CN111341495B - 一种Nb3Sn超导线的修复方法 - Google Patents

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Abstract

一种Nb3Sn超导线的修复方法，通过将Nb3Sn超导线与NbTi超导线连接，形成超导连接体，恢复有破坏点的Nb3Sn超导线的超导性能。所述的超导连接体为中空的圆柱状结构，包括Cu层、Nb3Sn线、Nb3Sn烧结块体、Nb和NbTi超导线。Cu层在最外层，Nb3Sn烧结块体和Nb是同心圆柱的结构，Nb3Sn烧结块体为外圆柱，Nb为内圆柱。Nb3Sn线位于外圆柱的Nb3Sn块体中，NbTi位于内圆柱的Nb棒中。

Description

一种Nb3Sn超导线的修复方法
技术领域
本发明涉及一种Nb3Sn超导线的修复方法。
背景技术
随着超导技术的快速发展，对超导磁体的需求越来越大，尤其能够提供强磁场的超导磁体。Nb3Sn超导磁体是目前应用最广泛的高场低温超导磁体，是制备10T以上强磁场的理想选择。Nb3Sn超导体和NbTi超导体是最常见的低温超导体，NbTi超导体的临界温度大于9K，而Nb3Sn的超导临界温度大于18K。利用NbTi超导磁体和Nb3Sn超导磁体的临界磁场，把Nb3Sn超导磁体内插到NbTi超导磁体中，能够充分利用两种超导材料的临界磁场，提供最大的中心磁场。
Nb3Sn超导体是脆性的A15结构，非常脆弱，不能承受大的机械应力。因此Nb3Sn超导磁体是通过W-R方法，首先由未超导的导线绕制成线圈，然后将线圈进行高温扩散热处理，生成Nb3Sn超导相。反应后的Nb3Sn超导磁体在经过真空浸渍后利用环氧树脂将Nb3Sn磁体固化成一个整体，增大磁体的强度。
Nb3Sn超导磁体由于Nb3Sn的脆弱易损坏的特点，需要格外注意，保护Nb3Sn超导线不受损伤。Nb3Sn的超导接头是整个磁体的易破坏点，同时，Nb3Sn磁场的最外层导线也可能受外力破损，Nb3Sn超导线受损伤后将破坏整个超导磁体的超导性能，Nb3Sn超导磁体很难再使用。
发明内容
本发明的目的是提出一种Nb3Sn超导线的修复方法，能够将受损的Nb3Sn超导线修复。本发明通过与NbTi超导线的连接，恢复破坏点的超导性能，以免整个磁体报废。本发明工艺简单，易于实施。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种Nb3Sn超导线的修复方法，通过将有破坏点的Nb3Sn超导线与NbTi超导线连接，形成超导连接体。本发明使电流通路由Nb3Sn超导体通过超导连接体连接到NbTi超导线上，通过NbTi超导线进行后续的操作，如通电励磁、制作铌钛超导接头等，恢复破坏点的超导性能，使Nb3Sn超导线能够继续使用。
所述的超导连接体为中空的圆柱状结构，包括Cu层、Nb3Sn线、Nb3Sn烧结块体、Nb棒和NbTi超导线。Cu层在最外层，Nb3Sn烧结块体和Nb为同心圆柱的结构，Nb3Sn烧结块体包裹Nb棒。Nb3Sn线位于外圆柱的Nb3Sn块体中，被Nb3Sn块体包围，NbTi超导线位于内圆柱的Nb棒中。Nb棒的中心通孔作为水冷通道，对超导连接体的内圆柱的Nb棒和铌钛多丝进行水冷降温。
所述的Nb3Sn块体为将Nb粉和Sn粉进行球磨，然后粉末烧结得到。粉末烧结是通过感应加热的方法，对超导连接体的外圆柱进行高温加热。
本发明Nb3Sn超导线修复方法的步骤如下：
(1)将破坏点处的Nb3Sn超导线剪成一个楔形角度为15°-30°的断口；
(2)用硝酸腐蚀一根NbTi超导线端部的铜层，露出NbTi多丝；
