CN118629709A - 一种MgB2超导线材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超导材料技术领域，公开了一种MgB₂超导线材及其制备方法。该制备方法包括：将Mg、Cu、Ti通过熔炼法获得Mg合金铸锭，将所述Mg合金铸锭加工得到Mg合金棒，将所述Mg合金棒和B粉装入Nb管得到复合棒，将所述复合棒加工制得单芯线，将所述单芯线装入无氧铜管，密排装入蒙乃尔合金管中，经冷塑形加工后获得多芯复合线；将所述多芯复合线进行高温成相热处理，制得所述MgB₂超导线材。本申请通过将含Cu、Ti金属元素的Mg合金棒作为制备MgB₂多芯线材的Mg源，提高Mg合金棒在线材加工过程中的塑性变形能力，提高晶界耦合度，从而提升MgB₂超导线材的载流性能。

Description

一种MgB2超导线材及其制备方法

技术领域

本发明属于超导材料技术领域，公开了一种MgB₂超导线材及其制备方法。

背景技术

MgB₂(二硼化镁)超导材料的临界转变温度达39K，可以摆脱昂贵的液氦而工作在液氢或制冷机制冷温区(15～25K)。自然界中Mg和B的储量丰富且工业制备成本低，实用化MgB₂超导材料的工程应用具有较大的竞争优势。目前，实用化MgB₂超导线/带材的制备采用粉末装管技术，主要有原位法(In-situ)、先位法(Ex-situ)、中心镁扩散法(InternalMgdiffusion-IMD)。研究表明，MgB₂相的晶粒连接性和填充密度是影响线材超导传输性能的关键因素。采用IMD法制备线材的MgB₂相的密度明显高于In-situ法和Ex-situ法。此外，IMD法可使MgB₂相获得晶界强耦合，故IMD法制备MgB₂线材的临界电流密度(Jc)明显高于In-situ法或Ex-situ法。

IMD法通常是将Mg棒置于Nb或Ta管中，在Mg棒和管内壁的间隙填充B粉，加工成单芯棒，进一步将单芯棒组装后插入Cu-Ni合金管中，最后通过冷加工成型得到多芯MgB₂线材。但由于Mg金属为密排六方点阵结构，滑移系数低，塑性变形能力差，故采用IMD法制备多芯MgB₂线材时，内部的Mg棒易出现断裂，最终使线材长线加工的稳定性降低，同时使线材的载流性能衰减。

发明内容

为克服现有技术问题，本发明提供了一种MgB₂超导线材及其制备方法。相比于现有技术，本发明的优点在于采用经熔炼掺杂Cu、Ti元素的Mg合金棒作为中心Mg扩散源，并进一步采用无氧Cu管包覆Mg合金棒。该方法不仅有助于提高MgB₂线材冷加工过程中Mg合金棒的塑性变形能力，且使线材在外场下获得良好的热稳定性和较高的载流性能。

一方面，本发明涉及一种MgB₂超导线材的制备方法，其包括：将Mg(镁)、Cu(铜)、Ti(钛)通过熔炼法获得Mg合金铸锭，将所述Mg合金铸锭加工得到Mg合金棒，将所述Mg合金棒和B粉装入Nb管得到复合棒；

将所述复合棒加工制得单芯线，将所述单芯线装入无氧铜管，密排装入蒙乃尔合金管中，经冷塑形加工后获得多芯复合线；

将所述多芯复合线进行高温成相热处理，制得所述MgB₂超导线材。

进一步地，本发明提供的MgB₂超导线材的制备方法中，所述Mg合金铸锭中，Mg、Cu、Ti的质量百分比为0.8～0.9:0.05:0.05～0.15。

进一步地，本发明提供的MgB₂超导线材的制备方法中，所述熔炼法为电子束熔炼。

进一步地，本发明提供的MgB₂超导线材的制备方法中，所述的单芯线制备过程中，所用Nb管的纯度≥99.99％，Nb在MgB₂超导线材的占比为10％～12％；所述单芯线的直径为Φ3.8mm～Φ7.8mm。

进一步地，本发明提供的MgB₂超导线材的制备方法中，所述无氧铜管的外径为12mm，壁厚为2mm～4mm，纯度≥99.9％；所述多芯复合线的芯数为37～136。

进一步地，本发明提供的MgB₂超导线材的制备方法中，所述高温成相热处理的温度为500℃～900℃，保温时间为5h～15h。

另一方面，本发明涉及一种MgB₂超导线材，其采用上述MgB₂超导线材的制备方法制得。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案具备以下有益效果或优点：

