一种铁基化合物超导接头及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种铁基化合物超导接头及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 铁基化合物超导材料是一种新近发现的化合物超导体[Iron-based layered superconductor LaO1 xFxFeAs (x = 0· 05-0. 12) with Tc= 26K. J. Am. Chem. Sco. 130, 3296-3297 (2008)]。目前其最高超导转变温度已达55K，并很有可能继续提高。 与传统低温超导材料相比，铁基超导体有转变温度高、上临界场大、临界电流的强磁场依 赖性小等优点，是一种在20-50K范围内具有极大应用前景的新型超导材料。与氧化物高 温超导材料相比，铁基超导体的晶体结构更为简单、相干长度大、各向异性小、制备工艺简 单，因此铁基超导材料的制备受到国际上的广泛关注。当前这类铁基超导体在国际上的临 界传输电流密度已经超过了 l〇5A/cm2[Hot pressing to enhance the transport Jc of Sra6Ktl4Fe2As2 superconducting tapes, Scientific Reports, 4, 6944 (2014)]，标志着铁基 超导体性能已经达到了实用化水平。
[0003] 铁基化合物超导材料有望在医疗、能源、交通及国防等领域得到广泛应用，尤其是 用来制备核磁共振成像系统用的超导磁体线圈；与其它超导体相比，铁基超导体的综合性 价比最高。成熟的超导连接技术是新型铁基超导线带材能广泛应用的重要前提之一。然而， 由于超导接头的存在，系统的临界电流则往往只能达到母材的一半左右，即：接头连接效率 =接头部位电流/母材电流=50%，持续电流和持续磁场的衰减速度也无法满足稳定闭环 运行的要求。尽管如此，目前鲜有铁基化合物超导接头及其制备方法的报道；此外与其它超 导体相比，铁基超导材料属于高温相且比较脆，化学活性低、连接性较差，所以超导接头制 作难度比较大。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是克服铁基超导接头制作难度大的问题，提出一种高连接效率铁基 超导接头的制备方法，并制备接头连接效率较高的铁基超导接头。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] -种铁基化合物超导接头，所述超导接头包括铁基超导粉末、金属包套和至少两 个铁基超导体；被连接的超导体的末端之间填充有铁基超导粉末，并被单层或多层金属包 套包裹。其特征在于：被连接的超导体为铁基化合物超导材料，包括铁基超导体块材、线 材、带材、薄膜，其中超导线材或带材的超导芯至少为1芯。所述的铁基超导体或铁基超导 粉末的化学式包含 ReMPnO1 XFX、Ae1 xAxM2Pn2S FeSe I xTex:Re 为选自 La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、 Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y 中的一种或两种以上元素 ；M 为选自 Fe、Co、Ni、Ru、Mn、Zn 中的一种或两种以上元素；Pn为As、P、Sb中的一种或两种以上元素；Ae为Ca、Sr、Ba、Eu 中的一种或两种以上元素；A为Li、Na、K、Rb、Cs中的一种或两种以上元素；x可选范围为 0-1，优选范围为0. 1-0. 6。所述的被连接的至少两个铁基超导体的化学式相同或者不同，所 述的铁基超导粉末的化学式可以与被连接的铁基超导体相同或者不同。
[0007] 所述的铁基超导粉末和被连接的铁基超导体中不含或含有至少一种掺杂物，所述 掺杂物为 La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、H、Li、B、C、N、0、F、Na、Mg、 Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Br、Rb、Sr、Y、Zr、 Nb、Mo、Ru、Rh、Pb、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Cs、Ba、Hf、Ta、W、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi 中 的一种或多种元素。每种掺杂物与铁基超导体的质量比不超过1，优选范围为〇. I %-50%。
[0008] 所述的金属包套可以是金属箱、金属片或者金属管，所述的金属包套为金、银、铜、 铁、铌、镍、铬、锡、钒、锰、钛、锆、钼、钨、铪、钽、铅、铋、铟、铝、镁、镓、钴、锌中的至少一种元 素或者蒙乃尔合金、低碳钢、不锈钢。
[0009] 该铁基超导接头主要用于铁基超导体的连接、超导磁体的串联或者使超导磁体线 圈形成闭环运行。
[0010] -种铁基超导体超导接头的制备方法，步骤为：
[0011] (1)将需要连接的铁基超导体的末端剥离其表面非超导层，使超导芯露出；
