Nb3Al超导线材实现商业化的一个技术关

目前实现商业化应用的高场磁体用超导线材主要为Nb3Sn线材。与Nb3Sn相比，Nb3Al超导材料在高场条件下具有高的临界电流与上临界磁场和更好的应力应变容许特性，其超导转变温度与Nb3Sn相似。目前实验室已达到的水平表明，在4.2K和15T条件下，Nb3Al的临界电流密度达到1000A/mm2。因此，Nb3Al被材料界认为是未来高场磁体应用性能优于Nb3Sn的理想材料。
但是，不同于Nb3Sn，Nb3Al相只有在1940~2060℃的狭窄温度范围内才能稳定存在，平衡态的Nb3Al相中的Al含量偏离化学计量比，其超导体性能远低于化学计量比下的理论值，由此造成生产工艺的复杂性及太低的成品率，这成为该材料实现大规模商业化应用的最大障碍。由Nb-Al相图可知，随着温度的降低，Al含量偏离化学计量比而不断减少，在1000℃时Al含量就减少到21%左右。因此，通过常规的低温热处理很难获得具有化学计量比的Nb3Al超导体。研究表明，Nb3Al的超导性能依赖于Al含量的高低，超导转变温度随着Al含量接近化学计量比而提高。因此，化学计量比的获得是制备高性能Nb3Al超导材料的关键。
研究表明，连续快速加热和快速冷却，与后续低温退火相结合的热处理工艺是获得具有化学计量比和小尺寸晶粒的高性能Nb3Al超导线材的有效方法。其基本方法是将Nb3Al前驱体长线置于真空腔的放线轮，以1m/s的速率经三个支撑轮后盘绕在收线轮，其中两个支撑轮作为电极，电极间距10cm，即为加热距离。线材进入电极范围后，与电源形成通路以欧姆加热的方式快速加热到1940℃以上的固溶温区，随后在0.1s的极短时间内在50℃的Ga液槽内快速淬火，形成过饱和固溶体，最后在800℃进行退火，析出Nb3Al超导相。实验证明，上述热处理后的Nb3Al线材性能得到了较大的提升，非铜临界电流密度在22T时高于100A/mm2。因此，上述热处理工艺被认为是目前制备高性能Nb3Al超导线材的最佳热处理工艺。
不过，透射电镜分析表明，这种热处理样品中Al含量仍然低于化学计量比，而且在后续低温成相热处理时会形成大量的位错，导致了该材料超导转变温度和上临界磁场较低。为了避免这类位错的形成，进一步提高Nb3Al超导线材的超导性能，可以在快速加热和快速冷却后，增加一个在极短时间(约0.3s)内1000℃或者1500℃的高温成相热处理，最后再进行800℃的有序化热处理。经过这样处理后的Nb3Al超导线材，临界电流密度得到了较大的提高。透镜分析表明样品内部不再存在那些位错，转变温度提高到18.2K或18.4K，上临界磁场提高到28.2T或30T。
上述快热快冷热处理工艺已经获得很大成功，但是由于线材内部结构的不均匀性，热处理时断线率较高。要想稳定生产千米级长线从而实现商业化应用，还需要进一步的研发工作。（钢研）