青铜法铌三锡超导线材-j9九游会

青铜法铌三锡超导线材(superconductive wire of nb₃sn by bronze route)

a-15型化合物超导材料的一种。把纯铌棒置于青铜中，通过加工制得多芯铌/青铜复合线材，经反应热处理，青铜中的锡向铌芯扩散，且在铌芯表面反应生成铌三锡超导化合物，即成为青铜法铌三锡多芯复合超导线材。用青铜法工艺制备的铌三锡多芯复合线材是1969年肯夫曼（kenfman）等人提出来的。

青铜法多芯超导材料设计 超导磁体中的超导材料处于工作状态时，由于扰动、磁滞、自场效应等现象，使超导体内出现磁通跳跃而产生不稳定性。为了克服不稳定性，超导体必须做成细芯、多股的复合体。根据应用需要，有的还要编织、绞缆等全换位手段，制成二次导体。与铌钛多芯线一样复合铜使青铜法铌三锡更稳定。为防止青铜区对纯铜区的污染，采用钽作阻挡层，也可用局部渗磷铌箔替代较贵的钽作阻挡层。

青铜法铌三锡多芯超导体制备工艺 铌三锡多芯线青铜法制备工艺如示意图1

由图1可看出，将纯铌嵌在锡青铜中(含锡量13％～14％)，经挤压、拉拔至最终尺寸后，扭绞成型，再在550～750℃温度热处理，使青铜中的锡与铌芯发生固态反应，在青铜基体与铌芯界面上生成铌三锡。冷加工过程中，由于青铜本身加工硬化快，复合线需要进行多次中间退火。在青铜法nb₃sn生成热处理温度下，铌芯与青铜反应生成的化合物只有nb₃sn相，不出现nb₆sn₅、nbsn₂等非超导中间相。由于是固态反应，生成的nb₃sn层平滑而较均匀。较低的生成热处理温度致使nb₃sn晶粒尺寸细小。因此，青铜法nb₃sn材料的载流能力较优。青铜中的锡与铌芯反应后，仍残存1 .3％的锡，其电阻率与铜一镍合金相近，可降低脉冲磁场下的交流损耗。

青铜法改进工艺 主要有外扩散法、内扩散法、铌管法、拉网包卷法、原位法和粉末法等。

外扩散法 该法是把cu-nb多芯复合坯料挤压一拉拔至成品直径，其外部覆锡层，经热处理首先生成cu-sn合金基体，进而生成nb₃sn芯丝。这种称为外扩散的方法与原青铜法相比，主要优点是将cu-nb复合体一直拉拔到所需尺寸，而不要中间反复退火。但是，在外覆锡层大于5μm时，外层出现剥落现象，这只能限于制作线径小于0.25mm直径的线材。

内扩散法(或称内锡法) 将包铜的铌棒(或铜基体中含有多根铌芯的复合棒)与包铜的sn-(8～20)％cu合金棒组装在一根铜管中，并使后者置于铜管中心，把这种复合坯料冷拉拔到所需直径，再热处理生成nb₃sn。这种工艺的主要优点有三：(1)没有原青铜法复合体加工中繁琐的中间退火；(2)nb₃sn生成所需锡源是sn—cu合金，可人为控制，锡源充足，nb₃sn的晶粒细，化学计量比好，载流能力优；(3)与外扩散法相比，低熔点的sn-cu合金包在线中心，纯铜区和钽阻挡层可置于线外层，也不存在覆锡层及其剥落问题。

铌管法 此法有两种线材制作工艺，它们都是以铌管代替青铜法(或内扩散法)中的铌棒。一种工艺是把锡青铜塞入外套铜管的铌管中，经多次复合组装、挤压、拉拔，最后热处理获得nb₃sn超导体。导体的加工过程，与原青铜法一样需进行多次中间退火。另一种工艺是把sn-(8～20)％cu(或纯锡)棒装入外套铜管的铌管中，将其复合组装在铜管里，直接进行冷拉拔，最后热处理生成nb₃sn，与内扩散法相类似。这两种工艺的最大优点是：导体中的铌管起着阻挡层作用；全部nb₃sn层都靠近纯铜区，其他方法不易做到。由于导体中芯丝尺寸较大，该工艺制得的导体在交变场中会导致较大的交流损耗。