(3)取一段Nb棒，在Nb棒的中心打沉孔，孔直径1-5mm，将步骤(2)制得的NbTi 超导线端部的NbTi多丝插入Nb棒的中心孔内，将Nb棒连同NbTi超导线放在压力机下水平加压，使NbTi多丝嵌入到Nb棒内。然后在Nb棒上靠近NbTi多丝处打通孔；
(4)将Nb棒放进铜杯内，在铜杯底部中心打孔，铜杯中心孔与Nb棒的通孔同轴；
(5)将Nb粉和Sn粉混合，进行球磨，球磨时间2h-20h；
(6)球磨后的Nb粉和Sn粉的混合粉体倒入铜杯内，将步骤(1)制备的Nb3Sn超导线插入铜杯内球磨后的Nb粉和Sn粉的混合粉体中；
(7)将铜杯放进一个石英管中，石英管的两个端面均开有排气口和输水口；
(8)将石英管放入感应加热炉的感应线圈内加热，加热的同时，在石英管的一端分别通入氩气和冷水，另一端排出氩气和冷水。加热结束后取出铜杯。
其中，所述的压力机的压力为2t-10t。Nb粉和Sn粉的摩尔比为1:1-6:1，粒径为50nm-500nm。感应加热的温度为650℃-680℃，保温时间为0.5h-5h。
本发明通过与NbTi超导线连接，恢复有破坏点的Nb3Sn超导线超导性能。热处理后的 Nb3Sn线不能承受大的应力，很难在热处理后的Nb3Sn线上进行复杂的机械操作。本发明利用感应加热对铜杯进行表层加热，加热的深度覆盖圆柱体的外圆柱中的Nb粉和Sn粉的混合粉。 NbTi超导线不能经受400℃以上的高温热处理，否则NbTi超导线的超导性能会退化。因此将 NbTi超导丝放置在圆柱的中心处，同时利用流动的冷却水降温，使NbTi超导丝处没有过高的温度，保证NbTi超导丝的超导性能。对铜杯感应加热对粉末进行高温烧结，反应后Nb3Sn超导线通过与Nb3Sn烧结块体、Nb、NbTi超导丝与NbTi超导线超导连接，延续了Nb3Sn超导线的超导性能。
附图说明
图1破坏的Nb3Sn超导线的断口示意图；
图2硝酸腐蚀后的NbTi超导线端部示意图；
图3 NbTi超导线插入Nb棒后的示意图；
图4 Nb棒打通孔的结构示意图；
图5 Cu杯的结构示意图；
图6 Nb棒放入Cu杯后的示意图；
图7修复后的Nb3Sn超导线的横截面示意图；
图8石英管的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图7所示，本发明将有破坏点的Nb3Sn超导线与NbTi超导线连接，形成超导连接体，使电流通路由铌三锡超导体通过超导连接体连接到铌钛超导线上，恢复破坏点的超导性能，使铌三锡超导线能够继续使用。
所述的超导连接体为中空的圆柱状结构，包括Cu层、Nb3Sn线、Nb3Sn烧结块体、Nb棒和NbTi超导线。Cu层为最外层，Nb3Sn烧结块体和Nb为同心圆柱的结构，Nb3Sn烧结块体包裹Nb棒。Nb3Sn线被包围在外圆柱的Nb3Sn块体中，NbTi超导线位于内圆柱的Nb棒内。Nb 棒中心的通孔作为水冷通道，对超导连接体的内圆柱的Nb棒和铌钛多丝水冷降温。
所述的Nb3Sn块体为将Nb粉和Sn粉进行球磨，然后粉末烧结得到粉末烧结是通过感应加热的方法，对超导连接体的外圆柱进行高温加热。
本发明Nb3Sn超导线的修复方法步骤如下：
(1)如图1所示，将破坏的Nb3Sn超导线剪成一个楔形角度为15°-30°的断口；
(2)用硝酸腐蚀一根NbTi超导线端部的铜层，露出NbTi超导多丝，如图2所示；
(3)如图3所示，取一段Nb棒，在中心打沉孔，孔直径为1-5mm，将步骤(2)制得的NbTi多丝插入Nb棒的中心孔内；
(4)将Nb棒连同NbTi超导线放在压力机下水平加压，压力机的压力为2t-10t，使NbTi 多丝嵌入到Nb棒内。如图4所示，在Nb棒上靠近NbTi多丝处打通孔；
