一种芯部增强多芯MgB₂超导线/带材的制备方法

专利名称：一种芯部增强多芯MgB₂超导线/带材的制备方法
技术领域：
本发明属于超导材料加工工程技术领域，具体涉及一种芯部增强多芯MgB2超导线 /带材的制备方法。
背景技术：
2001年发现的超导临界转变温度(T。)为39K的MgB2超导材料，由于它具有成本 低廉、相干长度大、不存在晶界弱连接等特点，可以在液氢温区就实现其应用，而传统低温 超导体在这一温区无法工作，液氢温区通过制冷机就能容易获得而无需昂贵的液氦。因此 综合制冷成本和材料成本，MgB2超导材料在IOK 20K、1T 3T的磁场范围内应用具有很 明显的技术优势，有希望在这一工作区域替代传统的低温和氧化物高温超导材料。2006年 底，意大利PARAMED公司成功研制全球第一台由制冷机冷却、基于MgB2超导材料的0. 5T磁 共振成像仪(MRI)样机，进一步明确了 MgB2超导材料的实际应用，尤其是在MRI方面应用 的广阔前景。在实际应用中，MgB2超导材料一般应先制备成线材或带材，目前MgB2超导线材带 材的制备技术主要采用原位法粉末套管工艺(In-situPIT)。采用原位法粉末套管工艺制 备多芯MgB2线带材中包套以铁基材料为主，铁基包套材料本身的铁磁性影响了 MgB2超导线 带材最终应用的电磁稳定性，同时由于铁基包套材料的加工硬化速度较快，而超导芯丝中 的Mg-B起始反应成相温度一般在550°C左右，铁基材料的再结晶温度高于该温度，无法进 行中间退火以消除包套材料的加工硬化现象，在MgB2超导线带材特别是多芯长线带材的制 备过程中容易出现断线现象；同时在多芯MgB2超导线带材制备过程中，线带材横截面中心 部位应力最为集中，加工过程中中心部位的芯丝容易出现香肠状或断裂现象，该断点随加 工过程逐渐向周围芯丝扩展，从而导致多芯超导线带材的整体断裂。因此铁基包套材料并 不是制备实用化千米量级多芯MgB2超导线带材的最佳选择。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种芯部增强多 芯MgB2超导线/带材的制备方法。本发明制备的芯部增强多芯MgB2超导线/带材的超导 芯丝与阻隔层、芯丝与芯丝以及芯丝与包套之间结合紧密，芯丝分布均勻，可以满足超导磁 体特别是超导核磁共振仪等方面的实际应用。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种芯部增强多芯MgB2超导线 /带材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)在真空手套箱中，氩气保护条件下 将镁粉、无定形硼粉和掺杂粉末按照 1 2-X X的原子数比进行配料，然后混合研磨得到前驱粉末；将前驱粉末装入Nb/Cu复 合管中，然后以10% 30%的道次加工率拉拔到横截面为边长3mm 15mm的六方形或直 径3mm 15mm的圆形的一次复合单芯线材；所述掺杂粉末为无定形碳、碳化钛或碳化硅； 所述χ的值为0. 05 0. 15 ；
(2)将步骤(1)中所述一次复合单芯线材依次进行定尺、截断、矫直，然后使用有 机溶剂去除一次复合单芯线材表面的油污；(3)将芯棒与多根步骤(2)中去除油污后的一次复合单芯线材置于包套材料内进 行二次复合组装得到二次多芯复合棒；所述芯棒置于包套材料中心；所述芯棒为非铁磁性 金属Nb芯棒或非铁磁性金属Nb/Cu复合芯棒；所述包套材料为剩余电阻率大于100的无氧 铜管；(4)对步骤(3)中经组装后的二次多芯复合棒进行拉拔加工，起始3 5个拉拔道 次以10% 20%的道次加工率进行拉拔，以保证一次复合单芯线材与包套材料之间能够 紧密地结合在一起，然后采用5% 10%的道次加工率拉拔到线径为0. 8mm 4mm，得到芯 部增强多芯MgB2超导线材；(5)将步骤(4)中所述芯部增强多芯MgB2超导线材采用平辊轧制技术，按照 15% 30%的道次压下量轧至厚度为0. 3mm 1mm，得到芯部增强多芯MgB2超导带材。上述步骤(1)中所述氩气的质量纯度为99. 999%。上述步骤(1)中所述Nb/Cu复合管中Nb管为内层管，Cu管为外层管。