時間:2021-11-12 14:35:59來源:
實用高溫超導材料由于它們在高溫(液氮溫區)或高磁場條件下具備良好的無阻載流能力,在大規模輸配電、超強磁體、超導儲能裝置、超導發電機、變壓器和磁懸浮列車等領域有著廣泛的應用。高溫超導線帶材的制備是 21 世紀具有經濟戰略意義的高新技術。2008年,日本發現了一類新型鐵基超導體 LaFeAsO1-xFx,超導臨界轉變溫度 Tc達到 26 K,引起了全世界超導界極大的興趣。
在實際應用中,如繞制超導磁體、制造超導電纜等,都必須使用超導線帶材。因此,為了實現新型鐵基超導材料的應用,必須研發超導長線帶材的實用制備方法。但是,由于鐵基超導材料的機械性能相對比較堅硬且具有脆性,難以塑性變形加工。
根據目前的研究成果,鐵基超導線帶材的制備方法首選粉末裝管法(PIT, Powder-in-Tube)。PIT 法的具體流程是先在Ar氣氛下將起始粉末混合均勻后裝填在金屬管中,然后通過旋鍛、拉拔和軋制等冷加工工序將金屬管塑成線材或帶材,最后在保護氣氛下對已成型的線帶材進行熱處理,形成連接性能良好的超導線帶材。PIT 法通常分為原位法(In-Situ)和先位法(Ex-Situ),兩者最大的區別是所用的起始粉末不同。原位法是將反應原料按合適化學計量比混合均勻后裝入金屬管中,而先位法是將已燒結合成的超導塊材研碎并混合均勻后作為填充粉即前驅熟粉。原位法的優點是制備工藝簡便且不容易引入雜質,但是原位法只能進行一次研磨混合,容易導致樣品成分不均勻,影響線帶材的最終性能,并且這種方法只能通過調整最終熱處理的溫度和時間來優化材料的超導性能。而先位法可經過多次混合和燒結得到反應更充分、致密度更高的超導相; 同時,先位法還可在多次燒結過程中選擇合適的包套材料和熱處理工藝,進一步提高線帶材的傳輸性能。目前,PIT 先位法已成為鐵基超導體實用化研究的重點,所制備的線帶材在4.2K和零場下臨界傳輸電流密度Jc超過105A /cm2,在10T高場下超過104A /cm2。
從工業應用方面來看,PIT 法也非常有吸引力,它所使用的材料成本低且塑性變形工藝簡單,容易實現大規模化生產。目前PIT 法已在超導線帶材的制備上獲得廣泛應用,實現了千米量級的商業超導長線的制備。
粉末裝管法工藝中,鐵基超導粉末的制備是關鍵的一個環節。一般是將高純度的起始原料按一定化學計量比混合后直接固相燒結而成。由于鐵基超導材料容易在空氣中發生氧化反應,為了降低粉末中的含氧量,起始原料的配比、研磨、混合和燒結等都必須在手套箱中或 Ar保護氣氛下進行。一般采用高能球磨法破碎和混合鐵基超導體的起始原料,中間可重復多次研磨; 將混合均勻后的起始原料置于密閉石英管或金屬管中,通入一定氣氛的氬氣,在 800~1200℃ 高溫燒結后得到性能良好的超導粉末。在鐵基超導粉末的合成過程中需要注意一些關鍵問題,比如元素配比、氧含量的控制和熱處理優化等。
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