CN112094117A - 一种铋系高温超导块材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高温超导材料技术领域,公开一种铋系高温超导块材的制备方法，包括如下步骤，块材用粉体制备；获取块材成型；块材热处理工艺。所述压制成型模具包括有润滑剂喷口、烘干气体喷口、上冲模、操作平台、填粉腔、进料盒、安装于套管内的下模。能够用于满足降低磁悬浮演示实验成本和科学研究。
Description
技术领域
本发明属于高温超导材料技术领域,涉及铋系高温超导块材的制备方法。
背景技术
铋系高温超导材料具有高临界温度，高临界电流密度等特点，易被制成线材，现应用于制造各种电机、电缆、磁体、变压器等。如能实现大规模生产，将广泛应用于电力生产，并使电力的传输和利用效率提高，减少不必要的损耗，降低能源的压力，是一种极具开发潜力的新材料。铋系高温超导材料主要利用超导前驱粉和贵金属银管银金管经过粉末装管法制备，北京英纳超导技术有限公司目前已经自主研发了铋系高温超导前驱粉至铋系高温超导带材整套工艺，是目前世界上仅有的两家能够产业化生产铋系高温超导带材的企业之一，目前铋系高温超导带材临界电流可以达到180A.但是受限于主要原材料为贵金属银金管，使得铋系高温超导带材的成本居高不下，为了能够降低成本，扩大铋系超导材料的使用范围，依托于公司铋系高温超导前驱粉的研究成果，研发一种不使用贵金属管的产品，铋系高温超导块材具有现实的迫切性。
超导块材主要应用于磁悬浮演示装置、高温超导电机、高温超导磁悬浮车、高温超导磁悬浮轴承和飞轮储能、高温超导磁分离、高温超导磁力推进装置等。目前市面上同类产品为钇钡铜氧块材，但是钇钡铜氧块材块材属于单晶生长工艺，对于工艺参数要求严苛，成品率较低，价格也较高，因此研发一种低成本的铋系高温超导块材既具有研究意义同时具备市场价值。其中一项为科研教具，目前使用钇钡铜氧块材的价格为1200元/块，占成本70％以上。现有铋系铋系超导粉的研发工艺，可以从源头降低铋系高温超导块材的研发成本和产品成本。低成本铋系高温超导带材，从短期上可以降低磁悬浮教具的成本，从长远看可以投入到磁悬浮列车、磁悬浮轴承等重大项目中。但在原有的Bi2223带材制备工艺由于原材料中有贵金属合金管，所以成本偏高，而钇钡铜氧块材由于相生长工艺属于单晶生长工艺，对于工艺参数要求严苛，成品率较低，价格也较高。为了解决成本偏高的问题，尤其在教学教具领域，让更多的学生接受超导科学的教育，急需研发一种低成本铋系高温超导块材。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种铋系高温超导块材的制备方法。本发明块材能够用于满足降低磁悬浮演示实验成本和科学研究。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
一种铋系高温超导块材的制备方法，包括如下步骤，步骤1，块材用粉体制备；
步骤2，获取块材成型；
步骤3，块材热处理工艺。
优选地，步骤1，块材用粉体制备，采用铋系超导粉的制备方法进行块材用粉体粉末制备，并调整块材用粉体的元素成分；块材用粉体调整，使用Bi、Sr、Pb、Ca、Cu的硝酸盐配制成前驱液，Bi、Sr、Pb、Ca、Cu的硝酸盐各元素摩尔或原子数配比为Bi：1.8-2.0，Sr：2，Pb：0.35-0.4，Ca：2-2.5，Cu：3-3.5。
优选地，步骤2、块材成型，采用压制成型模具对块材用粉体进行冲压成型，获得成分密度均匀的铋系块材；铋系块材包括块材尺寸和填充密度，以及脱模方式；
其中，在铋系块材冲压成型过程中，块材高度0.5-10cm；原料粉体粉末填充密度控制在0.7-1.3g/cm3。
优选地，压制成型模具包括有润滑剂喷口1、烘干气体喷口2、上冲模3、操作平台7、填粉腔4、进料盒5、安装于套管内的下模6；上冲模3安装在机架上，上冲模3设置于下模上方，下模6固定安装有填粉腔4，在机架的操作平台7上安装有进料盒5，机架上固定设有润滑剂喷口1的润滑剂管、设有烘干气体喷口2的进气管，润滑剂喷口1、烘干气体喷口2置于上冲模3、操作平台7之间，上冲模和下模均连接有动力系统；
压制成型模具的工作流程：从润滑剂喷口1向上冲模3和填粉腔4内喷润滑液，烘干气体喷口2向上冲膜3和填粉腔4吹压缩空气使上冲模3、填粉腔4表面干燥，进料盒5向填粉腔前运动填充粉末，上冲模3下降开始压制成型。
优选地，在所述块材冲压成型前，对压制成型模具进行表面脱模处理，压制成型模具的表面脱模处理为在上冲模表面、填粉腔的表面均喷洒润滑剂并即时吹干，块材表面残留的润滑剂采用温度500℃，时间3h通自然空气烧结处理。
优选地，该润滑剂为采用SKZ250型润滑剂与乙醇按照质量百分比比例为5％分散制作而成。