(1)本发明将含Cu、Ti金属元素的Mg合金棒作为制备MgB₂多芯线材的Mg源。一方面，Cu、Ti元素的掺杂将提高Mg合金棒在线材加工过程中的塑性变形能力。另一方面，Cu元素为Mg元素向B元素的扩散反应提供通道，增加了MgB₂成相反应的活性，且Ti元素将进一步细化MgB₂晶粒，提高晶界耦合度。

(2)本发明中将一次加工成型后的单芯线(基体为Nb)装入无氧Cu管中，然后再进行二次组装和加工，通过该方法为MgB₂线材提供Cu基体，以提高线材热稳定性。

(3)本发明提出的MgB₂超导线材的制备方法制备的线材中MgB₂晶粒尺寸为50～80nm，晶粒间具有良好的连接性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1制备的MgB₂超导线材的微观形貌。

图2为本发明实施例2制备的MgB₂超导线材的微观形貌。

图3为本发明实施例3制备的MgB₂超导线材的微观形貌。

图4为本发明对比例1制备的MgB₂超导线材的微观形貌。

图5为本发明实施例1、实施例2、实施例3和对比例1制备的MgB₂超导线材的J_c-B曲线。

具体实施方式

下面，结合实施例对本发明的技术方案进行说明，但是，本发明并不限于下述的实施例。

下述各实施例中所述实验方法和检测方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。

本发明提供了一种高临界电流密度MgB₂超导线材的制备方法，具体按照以下步骤实施：

实施例1

本实施例提供了一种MgB₂超导线材的制备。

步骤一、将Mg、Cu、Ti通过电子束熔炼获得Mg合金铸锭，其中Mg、Cu、Ti的质量百分比为0.9:0.05:0.05。

步骤二、将Mg合金铸锭通过挤压、轧制加工为Mg合金棒，Mg合金棒的平直度4mm/1000mm。进一步对Mg合金棒进行表面清洁和抛光处理后待用。

步骤三、在通有纯度为99.999％的流通氩气手套箱中，将Mg合金棒装入纯度为99.9％，平直度为4mm/1000mm的Nb管中，在Mg合金棒和Nb管内壁的间隙区域填充纳米B粉(纯度为99.9％，粒度为2μm)，制得复合棒。最后将复合棒加工成直径为Φ7.8mm的单芯线，进一步对单芯线进行矫直处理并切断。

步骤四、将单芯线表面进行清洁处理后装入外径为Φ12mm、壁厚为2mm的无氧Cu管中，然后密排装入蒙乃尔合金管中，最后经冷塑性加工为直径为2mm的37芯结构的多芯复合线。

步骤五、将多芯复合线在真空环境下，经500℃处保温15h后获得具有超导性能的MgB₂超导线材。

图1为本实施例制备的MgB₂超导线材的微观形貌，由图可知，本实施例制备的MgB₂超导线材的MgB₂晶粒尺寸约为80nm，晶粒间无孔洞且连接致密。图5为制备的MgB₂超导线材在不同测试条件下的临界电流密度值(J_c-B曲线)，在4.2K、3T下，本实施例制备的MgB₂超导线材的临界电流密度达到7200A/mm²。

实施例2

本实施例提供了一种MgB₂超导线材的制备。

步骤一、将Mg、Cu、Ti通过电子束熔炼获得Mg合金铸锭，其中Mg、Cu、Ti的质量百分比为0.85:0.05:0.1。

步骤二、将Mg合金铸锭通过挤压、轧制加工为Mg合金棒，Mg合金棒的平直度4mm/1000mm。进一步对Mg合金棒进行表面清洁和抛光处理后待用。

步骤三、在通有纯度为99.999％的流通氩气手套箱中，将Mg合金棒装入纯度为99.9％，平直度为4mm/1000mm的Nb管中，在Mg合金棒和Nb管内壁的间隙区域填充纳米B粉(纯度为99.9％，粒度为2μm)，制得复合棒。最后将上述复合棒加工成直径为Φ5.8mm的单芯线，进一步对单芯线进行矫直处理并切断。

步骤四、将单芯线表面进行清洁处理后装入外径为Φ12mm、壁厚为3mm的无氧Cu管中，然后密排装入蒙乃尔合金管中，最后经冷塑性加工为直径为2mm的88芯结构的多芯复合线。

步骤五、将多芯复合线在真空环境下，经700℃处保温10h后获得具有超导性能的MgB₂超导线材。

图2为本实施例制备的MgB₂超导线材的微观形貌，由图可知，本实施例制备的MgB₂超导线材的MgB₂晶粒尺寸约为65nm，相比于实施例1，随着晶粒尺寸的减小，MgB₂晶粒间的致密度也增强。图5为制备的MgB₂超导线材在不同测试条件下的临界电流密度值(J_c-B曲线)，在4.2K、3T下，本实施例制备的MgB₂线材的临界电流密度达到7600A/mm²。

