「無阻」話超導之超導合金材料

2021-01-11 清剛而介

超導合金材料

為了獲得有實用價值的超導材料,最先了展起來的是超導合金材料.它是屬於第Ⅱ類超導體.由於原料的純度及加工工藝等一系列原因,使它的化學和物理的不均勻性超過了本身的原子尺度(如位錯,缺陷等),就是上面講的非理想第Ⅱ類超導體.它們有很高的無阻載流能力,是繞制80千高斯左右磁體合適材料.

Mb-Zr合金是早期使用的超導體的合金.由於當時Nb-Ti合金的低場穩定性問題尚未解決,在1965年前,它是超導合金主要產品.它只能繞制60千高斯的磁體.隨著Nb-Ti超導合金穩定性問題的解決.而金屬鈦成本永比鋯低,而又便於加工,Nb-Ti合金很快代替了Nb-Zr合金,Nb-Ti的臨界磁場較Nb-Zr高,可以繞制100千高斯左右的磁體.為了進一步提高合金的臨界電流(Ic),隨之發展了三元合金,如Nb-Ti-Ta等.一些主要超導合金可見表2-2.

表2-2 某些超導合金

(續上)

Nb-Ti是難熔金屬合金,其製備工藝首先由難熔合金特點(熔點高,高溫下易被氧化)所決定,其次是為滿足繞制超導磁體的一些要求而進入一些特殊處理.

Nb-Ti合金的典型工藝流程:

電子轟擊熔煉--真空電弧熔煉--熱鍛或冷加工--均勻化處理--冷加工--包銅--冷加工--拉絲--時效熱處理.

熔煉(合金化),為了防止氧化和進行除氣,要在真空情況下冶煉.可先用電子轟擊成錠子,作為電弧爐的電極.也可先進行電弧爐熔煉,甚至不用電子轟擊熔煉,這處決於原料的純度和形狀.

均勻化處理,為了獲得成份更加均勻的材料.

包銅,是提高超導磁體的穩定性的必要措施,一般採用無氧銅.

時效熱處理是為了提高線材的臨界電流.

目前大型超導磁體使用的Nb-Ti合金材料,除了要求有較高的H-Jc特性外,同時還得滿足電的和機械穩定性的要求.發展了超導複合帶工藝,它保證磁體連續運行的可靠性,一旦超導瞬時被破壞,可由正常的銅導體承載很大的電流.在複合帶中超導體所佔的比例是很小的.此帶是將包銅的超導體在軋機下往復運動扎制出來,然後在惰性氣體中退火,使銅軟化,以便繞制磁體.

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