优选地，步骤3，块材热处理工艺，制备出铋系高温超导块材。
优选地，热处理采用温度为840-860℃，处理时间为10-40h，通8.5-9％氧分压的气氛，制备出Bi2223块材。
与现有技术相比较，本发明具有如下的有益效果：
本发明可以明显降低磁悬浮演示用块材成本，制备过程简单，易操作。
附图说明
图1为本发明铋系高温超导块材的制备方法的块材压制成型模具示意图。
图2为本发明铋系高温超导块材的制备方法的块材压制成型模具立体图。
附图标识：润滑剂喷口1，烘干气体喷口2，上冲模3，填粉腔4，进料盒5，下模6，操作平台7；
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
本发明提供一种铋系高温超导块材的制备方法，包括如下步骤，
步骤1，块材用粉体制备；
块材用粉体制备，采用铋系超导粉的制备方法进行块材用粉体粉末制备，并调整块材用粉体的元素成分；块材用粉体调整，使用Bi、Sr、Pb、Ca、Cu的硝酸盐配制成前驱液，Bi、Sr、Pb、Ca、Cu的硝酸盐各元素摩尔或原子数配比为Bi：1.8-2.0，Sr：2，Pb：0.35-0.4，Ca：2-2.5，Cu：3-3.5。
铋系超导粉的制备方法为申请号ZL201110276160.5的发明专利，超导前驱液在经过喷雾干燥过程后，通过分段控制烧结过程，并配合使用二次机械粉碎法，通过调节工艺参数控制不同阶段的超导粉体粒度，满足不同阶段超导粉成相反应的条件，最终获得高性能的超导粉，其中主要包括对经过喷雾干燥过程后的超导粉进行500℃以上的低温烧结过程，烧结时间在30分钟以上，烧结过程通入干燥的空气作为保护气氛，要求粉层厚度不超过1.5cm，之后对低温烧结后的粉体进行第一次机械粉碎步骤，超导粉体粒度控制在粒度单位D50小于5μm，然后对机械粉碎后获得的粉体采用机械充氧混合的方式以消除不均，再对混合后的粉体进行大于790℃的高温烧结过程，烧结时间大于15小时，烧结过程通入干燥的人造空气，整个烧结过程炉腔内部旋转，以保证温度的均一性，并在高温烧结过程后对粉体进行第二次机械粉碎步骤，经过所述的两次机械粉碎步骤后获得的超导粉粒度单位D50在1-2μm，然后再对超导粉悬浮液下层粉体采用真空烘干的方法获得所述的超导粉。
步骤2、获取块材成型，采用压制成型模具对块材用粉体进行冲压成型，获得成分密度均匀的铋系块材；铋系块材包括块材尺寸和填充密度，以及脱模方式。脱模方式不引入污染并能很好的去除。
其中，在铋系块材冲压成型过程中，块材高度0.5-10cm，优选地高度控制在2cm；原料粉体粉末填充密度控制在0.7-1.3g/cm3，优选地，0.9-1.1g/cm3；块材高度和密度通过装粉量控制。块材高度会影响压制过程中压力的传导并导致粉体在高度方向的不均匀，在后期烧结过程中会发生变形裂纹等现象。
优选地，在块材冲压成型前，对压制成型模具进行表面脱模处理，压制成型模具的表面脱模处理为冲压成型时，在上冲模表面、填粉腔的表面均喷洒润滑剂并即时吹干，块材表面残留的润滑剂采用温度500℃，时间3h通自然空气烧结处理。
由于超导材料对其他杂质的敏感性，该润滑剂为采用SKZ250型润滑剂与乙醇按照质量百分比比例为5％分散制作而成，处理后的块材经测试无润滑剂残留。
参照图1、图2所示，压制成型模具包括有润滑剂喷口1、烘干气体喷口2、上冲模3、操作平台7、填粉腔4、进料盒5、安装于套管内的下模6；上冲模3安装在机架上，上冲模3设置于下模上方，下模6固定安装有填粉腔4，在机架的操作平台7上安装有进料盒5，机架上固定设有润滑剂喷口1的润滑剂管、设有烘干气体喷口2的进气管，润滑剂喷口1、烘干气体喷口2置于上冲模3、操作平台7之间，上冲模和下模均连接有动力系统；动力系统为具有电机的气动装置。进料盒5上安装有轴承，保证进料盒向前运动。
压制成型模具的工作流程：从润滑剂喷口1向上冲模3和填粉腔4内喷润滑液，烘干气体喷口2向上冲膜3和填粉腔4吹压缩空气使上冲模3、填粉腔4表面干燥，进料盒5向填粉腔前运动填充粉末，上冲模3下降开始压制成型。
采用上冲模、下模具冲压成形，保证压力分布均匀，填充密度会影响气体在块材中的流通以及超导性能。
步骤3，块材热处理工艺，块材热处理采用温度为840-860℃，处理时间为10-40h，通8.5-9％氧分压的气氛，制备出Bi2223块材。
实施例1
步骤1，块材粉体成分，使用Bi、Sr、Pb、Ca、Cu的硝酸盐配制成前驱液，元素配比为Bi1.9，Sr2，Pb0.4，Ca2.5，Cu3.5，按照专利201110276160.5中超导粉的制备工艺进行粉末制备。
步骤2，块材成型，粉体用量10g,采用SKZ250与乙醇5％分散液表面喷涂脱模，上模、下模具冲压成形，最终块材尺寸为高度1cm，直径1.75cm圆柱体。润滑剂去除工艺为500℃*3h通自然空气烧结处理。
