CN113036470B - 一种MgB2超导电缆接头及其制备和连接方法 - Google Patents

Abstract

一种MgB₂超导电缆接头，MgB₂超导电缆接头为圆棒状结构，其横截面结构为中心区域为Mg区，所述中心区域Mg区为实心或空心，围绕Mg区外围，由中心向外部依次设置有环状结构的B环区、Nb环区及Cu环区；在MgB₂超导电缆接头两端的B环区开设数个连接孔，MgB₂超导电缆接头的每个端面连接孔数与该端面需接入的MgB₂超导电缆的超导股数相同，所述连接孔均匀分布于Mg区的外侧周围。本发明还提供MgB₂超导电缆接头的制备方法及连接方法。本发明的超导电缆接头具有较高的输运性能。连接后的电缆保持多股结构且可以二次绞合，大大降低了超导电缆接头的交流损耗。

Description

一种MgB2超导电缆接头及其制备和连接方法

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MgB₂超导电缆接头结构、制备方法及与超导股线间的连接方法。

背景技术

二硼化镁结构简单，自2001年在其中发现超导电性以来吸引了世界各国研究团队的巨大热情。随着制冷技术的发展，采用制冷机直接冷却甚至液氢制冷的装置，可以实现硼化镁在 10K～20K的应用，避免了复杂、稀缺、昂贵的液氦条件，因此，硼化镁在4.2K以上的超导应用中具有竞争力。

目前已经有多家公司采用粉末装管法(PIT)可以批量制备出千米级的MgB₂超导长线。在此基础上，许多团队开展了硼化镁超导电缆制备研究和示范应用等工作。在高亮度大型强子对撞机(HL-LHC)升级改造项目中使用的MgB₂电缆每根约100米长，额定电流达18kA。但MgB₂电缆的长度依然受线材单根长度的限制。因此，采用简单可行的方法制备高性能的MgB₂超导电缆接头对MgB₂超导电缆的推广应用具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种MgB₂超导电缆接头、及其制备方法以及MgB₂超导电缆接头与超导股线间的连接方法，用以将MgB₂超导电缆进行连接，使接头具有较高的临界电流(Ic) 和较低的交流损耗。

本发明所采用的技术方案是一种MgB₂超导电缆接头，为圆棒状结构，其横截面结构为中心区域为Mg区，所述中心区域Mg区为实心或空心，围绕Mg区外围，由中心向外部依次设置有环状结构的B环区、Nb环区及Cu环区；在MgB₂超导电缆接头两端的B环区开设数个连接孔，MgB₂超导电缆接头的每个端面连接孔数与该端面需接入的MgB₂超导电缆的超导股数相同，所述连接孔均匀分布于Mg区的外侧周围。

进一步地，所述Mg区与B环区的原子比为0.48～1。

本发明还提供了一种MgB₂超导电缆接头的制备方法，包括以下步骤：

(1)在惰性气氛保护下，比如真空手套箱，将Mg棒或Mg管固定在CuNb复合管的中心位置处形成Mg区，将无定形B粉装入Mg棒或Mg管与CuNb复合管间的夹缝中，得到一次复合体，一次复合体中最外层为Cu；Mg棒或Mg管与装填的B粉的原子比为0.48～1；

(2)将一次复合体进行旋锻或拉拔加工后定尺截断备用，获得预制棒，预制棒横截面中心区域为Mg区，Mg区为实心或空心；围绕中心区域Mg区外围由内向外依次为B环区、 Nb环区和Cu环区；一次复合体旋锻或拉拔的道次加工量为3％～30％；

(3)在预制棒的两端端面处B环区位置处打连接孔，每个端面连接孔的数量与该端面需接入的MgB₂超导电缆中的超导股数相同，连接孔均匀分布在Mg区外侧周围。

本发明还提供了一种将上述MgB₂超导电缆接头与MgB₂超导电缆连接的连接方法，其步骤如下：

a将拟连接的两根超导电缆端部退绞，退绞长度大于电缆接头端部连接孔深度；

b分别将两端退绞后松散的超导电缆的超导股线一一对应地插入超导电缆接头的连接孔中；当超导电缆中心有铜线时，则采用空心的超导电缆接头，使一端的超导电缆上的铜线穿过超导电缆接头的空心处，与另一端的超导电缆上的铜线进行连接；

c将步骤b组装好的超导电缆和超导电缆接头的复合体进行变形量加工，使每股线材与超导电缆接头均紧密结合；

d将连接好的超导电缆接头与超导电缆的连接部重新绞合；

e将绞合后的超导电缆接头与超导电缆一起进行热处理成相。

本发明的有益效果是，在成相热处理过程中，接头中心的Mg区向B环区方向反应扩散，在超导股线端部形成高密度的MgB₂超导相，使接头部分仍然具有较高的输运性能。连接后的电缆保持多股结构且可以二次绞合，大大降低了超导电缆接头的交流损耗。

