CN107180685B - 一种利用高能粒子辐照提高铁基超导线材和带材性能的方法 - Google Patents

一种利用高能粒子辐照提高铁基超导线材和带材性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用高能粒子辐照提高铁基超导线材和带材性能的方法，具体步骤为：(a)采用粉末装管法制备铁基超导线材和带材；(b)对铁基超导线材和带材进行热处理；(c)利用高能粒子对热处理后的铁基超导线材和带材进行辐照。辐照所用的粒子包括：电子、中子以及原子序数从1到92的离子，辐照所用粒子的能量为10keV～100GeV，辐照所用粒子的剂量为106～1020particles/cm2。本发明方法能在铁基超导线材和带材的超导芯中引入大量缺陷，从而增强磁通钉扎能力，有效提高铁基超导线材和带材的不可逆场及临界电流密度。

Description

一种利用高能粒子辐照提高铁基超导线材和带材性能的方法
技术领域
本发明涉及一种利用高能粒子辐照提高铁基超导线材和带材性能的方法。
背景技术
2008年由日本科学家发现的铁基超导材料具有高上临界场，低各向异性以及较高的超导转变温度，在超导输电、超导磁体等领域具有广阔的应用前景。由于铁基超导材料脆性较高，塑性加工困难，因此粉末装管法(PIT法)成为制备铁基超导线材和带材的首选技术途径。粉末装管法是将铁基超导前驱粉装填在金属管中，然后通过旋锻、拉拔、轧制等冷加工工序将金属管制备成线材或带材的方法，已被广泛应用于铜基及二硼化镁超导线材和带材制备过程当中。该线材或带材由内层的超导芯以及外层的金属包套构成。目前，国际上广泛采用外加高压(热压、冷压及热等静压)的方法减少超导芯中的孔洞和裂纹，从而大幅度提高超导芯的致密度，使得其在4.2K，10T下的临界电流密度超过0.1MA/cm2，达到实用化水平。铁基超导线材和带材一般在混合态下工作，由于磁通线受钉扎作用，不会在洛伦兹力作用下移动，所以不会产生电流损耗。而当外加磁场超过不可逆场时，洛伦兹力大于钉扎力，磁通发生运动，无损电流消失。因此，磁通钉扎能力直接影响临界电流密度的大小。研究表明，铁基超导线材和带材的磁通钉扎属于晶界钉扎(J.Appl.Phys.14,143906(2016))。然而，由晶界提供的磁通钉扎力较小，在4.2K，10T下的最高钉扎力只达到10GN/cm2，远远小于Nb3Sn及铜基超导线材和带材(App.Phys.Lett.20,202601(2014))。所以，寻求一种方法提高铁基超导线材和带材的磁通钉扎能力将会大幅度提高临界电流密度。纳米级钉扎中心的尺寸接近于铁基超导体的相干长度，能够提供更强大的磁通钉扎能力。因此，人工引入纳米尺度的钉扎中心有望大幅度提高铁基超导线材和带材的性能。高能粒子辐照能够在材料内部制造大量的纳米尺度的缺陷，作为钉扎中心可以大幅度增强磁通钉扎力，从而提高载流能力。
目前，高能粒子辐照已被用来提高PIT法制备的铜基超导线材和带材的临界电流密度(Appl.Phys.Lett.67(1),130,(1995)；J.Appl.Phys.72(2),800,(1992))。然而，铜基超导材料和铁基超导材料在晶体结构、上临界场、超导转变温度、相干长度、各向异性等特性上有本质的不同，而且二者的线材和带材在构造、冷加工成型工艺、热处理工艺等方面有较大差别。因此，适用于铜基超导线材和带材的辐照工艺方法无法直接应用于铁基超导线材和带材当中。另外，已有专利(专利号：CN97100759.4，CN200810240068.1，CN200910242000.1)公开了采用高能粒子对铜基超导体进行辐照的方法。但是，这些专利的辐照的对象是加压成型的坯料，或者是单畴熔融织构的块材，它们都是裸露的铜基超导材料。