(5)如图5所示，在一个铜杯底部中心打孔。将Nb棒放进铜杯内，铜杯的中心孔与Nb棒的中心通孔同轴，如图6所示；
(6)将Nb粉和Sn粉混合，进行球磨，球磨时间2h-20h，Nb粉和Sn粉的摩尔比为1:1-6:1， Nb粉和Sn粉粒径为50nm-500nm；
(7)如图7所示，球磨后的Nb粉和Sn粉的混合粉体倒入铜杯内，将有破坏点的Nb3Sn超导线插入铜杯内球磨后的Nb粉和Sn粉的混合粉体中；
(8)如图8所示，将铜杯放进一个石英管中，石英管两端面均开有排气口和输水口。将石英管放入感应加热炉的感应线圈内加热，感应加热的温度为650℃-680℃，保温时间为0.5h-5h。加热的同时，在石英管的一端分别通入氩气和冷水，另一端分别排出氩气和冷水。加热结束后取出铜杯，有破坏点的Nb3Sn超导线与NbTi超导线连接，形成超导连接体，恢复破坏点的超导性能，得到修复后的Nb3Sn超导线。
实施例一
将有破坏点的Nb3Sn超导线用剪刀剪成一个楔形角度为15°的断口。用硝酸腐蚀一根NbTi超导线端部的铜层，露出NbTi超导多丝。取一段Nb棒，在Nb棒中心打沉孔，孔直径1mm，将NbTi多丝插入Nb棒的中心孔内，将Nb棒连同NbTi超导线放在压力机下水平加压，压力机的压力为10t，NbTi多丝嵌入到Nb棒内。然后在Nb棒上靠近NbTi多丝处打通孔。将Nb棒放进铜杯内，铜杯底部中心打孔，铜杯的中心孔与Nb棒的通孔同轴。将Nb粉和Sn粉球磨2h，Nb粉和Sn粉的摩尔比为1:1，粒径为50nm。球磨后的Nb粉和Sn粉的混合粉体倒入铜杯内，将破坏的Nb3Sn超导线插入球磨后的Nb粉和Sn粉的混合粉体中。将铜杯放进一个石英管中，石英管两个端面均有排气口和输水口。将石英管放入感应加热炉的感应线圈内加热，感应加热的温度为650℃，保温时间为5h。加热的同时，在石英管的一端分别通入氩气和冷水，另一端分别排出氩气和冷水。加热结束后取出铜杯，有破坏点的Nb3Sn超导线与NbTi超导线连接，形成超导连接体，恢复破坏点的超导性能，得到修复后的Nb3Sn超导线。
实施例二
将破坏的Nb3Sn超导线用剪刀剪成一个楔形角度为30°的断口。用硝酸腐蚀一根NbTi 超导线端部的铜层，露出NbTi超导多丝。取一段Nb棒，在Nb棒的中心打沉孔，孔直径5mm，将NbTi多丝插入Nb棒的中心孔内。将Nb棒连同NbTi超导线放在压力机下水平加压，压力机的压力为2t，使NbTi多丝嵌入到Nb棒内。然后Nb棒上靠近NbTi多丝处打通孔。将Nb棒放进铜杯内，在铜杯底部中心打孔，铜杯的中心孔与Nb棒的通孔同轴。将Nb粉和Sn粉球磨20h，Nb粉和Sn粉的摩尔比为6:1，Nb粉和Sn粉的粒径为500nm。球磨后的Nb粉和Sn粉的混合粉体倒入铜杯内，将破坏的Nb3Sn超导线插入铜杯内球磨后的Nb粉和Sn粉的混合粉体中。将铜杯放进一个石英管中，石英管两端面分别接有排气口和输水口。将石英管放入感应加热炉的感应线圈内加热，感应加热的温度为680℃，保温时间为0.5h。加热的同时，在石英管的一端分别通入氩气和冷水，另一端分别排出氩气和冷水。加热结束后取出铜杯，有破坏点的Nb3Sn超导线与NbTi超导线连接，形成超导连接体，恢复破坏点的超导性能，得到修复后的Nb3Sn超导线和端部的NbTi线。
实施例三