该超导接头制作方法简单，适用于两根相同或不同结构的MgB₂超导电缆连接，且接头具有较高的临界电流(Ic)和较低的交流损耗，具有很好的应用前景。

附图说明

图1，本发明实心的MgB₂超导电缆接头横截面结构示意图。

图2，本发明空心的MgB₂超导电缆接头横截面结构示意图。

图3，本发明实心的MgB₂超导电缆接头纵截面结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的MgB₂超导电缆接头，参看图1至图3，为圆棒状结构，其横截面结构为中心区域为Mg区1，中心区域Mg区为实心或空心，当为空心时，该空心部6为贯通超导电缆接头两端的透孔。围绕中心区域Mg区，由内向外部依次设置有环状结构的B环区2、Nb环区 3及Cu环区4；在MgB₂超导电缆接头两端的B环区开设数个连接孔5，接头的每个端面连接孔的数量与该端面需接入的MgB₂超导电缆的超导股数相同，连接孔均匀分布于中心区域 Mg区的外侧周围。Mg区与B环区的原子比0.48～1。超导电缆接头两端的连接孔数量及深度可以不同，但是同一端面的连接孔的深度相同。

本发明的MgB₂超导电缆接头的制备方法，由以下实施例进行具体说明。

实施例1

拟连接的两根超导电缆股线数均为3股，并且全部为超导股线。具体实施过程为：

(1)在真空手套箱中，将Mg棒固定在Nb/Cu复合管的中间位置，将无定形B粉装入Mg棒或Mg管外侧与Nb/Cu复合管之间的夹缝中，得到一次复合体；Mg棒与装填的B粉的原子比为0.48～1。一次复合体最外层为Cu；

(2)采用30％的道次加工量，对一次复合体进行多道次拉拔至直径为Φ5mm，截取100mm 长度作为超导接头制作用预制棒，预制棒横截面中各组分规格由中心区域向外分别为：中心区域的Mg区占中心区域Φ2mm，B环区所占区域约为Φ3.5×2mm的环状结构，Nb环区所占区域约为Φ4×3.5mm的环状结构，Cu环区所占区域约为Φ5×4mm的环状结构；

(3)使用钻床在预制棒的两端面的B环区的位置处均匀分布地各打3个直径为Φ1.0mm 的连接孔制成实心的MgB₂超导电缆接头，连接孔深均为40mm。

将制成的MgB₂超导电缆接头与两根3股超导电缆连接的连接方法，其步骤包括：

A、将拟连接的两根3股超导电缆端部分别退绞60mm；

B、将退绞后的两根超导电缆线的的3股松散的超导股线分别一一对应地插入MgB₂超导电缆接头两端的连接孔中；

C、将组装好的超导电缆和超导电缆接头的复合体进行两次压力加工，加工后的超导电缆接头处的直径为Φ3.5mm；

D、将连接好的超导电缆接头与超导电缆的连接处进行适当旋转，使超导股线与连接的超导电缆接头部分重新绞合；

E、制作完成的超导电缆接头接头与超导电缆一起在流动氩气气氛下进行热处理成相。对经过热处理成相处理的超导电缆进行临界电流(Ic)测试，测得Ic＝352A@4.2K，2T。

实施例2

拟连接的两根超导电缆股线数分别为3股和4股，并且全部为超导股线。具体实施过程为：

(1)在真空手套箱中，将Mg棒固定在Nb/Cu复合管的中间位置，将无定形B粉装入中间为Mg棒的铌铜复合管中，得到一次复合体；Mg棒与装填的B粉的原子比为0.48～1。一次复合体最外层为Cu；

(2)采用20％的道次加工量，对该一次复合体进行多道次拉拔至直径为Φ20mm，截取 200mm长度作为超导接头制作用预制棒，预制棒横截面中各组分规格由中心区域向外分别为：Mg区所占中心区域Φ8mm，B环区所占区域约为Φ14×8mm的环状结构，Nb环区所占区域约为Φ16×14mm的环状结构，Cu环区所占区域约为Φ20×16mm的环状结构；

