地球上的能量,無(wú)論是以礦石燃料、風(fēng)力、水力還是動(dòng)植物的形式儲(chǔ)存起來(lái)的,最終的來(lái)源都是太陽(yáng)：而太陽(yáng)的能量則是來(lái)源于核聚變,因此,人類(lèi)如果掌握了有序地釋放核聚變的能量的辦法,就等于掌握了太陽(yáng)的能量來(lái)源。目前,國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃(ITER)將采用全超導(dǎo)可控磁約束熱核聚變能(托卡馬克)發(fā)電技術(shù)使這一理想得以實(shí)現(xiàn)。Nb3Sn和NbTi超導(dǎo)材料已經(jīng)應(yīng)用于制備托卡馬克磁體,而在未來(lái)的聚變示范堆乃至商用堆中,對(duì)超導(dǎo)磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度、超導(dǎo)線圈應(yīng)力應(yīng)變?nèi)菰S特性有更高的要求。作為替代Nb3Sn和NbTi超導(dǎo)材料的下一代超導(dǎo)體材料Nb3A1,其實(shí)用化還有很多工作要做。與同為A15金屬間化合物的Nb3Sn不同,Nb3Al不能采用Nb-Sn-Cu低溫?cái)U(kuò)散熱處理的方法得到。要獲得高性能的Nb3A1超導(dǎo)線材必須在2000℃進(jìn)行熱處理,并且升溫和保溫時(shí)間要盡量短以防止晶粒長(zhǎng)大。因此,以下兩方面問(wèn)題是目前制約Nb3A1超導(dǎo)體實(shí)用化的主要因素：一方面是Nb3A1前驅(qū)線的制備工藝,為使線材在快速升溫淬火冷卻(RHQ)工藝中完全反應(yīng),就需要控制線材和超導(dǎo)芯絲的尺寸,即使在低于2000℃的溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散熱處理,也要使Nb-Al間的擴(kuò)散距離小于1μm,這就增加了線材的加工難度；另一方面,如果Nb3Al線材的熱處理過(guò)程要在2000℃時(shí)淬火,熱處理設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,淬火過(guò)程也可能使線材在熱應(yīng)力的作用下發(fā)生斷裂,線材表面受淬火劑Ga污染后也增加了包覆Cu穩(wěn)定層的難度,以上兩方面都制約了Nb3Al超導(dǎo)長(zhǎng)線的制備。本文首次系統(tǒng)的研究了由機(jī)械合金化方法制備的過(guò)飽和固溶體Nb(A1)ss向Nb3A1相轉(zhuǎn)變的熱動(dòng)力學(xué)過(guò)程,優(yōu)化了機(jī)械合金化制備N(xiāo)b3A1超導(dǎo)體的工藝,并探索了利用機(jī)械合金化粉末作為原位粉末裝管法(in-situ PIT)原料制備N(xiāo)b3Al超導(dǎo)線材的可行性；另外,本文還首次詳細(xì)的研究了Nb-A1擴(kuò)散過(guò)程中的成相規(guī)律,研究了采用不同原材料,導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和加工工藝對(duì)套管(RIT)法制備的Nb3A1前驅(qū)體線材機(jī)械性能的影響,提出了改進(jìn)制備工藝的措施,通過(guò)熱處理得到了具備超導(dǎo)性能的Nb3A1超導(dǎo)線材。采用固相燒結(jié)和差示掃描量熱法(DSC)等研究手段,對(duì)機(jī)械合金化制備的過(guò)飽和固溶體Nb(A1)ss向Nb3Al相轉(zhuǎn)變的過(guò)程進(jìn)行了熱動(dòng)力學(xué)研究,800℃的熱處理溫度即滿足轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)要求,當(dāng)溫度升高到1000℃時(shí),Nb3Al相會(huì)分解為Nb2Al相；轉(zhuǎn)變過(guò)程中較小的活化能且隨反應(yīng)進(jìn)程減小的特點(diǎn)意味著發(fā)生轉(zhuǎn)變反應(yīng)的勢(shì)壘較小,該反應(yīng)較容易發(fā)生,Nb3A1晶體的形核和長(zhǎng)大都很容易。通過(guò)對(duì)球磨時(shí)間、球磨過(guò)程中的球粉比、Nb-A1原料配比、以及熱處理溫度的優(yōu)化,最終得到純度很高但結(jié)構(gòu)并不致密的Nb3Al超導(dǎo)體,其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可以達(dá)到15.8 K,而熱處理溫度只需要800℃�；谏鲜龅难芯拷Y(jié)果,本文分別以機(jī)械合金化粉末和直接混合的Nb-Al粉末為原料采用in-situ PIT法制備了Nb3Al超導(dǎo)線帶材,對(duì)比了二者在性能和結(jié)構(gòu)上的差異。實(shí)驗(yàn)以及分析結(jié)果顯示,由于其高于Cu熔點(diǎn)的熱處理溫度以及反應(yīng)后芯絲內(nèi)留下的大量孔洞,直接混合的Nb-Al粉末不適于大規(guī)模應(yīng)用于制備N(xiāo)b3A1超導(dǎo)線帶材；而采用機(jī)械合金化粉末制備的Nb3Al線材在4.2 K,6 T時(shí)Jc可以達(dá)到103A/cm2,與采用快速升溫-淬火-轉(zhuǎn)變(RHQT)方法熱處理得到的in-situ PIT Nb3Al線材性能相近。如果能通過(guò)復(fù)合成多芯線的方式增加線帶材中復(fù)合組元的變形量,使芯絲更致密,改善線帶材中超導(dǎo)芯絲疏松多孔的結(jié)構(gòu),從而提高其載流性能,那么將機(jī)械合金化得到的固溶體粉末應(yīng)用于in-situ PIT方法制備N(xiāo)b3Al超導(dǎo)線將具有良好應(yīng)用前景。另外,本文還探索了RIT法制備N(xiāo)b3A1超導(dǎo)線材的工藝,首先通過(guò)對(duì)Nb-A1擴(kuò)散演變過(guò)程的研究,得到了Nb-A1間的擴(kuò)散成相規(guī)律以及影響擴(kuò)散成相過(guò)程的因素；選用的Cu包套層的厚度,Nb基體和Al芯加工性能的差異都是制約制備長(zhǎng)NbAl前驅(qū)線的因素,通過(guò)在Al芯中添加Mg元素改善了Nb-A1兩種金屬加工性能的差異；采用輥模拉伸+孔型軋制+復(fù)合組裝+熱擠壓+拉伸的加工方式制備了156芯束狀導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的Nb3Al前驅(qū)線,熱擠壓后線材具有很好加工性能,芯絲變形也很均勻。經(jīng)過(guò)RHQT熱處理后得到的156芯Nb3A1超導(dǎo)線,Nb3A1超導(dǎo)層非常致密,晶粒的連接性良好,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可以達(dá)到17.3 K,與國(guó)外報(bào)導(dǎo)的線材相近,但該線材中仍有較大的孔洞。如果能攻克多次復(fù)合擠壓工藝,使Nb3A1前驅(qū)線的芯絲尺寸降低到1～2μm或更低,采用RHQT熱處理工藝,RIT法是可以制備高品質(zhì)Nb3A1超導(dǎo)線材的。
【學(xué)位單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類(lèi)】：TM26
【部分圖文】：