将破坏的Nb3Sn超导线用剪刀剪成一个楔形角度为22°的断口。用硝酸腐蚀一根NbTi 超导线端部的铜层，露出NbTi超导多丝。取一段Nb棒，在Nb棒的中心打沉孔，孔直径2.5mm，将NbTi多丝插入Nb棒的中心孔内，将Nb棒连同NbTi超导线放在压力机下水平加压，压力机的压力为6t，使NbTi多丝嵌入Nb棒内。然后在Nb棒上靠近NbTi多丝处打通孔。将Nb棒放进铜杯内，在铜杯底部中心打孔，该孔与Nb棒的通孔同轴。将Nb粉和Sn粉混合，球磨10h，Nb粉和Sn粉的摩尔比为3:1，Nb粉和Sn粉的粒径为250nm。球磨后的Nb粉和Sn粉的混合粉体倒入铜杯内，将破坏的Nb3Sn超导线插入铜杯内球磨后的Nb粉和Sn粉的混合粉体中。将铜杯放进一个石英管中，石英管两端面均有排气口和输水口。将石英管放入感应加热炉的感应线圈内加热，感应加热的温度为665℃，保温时间为2h。加热的同时，在石英管的一端分别通入氩气和冷水，另一端分别排出氩气和冷水。加热结束后取出铜杯，有破坏点的Nb3Sn超导线与NbTi超导线连接，形成超导连接体，恢复破坏点的超导性能，得到修复后的Nb3Sn超导线和端部的NbTi线。

Claims (5)

1.一种Nb3Sn超导线的修复方法，其特征在于：所述的修复方法通过将Nb3Sn超导线与NbTi超导线连接，形成超导连接体，恢复破坏点的超导性能，步骤如下：
(1)将破坏的Nb3Sn超导线剪成一个楔形角度为15°-30°的断口；
(2)用硝酸腐蚀一根NbTi超导线端部的铜层，露出NbTi超导多丝；
(3)取一段Nb棒，在Nb棒的中心打沉孔，孔直径1-5mm；将NbTi多丝插入Nb棒的孔内，将Nb棒连同NbTi超导线放在压力机下水平加压，使NbTi多丝嵌入到Nb棒内；然后Nb棒上靠近NbTi多丝处打通孔；
(4)将步骤(3)制得的Nb棒放进铜杯内，在铜杯底部中心打孔，铜杯的底部中心孔与Nb棒的通孔同轴；
(5)将Nb粉和Sn粉混合，球磨2h-20h；
(6)将球磨后的Nb粉和Sn粉的混合粉体倒入铜杯内，把破坏的Nb3Sn超导线插入铜杯内球磨后的Nb粉和Sn粉的混合粉体中；所述的Nb粉和Sn粉的摩尔比为1:1-6:1；
(7)将铜杯放进石英管中，石英管的两个端面均有排气口和输水口；
(8)将石英管放入感应加热炉的感应线圈内加热，感应加热的温度为650℃-680℃，保温时间为0.5h-5h；加热的同时，在石英管的一端分别通入氩气和冷水，另一端分别排出氩气和冷水；加热结束后取出铜杯，有破坏点的Nb3Sn超导线与NbTi超导线连接，形成超导连接体，恢复破坏点的超导性能，得到修复后的Nb3Sn超导线；对铜杯感应加热对粉末进行高温烧结反应后，Nb3Sn超导线通过与Nb3Sn烧结块体、Nb、NbTi超导丝与NbTi超导线超导连接，延续了Nb3Sn超导线的超导性能；
所述的超导连接体为中空的圆柱状结构，包括Cu层、Nb3Sn线、Nb3Sn烧结块体、Nb棒和NbTi超导线；Cu层为最外层，Nb3Sn烧结块体和Nb棒是同心圆柱结构，Nb3Sn烧结块体为外圆柱，Nb棒为内圆柱；Nb3Sn线在外圆柱的Nb3Sn块体中，被Nb3Sn块体包围，NbTi位于内圆柱的Nb棒中。
2.根据权利要求1所述的Nb3Sn超导线的修复方法，其特征在于：所述的压力机的压力为2t-10t。
3.根据权利要求1所述的Nb3Sn超导线的修复方法，其特征在于：所述的Nb粉和Sn粉的粒径为50nm-500nm。
4.根据权利要求1所述的Nb3Sn超导线的修复方法，其特征在于：所述的Nb棒的中心通孔作为水冷通道，对超导连接体的内圆柱的Nb棒和铌钛多丝进行水冷降温。
5.根据权利要求1所述的Nb3Sn超导线的修复方法，其特征在于：所述的Nb3Sn块体为将Nb粉和Sn粉球磨后经粉末烧结得到。
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