(3)使用钻床在预制棒的一端面的B环区的位置均匀分布地打3个直径Φ2.5mm的连接孔，连接孔深均为90mm，在预制棒的另一端面B环区的位置均匀分布地打4个直径Φ2.0mm 的连接孔，孔深均为100mm；得到实心的MgB₂超导电缆接头。

将制成的MgB₂超导电缆接头与一根3股超导电缆和一根4股超导电缆连接的连接方法，其步骤包括：

A、将拟连接的一根3股超导电缆端部退绞100mm，另一根4股超导电缆端部退绞120mm；

B、将3股的超导电缆的松散的超导股线一一对应地插超导电缆接头一端的三个连接孔中；将4股的超导电缆的松散的超导股线一一对应地插超导电缆接头另一端的四个连接孔中；

C、将组装好的两根超导电缆和超导电缆接头的复合体进行4次压力加工，加工后的超导电缆接头直径为Φ10mm；

D、将连接好的导电缆和超导电缆接头连接处进行适当旋转，使超导股线与超导电缆接头连接部分重新绞合；

E、制作完成的超导电缆接头与超导电缆一起在流动氩气气氛下进行热处理成相，然后测试经热处理成相的超导电缆的临界电流(Ic)，测得Ic＝308A@4.2K，2T。

实施例3

拟连接的两根超导电缆股线数均为7股，其结构为6根超导股线均匀围绕在1根铜线周围。具体实施过程为：

(1)在真空手套箱中，将Mg管固定在Nb/Cu复合管的中间位置，将无定形B粉装入Mg管外侧与Nb/Cu复合管间夹缝中，得到一次复合体；Mg管与装填的B粉的原子比为0.48～ 1。一次复合体最外层为Cu；

(2)采用10％的道次加工量，对该一次复合体进行旋锻或拉拔至直径为Φ16mm，截取 100mm长度作为超导接头制作用预制棒，预制棒横截面中各组分由中心至外部的规格分别为：Mg管所占中心区域约为Φ8×4mm的环状结构，B环区所占区域约为Φ12×8mm的环状结构，Nb环区所占区域约为Φ14×12mm的环状结构，Cu环区所占区域约为Φ16×14mm的环状结构；

(3)使用钻床在预制棒的两端面的B环区的位置处均匀分布地各打6个直径Φ2.0mm 的连接孔，连接孔深均为48mm；制成空心的MgB₂超导电缆接头。

将制成的MgB₂超导电缆接头与两根7股超导电缆连接的连接方法，7股超导电缆结构为 6根超导股线均匀围绕在1根铜线周围，其连接步骤包括：

A、将两根7股超导电缆端部分别退绞120mm；

B、将一根电缆中心的铜线穿过MgB₂超导电缆接头的位于中心环状Mg区的空心部，与另一根电缆的铜线连接，然后分别从将两根超导电缆的松散的6股超导股线分别一一对应地插入MgB₂超导电缆接头两端的连接孔中；

C、对组装好MgB₂超导电缆接头和超导电缆的复合体进行4次压力加工，加工后的直径为Φ10mm；

D、将连接好的MgB₂超导电缆接头进行适当旋转，使超导股线与超导电缆接头连接部分重新绞合；

E、制作完成的超导电缆接头与超导电缆一起在流动氩气气氛下进行热处理成相，然后对经热处理成相处理的连接好的超导电缆进行临界电流(Ic)测试，测得Ic＝334A@4.2K，2T。

实施例4

拟连接的两根超导电缆股线数分别为7股和13股，其中，7股超导电缆结构为6根超导股线均匀围绕在1根铜线周围；13股超导电缆结构为12根超导股线均匀围绕在1根铜线周围。具体实施过程为：

(1)在真空手套箱中，将Mg管固定在Nb/Cu复合管的中间位置，将无定形B粉装入Mg管外侧与Nb/Cu复合管的夹缝中，得到一次复合体；Mg管与装填的B粉的原子比为0.48～1；一次复合体最外层为Cu；

(2)采用3％的道次加工量，对该一次复合体进行旋锻或拉拔至直径为Φ40mm，截取 300mm长度作为超导接头制作用预制棒，预制棒横截面中各组分结构分别为Mg管所占中心区域约为Φ28×10mm的环状结构，B环区所占区域约为Φ33×28mm的环状结构，Nb环区所占区域约为Φ36×33mm环状结构，Cu环区所占区域约为Φ40×36mm环状结构；