而本发明方法公开的辐照对象是铁基超导线材和带材，超导材料包裹在金属包套之中。二者不仅在材料本身性质上区别较大，而且在构造上有本质不同。因此，以上专利中公开的方法同样无法直接应用于铁基超导线材和带材。对于铁基超导材料，高能粒子辐照已被用来处理铁基超导单晶样品，在其中制造了大量的纳米尺度的缺陷，提高了磁通钉扎力和临界电流密度(Appl.Phys.Lett.103,202601,(2013))。但铁基超导线材和带材的超导芯为多晶材料，不同于单晶材料。而且超导芯外表面有一层或多层的金属包套，需要更高能量的粒子才能穿透外层金属包套并与内部的超导芯发生作用。所以，适用于铁基超导单晶的辐照工艺也不能直接应用于铁基超导线材和带材当中。综上，仍然需要通过大量的实验，探索一种适合于铁基超导线材和带材的辐照工艺，在其超导芯内制造大量纳米尺度的缺陷，从而提高磁通钉扎力和临界电流密度。
发明内容
本发明技术解决的问题：现有技术制备的铁基超导线材和带材的磁通钉扎力较弱，导致临界电流难以得到提高。为了提高铁基超导线材和带材的磁通钉扎能力从而提高临界电流密度，提供一种利用高能粒子辐照提高铁基超导线材和带材性能的方法。本发明方法能够在铁基超导线材和带材的超导芯中引入缺陷，从而增强磁通钉扎能力，有效提高铁基超导线材和带材的不可逆场及临界电流密度。
本发明技术解决方案：一种利用高能粒子辐照提高铁基超导线材和带材性能的方法，工艺步骤如下：
(1)采用粉末装管法制备铁基超导线材和带材；所述铁基超导线材和带材的超导芯为含有铁元素的超导材料；
(2)对铁基超导线材和带材进行热处理；
(3)利用高能粒子对热处理后的铁基超导线材和带材进行辐照。
所述含有铁元素的超导材料包括(Ba/Sr)1-xKxFe2As2、(Ba/Sr)Fe2-xCoxAs2、(Ba/Sr)Fe2As2-xPx、FeTe1-xSex、(Sm/La)O1-xFxFeAs、Sr2VO3FeAs超导体。其中(Ba/Sr)1-xKxFe2As2、FeTe1-xSex、(Sm/La)O1-xFxFeAs的x的范围为0<x≤1，(Ba/Sr)Fe2-xCoxAs2、(Ba/Sr)Fe2As2-xPx的x的范围为0<x≤2。
所述步骤(2)中热处理方法包括热压、热等静压、高温退火(600℃-1500℃)、冷压后再高温退火(600℃-1500℃)或冷等静压后再在600℃-1500℃退火。其中冷等静压后再在600℃-1500℃退火中的优选温度范围为850-920℃。反复大量试验证明铁基超导材料在该优选温度范围内成相及晶粒连接性很好。
所述步骤(3)中辐照所用的高能粒子为电子或者中子或者原子序数从1到92的离子。原子序数从1到92的离子，包括质子、阿尔法粒子、氩离子、铅离子、金离子。质子、阿尔法粒子、氩离子较轻，只需较小的能量即可较容易地穿透铁基超导线材和带材的外层金属包套并与内层的超导芯发生作用，而铅离子、金离子较重，能够更容易地在超导芯中制造较大的缺陷。
所述步骤(3)中辐照所用的高能粒子的能量为10keV～100GeV，优选能量为1MeV～1GeV。大量反复试验证明能量在1MeV～1GeV的高能粒子对铁基超导线材和带材的临界电流密度提升较大，而且基本不影响超导转变温度。
所述步骤(3)中辐照所用粒子的剂量为106～1020particles/cm2，优选剂量为1010～1016particles/cm2。剂量在1010～1016particles/cm2的高能粒子能够在超导芯中制造出密度适中的缺陷，有效提高临界电流密度的同时，对超导转变温度影响不大。
本发明的有益效果在于：采用高能粒子对铁基超导线材和带材进行辐照，在其中制造大量的缺陷。这些缺陷的尺寸达到纳米级，与铁基超导体的相干长度接近，可以提供较大的磁通钉扎力，从而提高不可逆场和临界电流密度。按照本发明方法公布的辐照工艺流程，可将铁基超导线材和带材的临界电流密度和磁通钉扎力提高1-2倍。