上述步骤(2)中所述有机溶剂为丙酮或乙醇。上述步骤(3)中所述二次多芯复合棒中一次复合单芯线材为6 30根。本发明与现有技术相比具有以下优点本发明可制备强度明显提高的不同横截面 结构的千米量级芯部增强多芯MgB2超导线/带材，可避免超导芯丝分布不均勻、不对称等 现象，能够制备出超导芯丝与阻隔层、芯丝与芯丝以及芯丝与包套之间结合紧密，芯丝分布 均勻的千米量级实用化多芯MgB2超导线/带材，可以满足超导磁体特别是超导核磁共振仪 等方面的实际应用。下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。


图1为本发明实施例1制备芯部增强7芯MgB2超导线材时二次复合组装得到的 二次7芯复合棒的横截面示意图。图2为本发明实施例3制备芯部增强13芯MgB2超导带材时二次复合组装得到的 二次13芯复合棒的横截面示意图。图3为本发明实施例4制备芯部增强19芯MgB2超导线材时二次复合组装得到的 二次19芯复合棒的横截面示意图。图4为本发明实施例6制备芯部增强37芯MgB2超导线材时二次复合组装得到的 二次37芯复合棒的横截面示意图。
具体实施例方式实施例1芯部增强7芯MgB2超导线材的制备(1)在真空手套箱中，质量纯度99. 999%的氩气保护 条件下将镁粉、无定形硼粉 和掺杂粉末按照1 1.95 0.05的原子数比进行配料，然后混合研磨得到前驱粉末；将 前驱粉末装入Nb/Cu复合管中，然后以30%的道次加工率拉拔到目标尺寸且横截面为边长3mm的六方形的一次复合单芯线材；所述掺杂粉末为无定形碳；所述Nb/Cu复合管中Nb管为内层管，Cu管为外层管，Nb管作为阻隔层用以防止热处理时超导粉末与包套材料之间的 相互反应，同时起到强化作用；所述一次复合单芯线材加工成横截面形状为六方形主要是 为了使二次多芯复合棒中的一次复合单芯线材均勻、对称的分布于包套材料中；(2)将一次复合单芯线材进行定尺、截断、矫直，然后使用丙酮去除一次复合单芯 线材表面的油污；(3)将横截面为六方形的非铁磁性金属Nb/Cu复合芯棒置于剩余电阻率大于100 的无氧铜管的中心，并在非铁磁性金属Nb/Cu复合芯棒周围均勻分布6根去除油污后的一 次复合单芯线材进行二次复合组装，得到二次7芯复合棒；所述非铁磁性金属Nb/Cu复合 芯棒的主要作用是为了降低或消除多芯线材拉拔加工过程中心部位的应力集中现象，提高 MgB2多芯超导线/带材的强度，从而避免加工过程中的断线现象；(4)以20%的道次加工率对二次7芯复合棒进行3次拉拔加工，以保证一次复合 单芯线材与包套材料之间能够紧密地结合在一起，然后采用10%道次加工率继续拉拔，得 到线径为0. 8mm的芯部增强7芯MgB2超导线材。按照本实施例制备芯部增强7芯MgB2超导线材时二次复合组装得到的二次7芯 复合棒的横截面示意图如图1，图中黑色区域为前驱粉末，浅灰色区域为中心芯棒及阻隔层 材料，深灰色区域为无氧铜包套材料，白色区域为间隙空白，经拉拔加工后被周围的无氧铜 包套材料所填充。实施例2芯部增强7芯MgB2超导带材的制备本实施例与实施例1制备方法相同，其中不同之处在于将制备的线径为0. 8mm 的芯部增强7芯MgB2超导线材采用平辊轧制技术以30%的道次压下量轧制，得到厚度为 0. 3mm的芯部增强7芯MgB2超导带材。实施例3芯部增强13芯MgB2超导带材的制备(1)在真空手套箱中，质量纯度99. 999%的氩气保护条件下将镁粉、无定形硼粉 和掺杂粉末按照1 1.9 0.1的原子数比进行配料，然后混合研磨得到前驱粉末；将前驱 粉末装入Nb/Cu复合管中，然后以20%的道次加工率拉拔到目标尺寸且横截面为直径9mm 的圆形的一次复合单芯线材；所述掺杂粉末为碳化钛；所述Nb/Cu复合管中Nb管为内层 管，Cu管为外层管，Nb管作为阻隔层用以防止热处理时超导粉末与包套材料之间的相互反 应，同时起到强化作用；所述一次复合单芯线材加工成横截面形状为圆形主要是为了使二 次多芯复合棒中的一次复合单芯线材均勻、对称的分布于包套材料中；(2)将一次复合单芯线材进行定尺、截断、矫直，然后使用乙醇去除一次复合单芯 线材表面的油污；(3)将横截面为圆形的非铁磁性金属Nb/Cu复合芯棒置于剩余电阻率大于100的 无氧铜管的中心，并在非铁磁性金属Nb/Cu复合芯棒周围均勻分布12根去除油污后的一 次复合单芯线材进行二次复合组装，得到二次13芯复合棒；所述非铁磁性金属Nb/Cu复合 芯棒的主要作用是为了降低或消除多芯线材拉拔加工过程中心部位的应力集中现象，提高 MgB2多芯超导线/带材的强度，从而避免加工过程中的断线现象；