[0012] (2)将步骤（1)处理过的铁基超导体末端之间填充铁基超导粉末，同时用金属包 套包裹铁基超导体末端和铁基超导粉末；其中，被连接的两个铁基超导体末端对齐直线连 接，或者，被连接的两个铁基超导体末端并列平行连接。
[0013] (3)焊接步骤（2)处理过的金属包套，或者不必焊接；
[0014] ⑷施加压力，缩小上述步骤⑶制备的金属包套的截面；
[0015] (5)施加压力过程中或施加压力之后，对经上述步骤（4)制备的金属包套进行热 处理，或者不必热处理。
[0016] 其中，被连接的铁基超导体与金属包套的焊接方式包括：钎焊、或气焊、或电阻焊、 或电弧焊、或感应焊接、或激光焊接、或等离子弧焊接、或锻焊、或摩擦焊、或接触焊、或气 压焊、或冷压焊、或超声波焊、或爆炸焊。
[0017] 其中，施加在上述金属包套上的压强小于lOOOGPa，保压时间不超过1000小时；优 选范围为lMPa-200GPa，保压时间10秒-100小时。
[0018] 其中，所述的热处理温度低于2200°C，保温时间低于1000小时；优选范围为：热处 理温度200-1100°C，保温时间1分钟-100小时。
[0019] 其中，所述制备铁基超导体超导接头的整个过程的气氛条件为空气气氛或者惰性 气氛，优选惰性气氛。
[0020] 本发明所述铁基超导接头制备方法直接利用铁基超导粉末将被连接的超导体导 通，这样超导电流通过路径为"超导体-超导粉末-超导体"，避免了非超导相夹杂引起的阻 隔而导致阻碍超导电流通过，可以有效消减电阻及焦耳热的产生，避免了电流的衰减。
[0021] 本发明所述铁基超导接头制备方法将金属包套与被连接的超导体焊接后，被连接 的超导体末端与铁基超导粉末处在一个密闭的金属包套环境中，因此该超导接头可以在普 通空气环境下进行后续加工及热处理，这样也就大大简化了实验条件，非常适合在工程现 场制作超导接头。
[0022] 本发明所述铁基超导接头制备方法通过施加压力缩小金属包套的截面，在该过程 中压力的施加可以使疏松、各向同性的铁基超导粉末变得更加致密和织构化，进而使铁基 超导粉末性能达到或者接近与被连接超导体相同的性能，避免超导电流在通过铁基超导粉 末时衰减过多。
[0023] 本发明所述的铁基超导接头采用直线连接方式可以用来进行铁基超导体的连接 和超导磁体的串联；所述的铁基超导接头采用平行连接方式可以用作需要闭环运行的超导 磁体线圈绕制中。
[0024] 本发明所述的铁基超导接头制备工艺简单，接头电阻小，接头连接效率高，且非常 适合在工程现场制作超导接头。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明采用直线连接方式的超导接头结构示意图；
[0026] 图2是本发明采用平行连接方式的超导接头结构示意图。
【具体实施方式】：
[0027] 下面结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0028] 实施例1
[0029] 将需要连接的两个化学式同为ReMPnO1 XFX铁基超导块材末端剥离表面非超导层， 使超导芯露出来，其中Re为La ;M为Fe ;Pn为As ;x为0.2。铁基超导中含有一种掺杂物 Sn，Sn与铁基超导体的质量比为10%。
[0030] 将上述处理过的铁基超导块材末端以及铁基超导粉末用单层金属包套按照图2 所示的平行连接方式包裹起来，铁基超导粉末化学式为ReMPnO 1 XFX，其中Re为La ;M为Fe ; Pn为As ;x为0.2。铁基超导中含有一种掺杂物Sn，Sn与铁基超导体的质量比为10%。
[0031] 金属包套选金属管，材质为银。对上述包套施加压力为25MPa，保压时间为1小时。 施加压力过程中对上述金属包套进行热处理，热处理温度为350°C且保温1小时。在整个制 备铁基超导体超导接头的过程的气氛条件为氩气惰性气氛。
[0032] 实施例2-35与上述实施例1的制备工艺相同，所不同的是铁基超导块材化学式 ReMPnO1 XFX中的 Re、M、Pn、x，详见下表：
[0033]
[0035] 实施例36-90与上述实施例1的制备工艺相同，所不同的是铁基超导块材中的掺 杂剂及其与铁基超导体的质量比，详见下表：
[0038] 实施例91-124与上述实施例1的制备工艺相同，所不同的是铁基超导粉末化学式 ReMPnO1 XFX中的 Re、M、Pn、x，详见下表：
[0039]
[0041] 实施例125-179与上述实施例1的制备工艺相同，所不同的是铁基超导粉末中的 掺杂剂及其与铁基超导粉末的质量比，详见下表：
[0045] 实施例180-220与上述实施例1的制备工艺相同，所不同的是金属包套种类及其 材质，详见下表：
[0046]
[0048] 实施例221-260与上述实施例1的制备工艺相同，所不同的是施压强度及其施压 时间，详见下表：
[0051] 实施例261-300与上述实施例1的制备工艺相同，所不同的是热处理温度及保温 时间，详见下表：
[0052]
[0054] 实施例301
[0055] 将需要连接的两个化学式同为Ae1，，斤叫且单芯的铁基超导带材末端剥离表面 非超导层，使超导芯露出来。其中Ae为Sr ;A为K ;M为Fe ;Pn为As ;x为0.4。铁基超导中 含有掺杂物Sn、K和As，其中Sn与铁基超导体的质量比为5% ;K与铁基