(3)使用钻床在预制棒的一端端面B环区的位置均匀分布地打6个直径Φ3.0mm的连接孔，连接孔深均为148mm；在预制棒的另一端B环区的位置均匀分布地打12个直径Φ2.2mm 的连接孔，连接孔深均为150mm；制得空心MgB₂超导电缆接头。

将MgB₂超导电缆接头与7股超导电缆和13股超导电缆连接的连接方法，其步骤包括：

A、将两根超导电缆端部分别退绞250mm；

B、将一根电缆中心的铜线穿过超导电缆接头中的Mg区所在的空心部，与另一根超导电缆的铜线连接，然后将7超导电缆端部松散的6股超导股线一一对应地插入超导电缆接头一端的六个连接孔中，将13超导电缆端部松散的12股超导股线一一对应地插入超导电缆接头一端的十二个连接孔中；

C、对组装好的超导电缆接头与超导电缆的复合体进行8次压力加工，加工后的超导电缆接头直径为Φ20mm；

D、将压力加工后的超导电缆接头进行适当旋转，使超导股线与超导电缆接头连接部分重新绞合；

E、制作完成的超导电缆接头与超导电缆一起在流动氩气气氛下进行热处理成相，对经过热处理成相的连接好的超导电缆进行Ic测试，测得Ic＝285A@4.2K，2T。

Claims (7)

1.一种MgB₂超导电缆接头，其特征在于MgB₂超导电缆接头为预制的圆棒状结构，其横截面结构为中心区域为Mg区，所述中心区域Mg区为实心或空心，围绕Mg区外围，由中心向外部依次设置有环状结构的B环区、Nb环区及Cu环区；在MgB₂超导电缆接头两端的B环区开设数个连接孔，MgB₂超导电缆接头的每个端面连接孔数与该端面需接入的MgB₂超导电缆的超导股数相同，所述连接孔均匀分布于Mg区的外侧周围。

2.根据权利要求1所述的MgB₂超导电缆接头，其特征在于所述Mg区与B环区的原子比为0.48～1。

3.一种MgB₂超导电缆接头的制备方法， 包括以下步骤：

（1）在惰性气氛保护下，将Mg棒或Mg管固定在CuNb复合管的中心位置处形成Mg区，将无定形B粉装入Mg棒或Mg管与CuNb复合管间的夹缝中，得到一次复合体，一次复合体中最外层为Cu；

（2）将一次复合体进行旋锻或拉拔加工后定尺截断备用，获得预制棒，预制棒横截面中心区域为Mg区，Mg区为实心或空心；围绕中心区域Mg区外围由内向外依次为B环区、Nb环区和Cu环区；

（3）在预制棒的两端端面处B环区位置处打连接孔，每个端面连接孔的数量与该端面需接入的MgB₂超导电缆中的超导股数相同，连接孔均匀分布在Mg区外侧周围。

4.根据权利要求3所述的MgB₂超导电缆接头的制备方法，其特征在于步骤（1）中， Mg棒或Mg管与装填的B粉的原子比为0.48～1。

5.根据权利要求3所述的MgB₂超导电缆接头的制备方法，其特征在于步骤（1）中，在真空手套箱中制备一次复合体。

6.根据权利要求3所述的MgB₂超导电缆接头的制备方法，其特征在于步骤（2）中，一次复合体旋锻或拉拔的道次加工量为3%～30%。

7.将权利要求1所述的MgB₂超导电缆接头与MgB₂超导电缆连接的连接方法，其步骤如下：

a将拟连接的两根超导电缆端部退绞，退绞长度大于电缆接头端部连接孔深度；

b分别将两端退绞后松散的超导电缆的超导股线一一对应地插入超导电缆接头的连接孔中；当超导电缆中心有铜线时，则采用空心的超导电缆接头，使一端的超导电缆上的铜线穿过超导电缆接头的空心处，与另一端的超导电缆上的铜线进行连接；

c将步骤b组装好的超导电缆和超导电缆接头的复合体进行变形量加工，使每股线材与超导电缆接头均紧密结合；

d将连接好的超导电缆接头与超导电缆的连接部重新绞合；

e将绞合后的超导电缆接头与超导电缆一起进行热处理成相。

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