具体实施方式
下面结合具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。
实施例1
首先制备Sr0.6K0.4Fe2As2前驱粉末，将前驱粉装填在Ag管中，通过旋锻、拉拔、轧制的工艺流程制备单芯Ag包套超导带材。在880度高温退火之后，再利用能量为10MeV，剂量为1015protons/cm2的质子对该带材进行辐照。通过四引线法测量带材的临界电流密度。高温退火之后的带材在4.2K，10T下的临界电流密度为3×104A/cm2，而辐照之后的带材的临界电流密度提高到了6.3×104A/cm2。另外，辐照之后的带材在33K处的不可逆场比辐照之前的带材提高了0.5T。
实施例2
制备SmFeAsO0.8F0.2前驱粉末，将前驱粉装填在Ag管中，通过旋锻、拉拔、再装填、拉拔、轧制的工艺流程制备七芯Ag包套超导带材。在1100度高温退火之后，再利用能量为10KeV，剂量为1020neutrons/cm2的中子对该带材进行辐照。
实施例3
首先制备Ba0.6K0.4Fe2As2前驱粉末，将前驱粉装填在Ag管中，通过旋锻、拉拔、轧制制备单芯Ag包套超导带材。在880度，30Mpa压力下退火之后，再利用能量为38MeV，剂量为1011ions/cm2的阿尔法粒子对该带材进行辐照。通过四引线法测量带材的临界电流密度，发现热压处理之后的带材在4.2K，10T下的临界电流密度为1.2×105A/cm2，钉扎力为12GN/m3。而辐照之后的带材的临界电流密度提高到了2.1×105A/cm2，钉扎力达到了21GN/m3。
实施例4
按照粉末装管法制备单芯Fe/Ag复合包套FeTe0.5Se0.5超导带材，其中外层包套材料为铁，内层包套材料为银。在800度退火之后，利用能量为1GeV，剂量为1012ions/cm2的金离子对该带材进行辐照。通过四引线法测量带材的临界电流密度，发现高温退火之后的带材在4.2K，10T下的临界电流密度为1×104A/cm2，而辐照之后的带材的临界电流密度提高到了3×104A/cm2。
实施例5
制备Sr0.6K0.4Fe2As2前驱粉末，将前驱粉装填在Ag管中，通过旋锻、拉拔、再装填、拉拔、轧制的工艺流程制备114芯Ag包套超导带材。对其进行热等静压处理之后，利用能量为800MeV，剂量为1016protons/cm2的铅离子对该带材进行辐照。通过四引线法测量带材的临界电流密度，得到热等静压处理之后的带材在4.2K，10T下的临界电流密度为1×104A/cm2，而辐照之后的带材的临界电流密度提高到了2.8×104A/cm2。
实施例6
首先制备LiFeAs前驱粉末，将前驱粉装填在Ag管中，通过旋锻、拉拔制备单芯Ag包套超导线材。再对其进行冷等静压之后再在600度退火，最后利用能量为75MeV，剂量为1014ions/cm2的锂离子对该线材进行辐照。
实施例7
首先制备BaFe1.86Co0.14As2前驱粉末，将前驱粉装填在Ag管中，通过旋锻、拉拔、复合再装填、轧制的工艺步骤制备七芯蒙耐尔合金/Ag复合包套超导带材，其外包套为蒙耐尔合金，内包套为Ag。在900度退火处理之后，再利用能量为300MeV，剂量为1013ions/cm2的氩离子该带材进行辐照。通过磁测量方法计算带材的临界电流密度，得到高温退火处理之后的带材在4.2K，6T下的临界电流密度为4×103A/cm2，而辐照之后的带材的临界电流密度提高到了1×104A/cm2。
实施例8
首先制备Sr2VO3FeAs前驱粉末，将前驱粉装填在Cu管中，通过旋锻、拉拔、轧制制备单芯Cu包套超导带材，对其进行热压处理，再利用能量为5GeV，剂量为1012ions/cm2的锡离子对该带材进行辐照。