圖１．１?ＩＴＥＲ托卡馬克磁體效果閱ＰＩ??Ｆｉｇ．?１．１?Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?＂Ｔｏｋａ?Ｍａｒｋ＂ｍａｇｎｅｔ巧??－２?－??

東北大學(xué)博壬學(xué)位論義?第１章緒論??子，在＜０，?０，?０＞，＜１／２，１／２，１／２＞上共有兩個(gè)Ａ１原子。Ｎｂ原子的配位數(shù)為１４，圍繞每個(gè)??Ｎｂ原子的ＣＮＨ多面體包括距離１／２３處的兩個(gè)Ｎｂ原子，距離５／４ａ處的四個(gè)Ａ１原子，和??距離２丫Ａ＝—ａ的８?jìng)�(gè)Ｎｂ原子。Ａ１原子在距離ｙａ＋Ｙｂ＝—ａ處有１２個(gè)最鄰近原巧ＣＮ１２）（ａ??４?４??是晶格常數(shù)，Ｙａ，?丫Ｂ分別是Ｎｂ和Ａ１原子的原子半徑）。Ｎｂ原子鏈與Ｈ個(gè)＜１００＞方向平??行，沿著這些原子鏈的原子間的空間比純Ｎｂ元素結(jié)晶的最近距離�。保埃保担�。ＮｂｊＡｌ??具有小的費(fèi)米速率，通過(guò)計(jì)算其相干長(zhǎng)度為３?ｎｍ，穿透深度可Ｗ達(dá)到２００?ｎｍ。由于其具備大的ｎ值和應(yīng)變耐受力，使得將其制備成大尺寸的高場(chǎng)磁體成為可能。??

，盾錯(cuò)。最后在轉(zhuǎn)變熱處理的升溫過(guò)程中，ｂｃｃ相還沒(méi)有轉(zhuǎn)變成Ａ１５相前，即已經(jīng)發(fā)生ｂｃｃ??相的有序化，這也是生成富Ａ１煙錯(cuò)的原因。１油ｅｕｃｌｉｉｔ６２＾發(fā)現(xiàn)在米進(jìn)行轉(zhuǎn)變熱處理的渾火??相中，Ａ１原子在ｂｃｃ相的晶格中是定的順序而不是隨機(jī)分布的，在ＸＲＤ圖譜中出??現(xiàn)了｛１００｝和｛１１１｝面的衍射峰，和極圖｛１００｝、｛１１１｝面和｛２００｝、｛２２２｝面的完全相同，??給出了?ｂｃｃ相中存在有序化的證踞。ＢｕｔａＰｑ通過(guò)高溫原位ＸＲＤ分析給出了升溫速率對(duì)??有序化影響的試驗(yàn)證據(jù)，見(jiàn)圖１．２４。ＸＲＤ圖譜上顯示在到達(dá)轉(zhuǎn)變溫度前，品體的無(wú)序??化程度隨升溫速度的增加而増大，有序化的（１００）和（１１１）面的峰值降低。因?yàn)闊o(wú)）宇化的??程度通常隨濕度的升高而增大，快速加熱使熱處理溫度高于８００?’Ｃ，可Ｗ有效的阻止??ｂｃｃ相的有降化，減少層錯(cuò)的產(chǎn)生。因此提高退火時(shí)的升溫速度可Ｗ抑制ｂｃｃ相有序化??的發(fā)生。雖然高的轉(zhuǎn)變濕度會(huì)使ＮｂｓＡｌ相獲得更佳的化學(xué)劑量比，但同時(shí)也會(huì)使晶粒長(zhǎng)??大－使Ｊｃ降低，因此需要權(quán)衡熱處理溫度與Ｊｃ之間的關(guān)系，找到最優(yōu)化的組合??由此，演化出兩個(gè)改進(jìn)的民ＨＱＴ工藝，分別是ＴＲＵＱ和ＤＲＨＱ?．Ｉ藝。??
【參考文獻(xiàn)】

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1 何金江;鐘敏霖;劉文今;張紅軍;;激光沉積制備N(xiāo)b_3Al基難熔金屬間化合物研究[J];航空材料學(xué)報(bào);2006年05期

本文編號(hào)：2866141