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鈮鈦系超導(dǎo)合金超導(dǎo)電材料
鈮鈦系超導(dǎo)合金(niobium-titanium superconelucting alloys)
現(xiàn)有超導(dǎo)電技術(shù)中,鈮鈦超導(dǎo)合金是用得最多的一種超導(dǎo)電材料。質(zhì)量比近乎l:1的Nb-Ti合金具有良好的超導(dǎo)電性能,其超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc=9.5K,可在液氦溫度下運行,它在5T(5萬Gs)磁場下,傳輸電流密度Jc≥105A/cm2(4.2K);最高應(yīng)用場可達10T(10萬Gs)(4.2K)。合金還具有優(yōu)良的加工工藝性能,可通過傳統(tǒng)的熔煉、加工和熱處理工藝得到超導(dǎo)線材和帶材制品。因此從60年代開始研究后,很快進入了工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。美國在70年代末年產(chǎn)量就達到了百噸;中國在80年代前后也建成了試制生產(chǎn)線。實用Nb-Ti超導(dǎo)材料大多是簡單二元合金,含35%~55%Nb;可添加部分鉭和鋯來改善超導(dǎo)性能。由于超導(dǎo)穩(wěn)定性原因,Nb-Ti超導(dǎo)材料常用純銅、純鋁或銅鎳合金作為基體材料,嵌鑲?cè)攵喙蒒b-Ti細芯組合成復(fù)合多芯超導(dǎo)材料。一根超導(dǎo)線可包含有數(shù)十股至上萬股的Nb-Ti芯,芯徑最小達到1μm。另外,根據(jù)使用場合不同,還常常要把多芯線進行扭轉(zhuǎn)和換位,達到降低損耗和增加電磁穩(wěn)定性效果。Nb-Ti超導(dǎo)材料的基本加工工藝是:用自耗電弧爐或等離子爐將純鈦和純鈮熔煉成合金錠,后經(jīng)熱擠壓開坯,通過熱軋和冷拉成棒材;再將Nb-Ti合金棒插入作為基體材料的無氧銅管,復(fù)合成單芯棒;并經(jīng)多次復(fù)合組裝,加工成多芯Nb-Ti超導(dǎo)線材和帶材。需將材料經(jīng)受多次大的冷加工(加工率90%以上)和低溫(400℃以下)時效熱處理,使超導(dǎo)體獲得足夠的有效釘扎中心,提高超導(dǎo)材料的超導(dǎo)電性能。由于超導(dǎo)體零電阻效應(yīng)帶來無焦耳熱損耗的特點,以及Nb-Ti超導(dǎo)體在強磁場下能承載很高輸運電流的能力,使Nb-Ti超導(dǎo)材料特別適合在大電流、強磁場的電工領(lǐng)域應(yīng)用。例如:高場磁體、發(fā)電機、電動機、磁流體發(fā)電、受控?zé)岷朔磻?yīng)、儲能裝置、高速磁浮列車、船舶電磁推進和輸電電纜等。迄今,Nb-Ti合金超導(dǎo)材料最成功的應(yīng)用是:直徑超過1km的大型回旋高能加速器和醫(yī)療部門廣為使用的磁核共振成像診斷儀。盡管80年代中期科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了能在液氮溫度(77K)下運行的銅氧化合物高溫超導(dǎo)體;但鈮鈦合金超導(dǎo)材料憑借自身獨有的優(yōu)良加工成材性能,良好低溫超導(dǎo)電性能,相對低廉的成本和幾十年研究生產(chǎn)及應(yīng)用開發(fā)經(jīng)驗,鈮鈦合金仍然是當今世界最重要的實用超導(dǎo)電材料。
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