内锡法NbSn超导材料的超导性能优化及成相动力学研究

摘要

Nb3Sn因其良好的高场性能而成为高场磁体的首选超导材料。为了系统研究内锡法Nb3Sn超导线材的超导性能优化以及成相动力学，本研究选取了两种ITER型多芯线材，并设计制备了四种单组元单芯线材。多芯线都是高Cu比、亚组元数量少、非反应型扩散阻隔层的设计，并通过RRP内锡法工艺制备。四种单芯线分别具有不同的导线含Sn率，其中一种导线还合金化掺杂了Zr。 实验采用四种现代化测试技术。输运临界电流法的测定目的是得到超导线的非铜区临界电流密度JCN和工程临界电流密度JE，以及由Jc×B所确定的磁通钉扎力Fp随磁场的变化，以探讨这些结果与热处理制度的关系。原位和非原位中子衍射法测试的目的是探讨Cu-Sn合金化进程中各种相的动态变化特征，重点是Nb3Sn成相过程的规律性。SQUID磁化法可进行两种方式的检测：其一是固定磁场循环温度的方法，目的是测得Tc值、Tc转变曲线、Tc(B)以及不可拟温度T*(B)；其二是固定温度循环磁场的方法，目的是测得磁滞回线，从而得到磁通钉扎性能和不可拟场H*的变化规律。显微结构观察和显微化学分析检测A15相成相的变化过程、晶粒结构与结晶形态的变化以及芯丝组成Sn含量分布的变化，目的是探讨这些变化与热处理制度的关系。另一重要内容是检测A15相产物层厚度在成相过程中的变化，以期探讨成相动力学关系。 两种ITER型多芯线的研究结果概括如下。(1)输运临界电流密度的测定结果表明，非铜区临界电流密度JCN以及由此而得到的磁通钉扎力都随着热处理温度的提高和反应时间的延长而增大，达到最大值后出现下降趋势，而反映高场性能的不可拟场H*却没有这种下降趋势。(2)原位中子衍射的测试分析表明，Cu-Sn合金化过程先生成η相，并进而转化成e相和d相；d相的减少与消失伴随着s相和γ相的生成和增长；Nb3Sn相大约在600℃下开始形成，并在随后的热处理过程中数量不断增多。(3)SQUJID磁化法测试结果表明，Tc值、Tc转变曲线、Tc(B)以及不可拟温度T*(B)这些与组成相关的超导性能都随着热处理温度的提高或反应时间的延长而增加；到完全反应热处理后就几乎不在变化了，并表现出与温度无关的特性。反映磁通钉扎性能的ΔM-B曲线和(△M×B)-B曲线也都随着热处理温度的提高或反应时间的延长而增大，达到最大后又下降，但反映高场性能的不可拟场H*却没有下降。(4)A15相显微结构观察和显微化学分析表明，NIN导线反应速度快，需要的热处理温度低，晶粒结晶形态以等轴晶居多；而AST导线则需要较高的热处理温度以促进反应速度，在同样热处理条件下生成的A15相结晶形态往往具有较多的柱状晶体。 综合多芯线测定结果可以得出，NIN导线在Sn中合金化掺杂Ti加快了Sn的扩散和Cu-Sn合金化进程，降低了反应温度，有效促进了A15相的成相，使该导线适合于较低的热处理温度：而AST导线由于没有这种Ti掺杂，Cu-Sn合金化和A15相成相都较慢，适合于在较高的温度下热处理。两种导线热处理制度的优化结果为：NIN导线在650℃到675℃热处理128小时；AST导线在675℃到700℃热处理128小时。 四种单芯线的研究结果概括如下。(1)SQUID磁化法测定结果表明，由单芯线ΔM-B曲线和(△M×B)-B曲线所反映的package临界电流密度以及package磁通钉扎等性能都随热处理温度的提高、反应时间的延长、导线含Sn率的增加以及Nb中合金化掺杂Zr，呈现不断增大的趋势，而反映A15层临界电流密度和磁通钉扎特性的A15layerJc和A15layerFp却变化较小，变化主要反映在向高磁场方向有一定的扩展。(2)非原位中子衍射测试结果表明，单芯线的成相速率主要取决于三个因素。首先是Sn/Cu比，Sn含量高则Sn扩散源就充分，成相速率就快；其次是热处理温度，温度增加，Sn的扩散和反应活性大为增加，成相速率就快，特别是从675℃到700℃速率加快更为明显：再次是第三种元素的掺杂，Sn掺杂Ti和Nb掺杂Zr的结合是非常有效的，能极大促进A15相Nb3Sn的形成。(3)A15相显微结构观察和显微化学分析结果表明，热处理温度的提高、反应时间的延长、导线含Sn率的增加以及Nb中合金化掺杂Zr都能促进A15相的成相，使A15相的生成量不断增多，但这些因素只改变反应进程，却并不能改变最终产物的组成。 本研究还特别对单芯线的A15相产物层厚度进行了测量，并对产物层厚度随反应时间和反应温度的变化用两种模型公式进行拟合。所得结果表明，Nb3Sn的固相反应成相动力学服从n指数变化规律，n值随热处理温度的提高和导线含Sn率的增加而增大。

目录

文摘

英文文摘

声明

1.绪论

1.1 立题依据

1.2超导原理及第Ⅱ类超导体的磁通钉扎

1.3 Nb3Sn特性及相图分析

1.4 Nb3Sn超导材料的发展

1.5 Nb3Sn超导材料的研究进展

1.6论文章节安排及主要内容

2.内锡法Nb3Sn超导线材的设计、制备及主要特征参数

2.1 RRP内锡法Nb3Sn多芯线材的制备方法、选材及特性比较

2.1.1 RRP内锡法制备方法

2.1.2 ITER用多芯线的选材及导线特性参数比较

2.2内锡法Nb3Sn单芯线的设计、制备及特征参数

2.2.1单芯线的设计方法

2.2.2单芯线的制备及特征参数

3.Nb3Sn超导线的主要测试技术

3.1中子衍射测试方法

3.2 SQUID磁化法测试技术

3.3输运临界电流测试方法

3.4显微结构测试方法

4.多芯Nb3Sn超导线材的超导性能优化、显微结构及成相动力学

4.1多芯线成相热处理

4.2多芯线输运临界电流密度的研究

4.2.1引言

4.2.2实验方法

4.2.3结果及分析

4.2.4讨论

4.2.5结论

4.3多芯线超导特性的SQUID磁化法研究

4.3.1引言

4.3.2实验

4.3.3结果及分析

4.3.4讨论

4.3.5结论

4.4多芯线成相动力学的原位中子衍射法研究

4.4.1引言

4.4.2样品制备及实验

4.4.3结果及分析

4.4.4讨论

4.4.5结论

4.5多芯线成相的显微结构及显微化学分析

4.5.1引言

4.5.2样品制备及电镜测试

4.5.3结果及分析

4.5.4讨论

4.5.5结论

5.内锡法单芯Nb3Sn超导线材的超导性能及成相动力学

5.1单芯线成相热处理

5.2单芯线超导特性的磁化法研究

5.2.1样品制备及实验

5.2.2结果及分析

5.2.3讨论

5.2.4结论

5.3单芯线成相动力学的中子衍射法研究

5.3.1样品制备及实验

5.3.2结果及分析

5.3.3讨论

5.3.4结论

5.4单芯线的显微结构分析及成相动力学研究

5.4.1样品制备及电镜测试

5.4.2结果及分析

5.4.3讨论

5.4.4结论

6.总结

致谢

参考文献

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