拉网包卷法 此法是将拉成网络的铌箔与青铜箔叠放在一起，然后卷成一个“实体”，放入铜套中，经挤压、拉拔，最后热处理生成nb₃sn,钽阻挡层与纯铜区的处理方法与原青铜法相同。这种制备方法大大简化了原青铜法工艺，可降低成本。但是，由于nb₃sn呈网络状，导体的交流损耗不能令人满意。此法可与内扩散法相结合，只要将坯料中的青铜箔换成铜箔，一起叠加卷绕在sn-cu合金棒上，其后加工与内扩散法相同。

原位法 c.c.崔发展了一种nb₃sn化合物多芯导体成材的原位法工艺。将一定比例的cu-nb在高温下熔化，经快速冷却获得铸锭，锭中的铌呈树枝状存在于铜基体中，将锭加工成线材(毋需中间退火)，生成nb₃sn所需的锡源大都采用线材覆锡或采用内扩散工艺方式加入。热处理后的这种导体，其基体中存在的nb₃sn芯似海绵状的纤维。由于nb₃sn纤维可做得很细(10^-5cm)，所以该超导体的力学性能超过所有其他方法所制备的导体。

粉末法 该法与原位法相类似，用铌粉与铜粉压制成坯，在室温或高温下挤压、加工制得的导体与原位法的类似，有关其他方面也与原位法的近似。

在多芯铌三锡导体的成材工艺中，除上述工艺方法外，还有ecn法、浸渍法等。

青铜法多芯铌三锡超导材料的性能 多芯铌三锡超导材料的制备方法很多，由不同方法制备的超导材料，其性能也有所不同。(1)青铜工艺制备的材料(线径0.5～0.7mm，芯径2～5μm，芯数几千～几万)，其典型j_c-h曲线列于图2。

由图可知，在4.2k，12t与16t的j_c分别为(5.0～5.8)×10⁴a/cm²和(1.0～1.7)×10⁴a/cm²(0.1μv/cm判据)。西北有色金属研究院用青铜法制得的nb₃sn材料(线径0.5～0.6mm，2000～3000芯)的j_c达9×10⁴a/cm²(4.2k，10t，0.1μv/cm)、5.8×10⁴a/cm²(4.2k，12t，0.1μv/cm)以及1.7×10⁴a/cm²(4.2k，16t，0.1μv/cm)。另外，矩形截面的多芯nb₃sn带材(截面积1.3～1.9mm²，宽厚比2:1，芯数17000)的j_c为2.4×10⁴a/μcm²(4.2k，13t，0.1μv/cm)，这些超导材料达到或高于国际上同类超导体的性能水平。

(2)内扩散法多芯铌三锡超导材料，由于锡源充足，使其j_c较原青铜法为高。igc与古河电子公司的内扩散法制得的多芯铌三锡材料的j_c最高值达2×10⁵a/cm²(4.2k，10t，0.1μv/cm)和3.7×10⁴a/cm²(4.2k，14t，0.1μv/cm)(图3)。从图3可看出，在10t下的j_c值几乎是青铜法超导材料的两倍。在我国也能制作出国际先进性能的内扩散法多芯铌三锡超导材料。

为了提高多芯铌三锡超导材料的j_c性能，向nb₃sn中添加钛、钽等元素，可显著提高超导材料高场(>12t)的临界电流密度。图4是纯nb₃sn与(nb、ti)₃sn超导材料的j_c-h关系曲线，从比较两种材料的j_c-h曲线可知，(nb，ti)₃sn材料较nb₃sn的高场j_c有大的改善和提高。