(4)以10%的道次加工率对二次13芯复合棒进行5次拉拔加工，以保证一次复合单芯线材与包套材料之间能够紧密地结合在一起，然后采用5%道次加工率继续拉拔，得到 线径为2. 4mm的芯部增强13芯MgB2超导线材；(5)采用平辊轧制技术将芯部增强13芯MgB2超导线材以15%的道次压下量轧制， 得到厚度为0. 6mm的芯部增强13芯MgB2超导带材。按照本实施例制备芯部增强13芯1%82超导带材时二次复合组装得到的二次13芯 复合棒的横截面示意图如图2，图中黑色区域为前驱粉末，浅灰色区域为中心芯棒及阻隔层 材料，深灰色区域为无氧铜包套材料，白色区域为间隙空白，经拉拔加工后被周围的无氧铜 包套材料所填充。实施例4芯部增强19芯MgB2超导线材的制备(1)在真空手套箱中，质量纯度99. 999%的氩气保护条件下将镁粉、无定形硼粉 和掺杂粉末按照1 1.85 0.15的原子数比进行配料，然后混合研磨得到前驱粉末；将 前驱粉末装入Nb/Cu复合管中，然后以10%的道次加工率拉拔到目标尺寸且横截面为边长 15mm的六方形的一次复合单芯线材；所述掺杂粉末为碳化硅；所述Nb/Cu复合管中Nb管为 内层管，Cu管为外层管，Nb管作为阻隔层用以防止热处理时超导粉末与包套材料之间的相 互反应，同时起到强化作用；所述一次复合单芯线材加工成横截面形状为六方形主要是为 了使二次多芯复合棒中的一次复合单芯线材均勻、对称的分布于包套材料中；(2)将一次复合单芯线材进行定尺、截断、矫直，然后使用丙酮去除一次复合单芯 线材表面的油污；(3)将横截面为六方形的非铁磁性金属Nb芯棒置于剩余电阻率大于100的无氧铜 管的中心，并在非铁磁性金属Nb芯棒周围均勻分布两层共18根去除油污后的一次复合单 芯线材进行二次复合组装，得到二次19芯复合棒；所述非铁磁性金属Nb芯棒的主要作用是 为了降低或消除多芯线材拉拔加工过程中心部位的应力集中现象，提高MgB2多芯超导线/ 带材的强度，从而避免加工过程中的断线现象；(4)以15%的道次加工率对二次19芯复合棒进行4次拉拔加工，以保证一次复合 单芯线材与包套材料之间能够紧密地结合在一起，然后采用8%道次加工率继续拉拔，得到 线径为4mm的芯部增强19芯MgB2超导线材。按照本实施例制备的芯部增强19芯MgB2超导线材时二次复合组装得到的二次19 芯复合棒的横截面示意图如图3，图中黑色区域为前驱粉末，浅灰色区域为中心芯棒及阻隔 层材料，深灰色区域为无氧铜包套材料，白色区域为间隙空白，经拉拔加工后被周围的无氧 铜包套材料所填充。实施例5芯部增强19芯MgB2超导带材的制备本实施例与实施例4制备方法相同，其中不同之处在于将制备的线径为4mm的芯 部增强19芯MgB2超导线材采用平辊轧制技术以22%的道次压下量轧制，得到厚度为Imm 的芯部增强19芯MgB2超导带材。实施例6芯部增强37芯MgB2超导线材的制备
(1)在真空手套箱中，质量纯度99. 999%的氩气保护条件下将镁粉、无定形硼粉和掺杂粉末按照1 1.9 0.1的原子数比进行配料，然后混合研磨得到前驱粉末；将前驱 粉末装入Nb/Cu复合管中，然后以30%的道次加工率拉拔到目标尺寸且横截面为直径3mm 的圆形的一次复合单芯线材；所述掺杂粉末为无定形碳；所述Nb/Cu复合管中Nb管为内层 管，Cu管为外层管，Nb管作为阻隔层用以防止热处理时超导粉末与包套材料之间的相互反 应，同时起到强化作用；所述一次复合单芯线材加工成横截面形状为圆形主要是为了使二 次多芯复合棒中的一次复合单芯线材均勻、对称的分布于包套材料中；(2)将一次复合单芯线材进行定尺、截断、矫直，然后使用乙醇去除一次复合单芯 线材表面的油污；(3)将横截面为圆形的非铁磁性金属Nb/Cu复合芯棒置于剩余电阻率大于100的 无氧铜管的中心代替7根一次复合单芯线材，并在非铁磁性金属Nb/Cu复合芯棒周围均勻 分布两层共30根去除油污后的一次复合单芯线材进行二次复合组装，得到二次37芯复合 棒；所述非铁磁性金属Nb/Cu复合芯棒的主要作用是为了降低或消除多芯线材拉拔加工过 程中心部位的应力集中现象，提高MgB2多芯超导线/带材的强度，从而避免加工过程中的 断线现象；(4)以10%的道次加工率对二次37芯复合棒进行5次拉拔加工，以保证一次复合 单芯线材与包套材料之间能够紧密地结合在一起，然后采用10%的道次加工率继续拉拔， 得到线径为2. 