地球上的能量,無論是以礦石燃料、風力、水力還是動植物的形式儲存起來的,最終的來源都是太陽：而太陽的能量則是來源于核聚變,因此,人類如果掌握了有序地釋放核聚變的能量的辦法,就等于掌握了太陽的能量來源。目前,國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)將采用全超導可控磁約束熱核聚變能(托卡馬克)發(fā)電技術使這一理想得以實現。Nb3Sn和NbTi超導材料已經應用于制備托卡馬克磁體,而在未來的聚變示范堆乃至商用堆中,對超導磁體磁場強度、超導線圈應力應變容許特性有更高的要求。作為替代Nb3Sn和NbTi超導材料的下一代超導體材料Nb3A1,其實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低溫擴散熱處理的方法得到。要獲得高性能的Nb3A1超導線材必須在2000℃進行熱處理,并且升溫和保溫時間要盡量短以防止晶粒長大。因此,以下兩方面問題是目前制約Nb3A1超導體實用化的主要因素：一方面是Nb3A1前驅線的制備工藝,為使線材在快速升溫淬火冷卻(RHQ)工藝中完全反應,就需要控制線材和超導芯絲的尺寸,即使在低于2000℃的溫度進行長時間的擴散熱處理,也要使Nb-Al間的擴散距離小于1μm,這就增加了線材的加工難度；另一方面,如果Nb3Al線材的熱處理過程要在2000℃時淬火,熱處理設備結構復雜,淬火過程也可能使線材在熱應力的作用下發(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超導長線的制備。本文首次系統(tǒng)的研究了由機械合金化方法制備的過飽和固溶體Nb(A1)ss向Nb3A1相轉變的熱動力學過程,優(yōu)化了機械合金化制備Nb3A1超導體的工藝,并探索了利用機械合金化粉末作為原位粉末裝管法(in-situ PIT)原料制備Nb3Al超導線材的可行性；另外,本文還首次詳細的研究了Nb-A1擴散過程中的成相規(guī)律,研究了采用不同原材料,導體結構和加工工藝對套管(RIT)法制備的Nb3A1前驅體線材機械性能的影響,提出了改進制備工藝的措施,通過熱處理得到了具備超導性能的Nb3A1超導線材。采用固相燒結和差示掃描量熱法(DSC)等研究手段,對機械合金化制備的過飽和固溶體Nb(A1)ss向Nb3Al相轉變的過程進行了熱動力學研究,800℃的熱處理溫度即滿足轉變的熱力學要求,當溫度升高到1000℃時,Nb3Al相會分解為Nb2Al相；轉變過程中較小的活化能且隨反應進程減小的特點意味著發(fā)生轉變反應的勢壘較小,該反應較容易發(fā)生,Nb3A1晶體的形核和長大都很容易。通過對球磨時間、球磨過程中的球粉比、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構并不致密的Nb3Al超導體,其超導轉變溫度可以達到15.8 K,而熱處理溫度只需要800℃�；谏鲜龅难芯拷Y果,本文分別以機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超導線帶材,對比了二者在性能和結構上的差異。實驗以及分析結果顯示,由于其高于Cu熔點的熱處理溫度以及反應后芯絲內留下的大量孔洞,直接混合的Nb-Al粉末不適于大規(guī)模應用于制備Nb3A1超導線帶材；而采用機械合金化粉末制備的Nb3Al線材在4.2 K,6 T時Jc可以達到103A/cm2,與采用快速升溫-淬火-轉變(RHQT)方法熱處理得到的in-situ PIT Nb3Al線材性能相近。如果能通過復合成多芯線的方式增加線帶材中復合組元的變形量,使芯絲更致密,改善線帶材中超導芯絲疏松多孔的結構,從而提高其載流性能,那么將機械合金化得到的固溶體粉末應用于in-situ PIT方法制備Nb3Al超導線將具有良好應用前景。另外,本文還探索了RIT法制備Nb3A1超導線材的工藝,首先通過對Nb-A1擴散演變過程的研究,得到了Nb-A1間的擴散成相規(guī)律以及影響擴散成相過程的因素；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NbAl前驅線的因素,通過在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+復合組裝+熱擠壓+拉伸的加工方式制備了156芯束狀導體結構的Nb3Al前驅線,熱擠壓后線材具有很好加工性能,芯絲變形也很均勻。經過RHQT熱處理后得到的156芯Nb3A1超導線,Nb3A1超導層非常致密,晶粒的連接性良好,超導轉變溫度可以達到17.3 K,與國外報導的線材相近,但該線材中仍有較大的孔洞。如果能攻克多次復合擠壓工藝,使Nb3A1前驅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Nb3A1超導線材的。
【學位單位】：東北大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：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?－??

東北大學博壬學位論義?第１章緒論??子，在＜０，?０，?０＞，＜１／２，１／２，１／２＞上共有兩個Ａ１原子。Ｎｂ原子的配位數為１４，圍繞每個??Ｎｂ原子的ＣＮＨ多面體包括距離１／２３處的兩個Ｎｂ原子，距離５／４ａ處的四個Ａ１原子，和??距離２丫Ａ＝—ａ的８個Ｎｂ原子。Ａ１原子在距離ｙａ＋Ｙｂ＝—ａ處有１２個最鄰近原巧ＣＮ１２）（ａ??４?４??是晶格常數，Ｙａ，?丫Ｂ分別是Ｎｂ和Ａ１原子的原子半徑）。Ｎｂ原子鏈與Ｈ個＜１００＞方向平??行，沿著這些原子鏈的原子間的空間比純Ｎｂ元素結晶的最近距離小１０￣１５％。ＮｂｊＡｌ??具有小的費米速率，通過計算其相干長度為３?ｎｍ，穿透深度可Ｗ達到２００?ｎｍ。由于其具備大的ｎ值和應變耐受力，使得將其制備成大尺寸的高場磁體成為可能。??

，盾錯。最后在轉變熱處理的升溫過程中，ｂｃｃ相還沒有轉變成Ａ１５相前，即已經發(fā)生ｂｃｃ??相的有序化，這也是生成富Ａ１煙錯的原因。１油ｅｕｃｌｉｉｔ６２＾發(fā)現在米進行轉變熱處理的渾火??相中，Ａ１原子在ｂｃｃ相的晶格中是定的順序而不是隨機分布的，在ＸＲＤ圖譜中出??現了｛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通過高溫原位ＸＲＤ分析給出了升溫速率對??有序化影響的試驗證據，見圖１．２４。ＸＲＤ圖譜上顯示在到達轉變溫度前，品體的無序??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。因為無）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，減少層錯的產生。因此提高退火時的升溫速度可Ｗ抑制ｂｃｃ相有序化??的發(fā)生。雖然高的轉變濕度會使ＮｂｓＡｌ相獲得更佳的化學劑量比，但同時也會使晶粒長??大－使Ｊｃ降低，因此需要權衡熱處理溫度與Ｊｃ之間的關系，找到最優(yōu)化的組合??由此，演化出兩個改進的民ＨＱＴ工藝，分別是ＴＲＵＱ和ＤＲＨＱ?．Ｉ藝。??
【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 何金江;鐘敏霖;劉文今;張紅軍;;激光沉積制備Nb_3Al基難熔金屬間化合物研究[J];航空材料學報;2006年05期

本文編號：2866141