一步的为更好的实现本发明，特别设置成下述方式：所述球磨剂为聚乙二醇或分子式为C18H36O2的硬脂酸。
进一步的为更好的实现本发明，特别设置成下述方式：所述步骤4）中在进行热处理工艺时，加热炉内充入Ar气。
进一步的为更好的实现本发明，特别设置成下述方式：步骤4）中所述的加热炉为真空炉，所述真空炉工作时的真空度为0.001~0.002Mpa。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明解决现有技术制备Nb3Al超导线材时经高温处理Nb3Al前驱体线材容易断线的问题，采用一种新的超导材料制备方法，避免了采用传统快热快冷处理中前驱体在高温下容易断裂及对加热设备特殊性的要求，获得的超导线材成分均匀，性能优良，有效降低了成本，利于进行规模化生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
一种采用高能球磨法制备超导材料的方法，包括以下工艺步骤：
1）制备铌铝过饱和固溶体：
取纯度为99.999%的Nb粉和纯度为99.999%的Al粉，或者取纯度为99.999%的Nb粉和Al-Ge混合粉，按照Nb和Al的原子比为3:1的比例混合，将混合粉末置于球磨罐中，加入球磨剂，进行高能球磨加工，球磨罐中充入Ar气，转速为800~1800r/min，球磨时间为4.5~5.5h，制得铌铝过饱和固溶体；
2）制备Nb3Al超导线材单芯线前驱体：
将步骤1）制得的铌铝过饱和固溶体装入Cu管内，进行多道次的拉拔加工，获得单芯线前驱体；
3）制备Nb3Al超导线材多芯线前驱体：
将步骤2）制得的单芯线前驱体切割为等长的小段，将多根所述单芯线前驱体小段装入Cu管内，进行多道次的拉拔加工，获得Nb3Al超导线材多芯线前驱体；
4）热处理工艺：
将第步骤3）制得的Nb3Al超导线材多芯线前驱体放入加热炉中，炉温设置为950~1000℃，烧结1~3小时，制得Nb3Al超导线材。
实施例2：
本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明，特别设置成下述方式：步骤1）中所述Al-Ge混合粉中，Ge占Al-Ge总量的质量份数为3.2~28.7%，Al、Ge的质量百分比总和为100%。
实施例3：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明，特别设置成下述方式：步骤1）中所述球磨罐中球与混合粉末的质量比为9:1-1.2。
实施例4：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明，特别设置成下述方式：步骤2）中，所述拉拔加工的加工速率为每分钟12~18米，每个加工道次的材料变形率为9%~12%，形成的Nb3Al超导线材单芯线前驱体的横截面为圆形，所述圆形的直径为1.0~2.5mm。
实施例5：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明，特别设置成下述方式：步骤3）中，所述拉拔加工的加工速率为每分钟12~18米，每个加工道次的材料变形率为9%~13%，形成的Nb3Al超导线材多芯线前驱体的横截面为圆形，所述圆形的直径为1.0~2.5mm。
实施例6：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明，特别设置成下述方式：所述球磨剂为聚乙二醇或分子式为C18H36O2的硬脂酸。
实施例7：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明，特别设置成下述方式：所述步骤4）中在进行热处理工艺时，加热炉内充入Ar气。
实施例8：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明，特别设置成下述方式：步骤4）中所述的加热炉为真空炉，所述真空炉工作时的真空度为0.001~0.002Mpa。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用高能球磨法制备超导材料的方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：
1）制备铌铝过饱和固溶体：
取纯度为99.999%的Nb粉和纯度为99.999%的Al粉，或者取纯度为99.999%的Nb粉和Al-Ge混合粉，按照Nb和Al的原子比为3:1的比例混合，将混合粉末置于球磨罐中，加入球磨剂，进行高能球磨加工，球磨罐中充入Ar气，转速为800~1800r/min，球磨时间为4.5~5.5h，制得铌铝过饱和固溶体；
2）制备Nb3Al超导线材单芯线前驱体：
将步骤1）制得的铌铝过饱和固溶体装入Cu管内，进行多道次的拉拔加工，获得单芯线前驱体；
3）制备Nb3Al超导线材多芯线前驱体：
将步骤2）制得的单芯线前驱体切割为等长的小段，将多根所述单芯线前驱体小段装入Cu管内，进行多道次的拉拔加工，获得Nb3Al超导线材多芯线前驱体；
4）热处理工艺：
将第步骤3）制得的Nb3Al超导线材多芯线前驱体放入加热炉中，炉温设置为950~1000℃，烧结1~3小时，制得Nb3Al超导线材。
2.根据权利要求1所述的一种采用高能球磨法制备超导材料的方法，其特征在于：步骤1）中所述Al-Ge混合粉中，Ge占Al-Ge总量的质量份数为3.2~28.7%，Al、Ge的质量百分比总和为100%。
3.根据权利要求1所述的一种采用高能球磨法制备超导材料的方法，其特征在于：步骤1）中所述球磨罐中球与混合粉末的质量比为9:1-1.2。
4.根据权利要求1所述的一种采用高能球磨法制备超导材料的方法，其特征在于：步骤2）中，所述拉拔加工的加工速率为每分钟12~18米，每个加工道次的材料变形率为9%~12%，形成的Nb3Al超导线材单芯线前驱体的横截面为圆形，所述圆形的直径为1.0~2.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种采用高能球磨法制备超导材料的方法，其特征在于：步骤3）中，所述拉拔加工的加工速率为每分钟12~18米，每个加工道次的材料变形率为9%~13%，形成的Nb3Al超导线材多芯线前驱体的横截面为圆形，所述圆形的直径为1.0~2.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种采用高能球磨法制备超导材料的方法，其特征在于：所述球磨剂为聚乙二醇或分子式为C18H36O2的硬脂酸。
7.根据权利要求1所述的一种采用高能球磨法制备超导材料的方法，其特征在于：所述步骤4）中在进行热处理工艺时，加热炉内充入Ar气。
8.根据权利要求1所述的一种采用高能球磨法制备超导材料的方法，其特征在于：步骤4）中所述的加热炉为真空炉，所述真空炉工作时的真空度为0.001~0.002Mpa。
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