实施例9
首先制备FeSe前驱粉末，将前驱粉装填在Nb管中，通过旋锻、拉拔、轧制制备单芯Nb包套超导带材。再对其进行冷压，之后在850度退火处理。最后利用能量为100GeV，剂量为1015protons/cm2的碘离子对该带材进行辐照。
实施例10
首先制备LaFeAsO0.8F0.2前驱粉末，再将粉末装填在Ag套管内。通过旋锻、拉拔、轧制制备单芯Ag包套超导带材。对其进行热压处理之后，利用能量为300KeV，剂量为1013protons/cm2的碳离子对该带材进行辐照。
实施例11
制备Ba0.6K0.4Fe2As2前驱粉末，将前驱粉装填在Ag管中，通过旋锻、拉拔、再装填、拉拔的工艺流程制备七芯Ag包套超导线材。对其进行热等静压处理，再利用能量为3MeV，剂量为1011protons/cm2的中子对该线材进行辐照。通过四引线法测量线材的临界电流密度，得到热等静压处理后的线材在4.2K，10T下的临界电流密度为2×104A/cm2，而辐照之后的线材的临界电流密度提高到了6×104A/cm2。
实施例12
制备Ba0.6K0.4Fe2As2前驱粉末，将前驱粉装填在Ag管中，通过旋锻、拉拔、再装填、拉拔的工艺流程制备19芯Ag包套超导线材。对其进行热等静压处理，再利用能量为500MeV，剂量为1018protons/cm2的铀离子对该线材进行辐照。
总之，按照本发明公开的方法对铁基超导线材和带材进行重粒子辐照，能够在线材和带材中引入大量纳米尺度的缺陷，从而提高线材和带材的磁通钉扎力和临界电流密度。
需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用高能粒子辐照提高铁基超导线材和带材性能的方法，其特征在于，所述方法的工艺步骤如下：
(1)采用粉末装管法制备铁基超导线材和带材；所述铁基超导线材和带材的超导芯为含有铁元素的超导材料；
(2)对铁基超导线材和带材进行热处理；
(3)利用高能粒子对热处理后的铁基超导线材和带材进行辐照；
所述含有铁元素的超导材料包括(Ba/Sr)1-xKxFe2As2、(Ba/Sr)Fe2-xCoxAs2、(Ba/Sr)Fe2As2-xPx、FeTe1-xSex、(Sm/La)O1-xFxFeAs、Sr2VO3FeAs超导体；其中(Ba/Sr)1-xKxFe2As2、FeTe1-xSex、(Sm/La)O1-xFxFeAs的x的范围为0<x≤1，(Ba/Sr)Fe2-xCoxAs2、(Ba/Sr)Fe2As2-xPx的x的范围为0<x≤2；
所述步骤(3)中辐照所用的高能粒子的能量为10keV～100GeV；
所述步骤(3)中辐照所用粒子的剂量为106～1020particles/cm2。
2.根据权利要求1所述的一种利用高能粒子辐照提高铁基超导线材和带材性能的方法，其特征在于：所述步骤(2)中热处理方法包括热压、热等静压、高温退火、冷压后高温退火、冷等静压后再在850-920℃退火。
3.根据权利要求1所述的一种利用高能粒子辐照提高铁基超导线材和带材性能的方法，其特征在于：所述步骤(3)中辐照所用的高能粒子为电子或者中子或者原子序数从1到92的离子，所述原子序数从1到92的离子包括质子、阿尔法粒子、氩离子、铅离子、金离子。
4.根据权利要求1所述的一种利用高能粒子辐照提高铁基超导线材和带材性能的方法，其特征在于：所述步骤(3)中辐照所用的高能粒子的能量为1MeV～1GeV。
5.根据权利要求1所述的一种利用高能粒子辐照提高铁基超导线材和带材性能的方法，其特征在于：所述步骤(3)中辐照所用粒子的剂量为1010～1016particles/cm2。
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