Nb3Al超導(dǎo)線(xiàn)材實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵

　　目前實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的高場(chǎng)磁體用超導(dǎo)線(xiàn)材主要為Nb3Sn線(xiàn)材。與Nb3Sn相比，Nb3Al超導(dǎo)材料在高場(chǎng)條件下具有高的臨界電流與上臨界磁場(chǎng)和更好的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)菰S特性，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與Nb3Sn相似。目前實(shí)驗(yàn)室已達(dá)到的水平表明，在4.2K和15T條件下，Nb3Al的臨界電流密度達(dá)到1000A/mm2。因此，Nb3Al被材料界認(rèn)為是未來(lái)高場(chǎng)磁體應(yīng)用性能優(yōu)于Nb3Sn的理想材料。

　　但是，不同于Nb3Sn，Nb3Al相只有在1940-2060℃的狹窄溫度范圍內(nèi)才能穩(wěn)定存在，平衡態(tài)的Nb3Al相中的Al含量偏離化學(xué)計(jì)量比，其超導(dǎo)體性能遠(yuǎn)低于化學(xué)計(jì)量比下的理論值，由此造成生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性及太低的成品率，這成為該材料實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的最大障礙。由Nb-Al相圖可知，隨著溫度的降低，Al含量偏離化學(xué)計(jì)量比而不斷減少，在1000℃時(shí)Al含量就減少到21%左右。因此，通過(guò)常規(guī)的低溫?zé)崽幚砗茈y獲得具有化學(xué)計(jì)量比的Nb3Al超導(dǎo)體。研究表明，Nb3Al的超導(dǎo)性能依賴(lài)于Al含量的高低，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨著Al含量接近化學(xué)計(jì)量比而提高。因此，化學(xué)計(jì)量比的獲得是制備高性能Nb3Al超導(dǎo)材料的關(guān)鍵。

　　研究表明，連續(xù)快速加熱和快速冷卻，與后續(xù)低溫退火相結(jié)合的熱處理工藝是獲得具有化學(xué)計(jì)量比和小尺寸晶粒的高性能Nb3Al超導(dǎo)線(xiàn)材的有效方法。其基本方法是將Nb3Al前驅(qū)體長(zhǎng)線(xiàn)置于真空腔的放線(xiàn)輪，以1m/s的速率經(jīng)三個(gè)支撐輪后盤(pán)繞在收線(xiàn)輪，其中兩個(gè)支撐輪作為電極，電極間距10cm，即為加熱距離。線(xiàn)材進(jìn)入電極范圍后，與電源形成通路以歐姆加熱的方式快速加熱到1940℃以上的固溶溫區(qū)，隨后在0.1s的極短時(shí)間內(nèi)在50℃的Ga液槽內(nèi)快速淬火，形成過(guò)飽和固溶體，最后在800℃進(jìn)行退火，析出Nb3Al超導(dǎo)相。實(shí)驗(yàn)證明，上述熱處理后的Nb3Al線(xiàn)材性能得到了較大的提升，非銅臨界電流密度在22T時(shí)高于100A/mm2。因此，上述熱處理工藝被認(rèn)為是目前制備高性能Nb3Al超導(dǎo)線(xiàn)材的最佳熱處理工藝。

　　不過(guò)，透射電鏡分析表明，這種熱處理樣品中Al含量仍然低于化學(xué)計(jì)量比，而且在后續(xù)低溫成相熱處理時(shí)會(huì)形成大量的位錯(cuò)，導(dǎo)致了該材料超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和上臨界磁場(chǎng)較低。為了避免這類(lèi)位錯(cuò)的形成，進(jìn)一步提高Nb3Al超導(dǎo)線(xiàn)材的超導(dǎo)性能，可以在快速加熱和快速冷卻后，增加一個(gè)在極短時(shí)間(約0.3s)內(nèi)1000℃或者1500℃的高溫成相熱處理，最后再進(jìn)行800℃的有序化熱處理。經(jīng)過(guò)這樣處理后的Nb3Al超導(dǎo)線(xiàn)材，臨界電流密度得到了較大的提高。透鏡分析表明樣品內(nèi)部不再存在那些位錯(cuò)，轉(zhuǎn)變溫度提高到18.2K或18.4K，上臨界磁場(chǎng)提高到28.2T或30T。

　　上述快熱快冷熱處理工藝已經(jīng)獲得很大成功，但是由于線(xiàn)材內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性，熱處理時(shí)斷線(xiàn)率較高。要想穩(wěn)定生產(chǎn)千米級(jí)長(zhǎng)線(xiàn)從而實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，還需要進(jìn)一步的研發(fā)工作。