实施例3

本实施例提供了一种MgB₂超导线材的制备。

步骤一、将Mg、Cu、Ti通过电子束熔炼获得Mg合金铸锭，其中Mg、Cu、Ti的质量百分比为0.80:0.05:0.15。

步骤二、将Mg合金铸锭通过挤压、轧制加工为Mg合金棒，Mg合金棒的平直度4mm/1000mm。进一步对Mg合金棒进行表面清洁和抛光处理后待用。

步骤三、在通有纯度为99.999％的流通氩气手套箱中，将Mg合金棒装入纯度为99.9％，平直度为4mm/1000mm的Nb管中，在Mg合金棒和Nb管内壁的间隙区域填充纳米B粉(纯度为99.9％，粒度为2μm)，制得复合棒。最后将上述复合棒加工成直径为Φ3.8mm的单芯线，进一步对单芯线进行矫直处理并切断。

步骤四、将单芯线表面进行清洁处理后装入外径为Φ12mm、壁厚为4mm的无氧Cu管中，然后密排装入蒙乃尔合金管中，最后经冷塑性加工为直径为2mm的136芯结构的多芯复合线。

步骤五、将多芯复合线在真空环境下，经700℃处保温10h后获得具有超导性能的MgB₂超导线材。

图3为本实施例制备的MgB₂超导线材的微观形貌，由图可知，本实施例制备的MgB₂超导线材的MgB₂晶粒尺寸约为50nm，MgB₂晶粒的致密性也显著提升，相比于实施例1和实施例2，本实施例制备的线材的MgB₂晶粒尺寸进一步减小。图5为制备的MgB₂超导线材在不同测试条件下的临界电流密度值(J_c-B曲线)，在4.2K、3T下，本实施例制备的MgB₂线材的临界电流密度达到8000A/mm²。

对比例1

本对比例提供了一种MgB₂超导线材的制备。

本对比例与实施例1相比，区别在于，线材制备过程中直接将未掺杂Cu和Ti元素的Mg棒作为扩散Mg源，最终制得37芯结构的MgB₂超导线材。

图4为本对比例制备的MgB₂超导线材的微观形貌，由图可知，本实施例制备的MgB₂超导线材的MgB₂晶粒尺寸约为100nm，晶体结构中存在一定量的微观孔洞，使得晶粒间的致密性和连接性降低。图5为制备的MgB₂超导线材在不同测试条件下的临界电流密度值(J_c-B曲线)，在4.2K、3T下，本实施例制备的MgB₂线材的临界电流密度达到6500A/mm²。相比于实施例1、实施例2和实施例3，本对比例制备的线材的MgB₂晶粒尺寸较大，对应线材的临界电流密度较低。由此可知，本发明中通过熔炼法在Mg棒中掺杂微量的Cu和Ti元素，增加了MgB₂成相过程中的反应活性，细化了MgB₂晶粒，提升了晶界连接性，从而使线材获得了较高的载流性能。

如上所述，较好的描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。上述实施例和说明书仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种改变和改进，均应落入本发明确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种MgB₂超导线材的制备方法，其特征在于，包括：将Mg、Cu、Ti通过熔炼法获得Mg合金铸锭，将所述Mg合金铸锭加工得到Mg合金棒，将所述Mg合金棒和B粉装入Nb管得到复合棒；

将所述复合棒加工制得单芯线，将所述单芯线装入无氧铜管，密排装入蒙乃尔合金管中，经冷塑形加工后获得多芯复合线；

将所述多芯复合线进行高温成相热处理，制得所述MgB₂超导线材。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Mg合金铸锭中，Mg、Cu、Ti的质量百分比为0.8～0.9:0.05:0.05～0.15。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼法为电子束熔炼。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Nb管的纯度≥99.99％，所述单芯线的直径为Φ3.8mm～Φ7.8mm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无氧铜管的外径为12mm，壁厚为2mm～4mm，纯度≥99.9％；所述多芯复合线的芯数为37～136。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温成相热处理的温度为500℃～900℃，保温时间为5h～15h。

7.一种MgB₂超导线材，其特征在于，其采用权利要求1～6任一项所述的MgB₂超导线材的制备方法制得。

8.根据权利要求7所述的超导线材，其特征在于，所述超导线材中MgB₂晶粒尺寸为50～80nm。