4mm的芯部增强37芯MgB2超导线材。按照本实施例制备的芯部增强37芯MgB2超导线材时二次复合组装得到的二次37 芯复合棒的横截面示意图如图4，图中黑色区域为前驱粉末，浅灰色区域为中心芯棒及阻隔 层材料，深灰色区域为无氧铜包套材料，白色区域为间隙空白，经拉拔加工后被周围的无氧 铜包套材料所填充。
权利要求
一种芯部增强多芯MgB2超导线/带材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)在真空手套箱中，氩气保护条件下将镁粉、无定形硼粉和掺杂粉末按照1∶2 x∶x的原子数比进行配料，然后混合研磨得到前驱粉末；将前驱粉末装入Nb/Cu复合管中，然后以10％～30％的道次加工率拉拔到横截面为边长3mm～15mm的六方形或直径3mm～15mm的圆形的一次复合单芯线材；所述掺杂粉末为无定形碳、碳化钛或碳化硅；所述x的值为0.05～0.15；(2)将步骤(1)中所述一次复合单芯线材依次进行定尺、截断、矫直，然后使用有机溶剂去除一次复合单芯线材表面的油污；(3)将芯棒与多根步骤(2)中去除油污后的一次复合单芯线材置于包套材料内进行二次复合组装得到二次多芯复合棒；所述芯棒置于包套材料中心；所述芯棒为非铁磁性金属Nb芯棒或非铁磁性金属Nb/Cu复合芯棒；所述包套材料为剩余电阻率大于100的无氧铜管；(4)对步骤(3)中经组装后的二次多芯复合棒进行拉拔加工，起始3～5个拉拔以10％～20％的道次加工率进行拉拔，以保证一次复合单芯线材与包套材料之间能够紧密地结合在一起，然后采用5％～10％的道次加工率拉拔到线径为0.8mm～4mm，得到芯部增强多芯MgB2超导线材；(5)将步骤(4)中所述芯部增强多芯MgB2超导线材采用平辊轧制技术，按照15％～30％的道次压下量轧至厚度为0.3mm～1mm，得到芯部增强多芯MgB2超导带材。
2.根据权利要求1所述的一种芯部增强多芯MgB2超导线/带材的制备方法，其特征在 于，步骤(1)中所述氩气的质量纯度为99. 999%。
3.根据权利要求1所述的一种芯部增强多芯MgB2超导线/带材的制备方法，其特征在 于，步骤(1)中所述Nb/Cu复合管中Nb管为内层管，Cu管为外层管。
4.根据权利要求1所述的一种芯部增强多芯MgB2超导线/带材的制备方法，其特征在 于，步骤(2)中所述有机溶剂为丙酮或乙醇。
5.根据权利要求1所述的一种芯部增强多芯MgB2超导线/带材的制备方法，其特征在 于，步骤(3)中所述二次多芯复合棒中一次复合单芯线材为6 30根。
全文摘要
本发明公开了一种芯部增强多芯MgB2超导线/带材的制备方法，包括以下步骤一、制备一次复合单芯线材；二、去除一次复合单芯线材表面的油污；三、二次复合组装制备二次多芯复合棒；四、拉拔加工得到芯部增强多芯MgB2超导线材；五、平辊轧制得到芯部增强多芯MgB2超导带材。本发明可制备强度明显提高的不同横截面结构的千米量级芯部增强多芯MgB2超导线/带材，可避免超导芯丝分布不均匀、不对称等现象，能够制备出超导芯丝与阻隔层、芯丝与芯丝以及芯丝与包套之间结合紧密，芯丝分布均匀的千米量级实用化多芯MgB2超导线/带材，可以满足超导磁体特别是超导核磁共振仪等方面的实际应用。
文档编号H01B13/00GK101989472SQ20101057497
公开日2011年3月23日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者冯勇, 刘国庆, 张平祥, 李成山, 焦高峰, 熊晓梅, 王庆阳, 闫果 申请人:西北有色金属研究院