步骤3，块材热处理工艺。采用840℃*10h热处理工艺，通8.5％氧分压的气氛。
最终产品Bi2223块材可以悬浮直径为Φ5厚度为3mm的永磁体，悬浮高度为4mm。
实施例2
步骤1，块材粉体成分。使用Bi、Sr、Pb、Ca、Cu的硝酸盐配制成前驱液，元素配比为Bi1.8，Sr2，Pb0.35，Ca2.2，Cu3.0，按照专利201110276160.5中超导粉的制备工艺进行粉末制备。
步骤2，块材成型。粉体用量15g,采用SKZ250与乙醇5％分散液表面喷涂脱模，上下模具冲压成形，最终块材尺寸为高度1.3cm，直径1.75cm圆柱体。润滑剂去除工艺为500℃*3h通自然空气烧结处理。
步骤3，块材热处理工艺。采用840℃*40h热处理工艺，通8.5％氧分压的气氛。
最终产品Bi2223块材可以悬浮直径为Φ5厚度为5mm的永磁体，悬浮高度为4mm。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种铋系高温超导块材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，步骤1，块材用粉体制备；
步骤2，获取块材成型；
步骤3，块材热处理，制备出块材。
2.根据权利要求1所述铋系高温超导块材的制备方法，其特征在于，步骤1，所述块材用粉体制备，采用铋系超导粉的制备方法进行块材用粉体粉末制备，并调整块材用粉体的元素成分；块材用粉体调整，使用Bi、Sr、Pb、Ca、Cu的硝酸盐配制成前驱液，Bi、Sr、Pb、Ca、Cu的硝酸盐各元素摩尔或原子数配比为Bi：1.8-2.0，Sr：2，Pb：0.35-0.4，Ca：2-2.5，Cu：3-3.5。
3.根据权利要求1所述铋系高温超导块材的制备方法，其特征在于，步骤2、所述块材成型，采用压制成型模具对块材用粉体进行冲压成型，获得铋系块材；所述铋系块材包括块材尺寸和填充密度；
其中，在所述铋系块材的冲压成型过程中，所述块材高度0.5-10cm；原料粉体填充的块材密度控制在0.7-1.3g/cm3。
4.根据权利要求3所述铋系高温超导块材的制备方法，其特征在于，所述压制成型模具包括有润滑剂喷口、烘干气体喷口、上冲模、操作平台、填粉腔、进料盒、安装于套管内的下模，所述上冲模安装在机架上，所述上冲模设置于下模上方，所述下模固定安装有填粉腔，在所述机架的操作平台上安装有进料盒，所述机架上固定设有润滑剂喷口的润滑剂管、设有烘干气体喷口的进气管，所述润滑剂喷口、烘干气体喷口置于上冲模、操作平台之间，上冲模和下模均连接有动力系统；从润滑剂喷口向上冲模和填粉腔内喷润滑液，烘干气体喷口向上冲膜和填粉腔吹压缩空气使上冲模、填粉腔表面干燥，进料盒向填粉腔前运动填充粉末，上冲模下降开始压制成型。
5.根据权利要求3所述铋系高温超导块材的制备方法，其特征在于，在所述块材冲压成型前，对压制成型模具进行表面脱模处理，压制成型模具的表面脱模处理为在上冲模表面、填粉腔的表面均喷洒润滑剂并即时吹干，块材表面残留的润滑剂采用温度500℃，时间3h通自然空气烧结处理。
6.根据权利要求5所述铋系高温超导块材的制备方法，其特征在于，所述润滑剂为采用SKZ250型润滑剂与乙醇按照质量百分比比例为5％分散制作而成。
7.根据权利要求1所述铋系高温超导块材的制备方法，其特征在于，步骤3，所述块材热处理，采用热处理制备出铋系高温超导块材。
8.根据权利要求7所述铋系高温超导块材的制备方法，其特征在于，所述块材热处理采用温度为840-860℃，处理时间为10-40h，通8.5-9％氧分压的气氛，制备出Bi2223块材。
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| CN1044729A (zh) * | 1989-02-01 | 1990-08-15 | 中国科学院上海冶金研究所 | 铋锶钙铜氧系超导复合材料的制备方法 |
| CN1253071A (zh) * | 1998-11-02 | 2000-05-17 | 住友特殊金属株式会社 | 压制粉末制品的装置以及压制粉末制品的方法 |
| CN105585315A (zh) * | 2014-10-21 | 2016-05-18 | 兰毅 | 铋锶钙铜氧系超导复合材料的制备方法 |
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| 曹国辉等: "铋系2223相大块材制备工艺探索", 《低温与超导》 * |
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