CN116580893A - 一种铁基超导线带材中引入人工钉扎中心的方法、铁基超导线带材 - Google Patents
一种铁基超导线带材中引入人工钉扎中心的方法、铁基超导线带材 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于超导材料技术领域，具体涉及一种铁基超导线带材中引入人工钉扎中心的方法、铁基超导线带材。本发明采用大变形量挤压成形制备得到铁基超导线材，剧烈形变加工过程中高应变、应力干扰了材料内部结晶程度，激活高密度位错类缺陷增殖，为构建缺陷型人工钉扎中心提供了良好的基础；然后通过烧结，使高密度位错发生重排与有序化，在超导芯内部晶界处形成大量高密度周期分布式的纳米级位错带，组成了阵列式的强钉扎中心，且不影响整体超导相的质量，从而增强了其超导电流传输性能。
Description
技术领域
本发明属于超导材料技术领域，具体涉及一种铁基超导线带材中引入人工钉扎中心的方法、铁基超导线带材。
背景技术
铁基超导体具有临界转变温度高、各向异性小和上临界场高等优点，适合广泛的用于能源、医疗和大科学工程等领域，是当今最具发展前景的新型高温超导体。高性能超导线带材是超导材料在强电高场实用化应用的基础。目前，采用粉末装管法(Powder-in-tube，简称PIT法)制备的铁基超导线带材克服了铁基超导材料低塑韧性带来的加工难度。多课题组报道的通过拉拔、轧制所制备的铁基超导线材其传输临界电流密度Jc在4.2K、10T下已超过105A/cm2，为规模化生产和应用提供的依据。
铁基超导线带材的性能虽取得了很大的提高，但其所报道的最高临界电流密度远未达到铁基超导体的拆对临界电流密度Jc极限值(约108A/cm2)，即使相较于铁基薄膜或单晶(约106A/cm2)仍有一定差距。众所周知，超导材料需要良好的钉扎性能以固定高场下的磁通蠕动。超导材料体内部的钉扎能力是决定其高场下的临界电流密度的关键因素。然而，现有的改进铁基超导线带材钉扎的认识和方法非常有限。当前，铁基超导线带材中往往采用细化晶粒、提高晶界密度等方法提高界面钉扎水平，但这些方法对其传输性能的提升往往适得其反。同时，目前尚未找到与铁基超导主相存在共格关系的元素掺杂改性，所掺杂物质易于在超导晶界处富集，阻碍超导电流传输。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铁基超导线带材中引入人工钉扎中心的方法、铁基超导线带材，本发明提供的方法能够在铁基超导线带材的晶界处形成阵列式的强钉扎中心，增强其超导电流传输性能。
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种铁基超导线带材中引入人工钉扎中心的方法，包括以下步骤：
将铁基超导前驱粉装管后，依次进行真空脱气和焊封，得到待挤压管坯；
将所述待挤压管坯进行挤压成形，所得单芯线材进行加工，得到线带材；
所述挤压成形的应变为40～80％；
将所述线带材在真空环境或惰性气体氛围下进行烧结，得到具有人工钉扎中心的铁基超导线带材。
优选的，所述铁基超导前驱粉的化学组成为122型、11型、1111型或1144型。
优选的，所述挤压成形的挤压比为4～16。
优选的，所述烧结的峰值温度为550～900℃，保温时间为0.1～10h。
优选的，所述装管所用金属管的材质包括银、银合金、铜或蒙乃尔合金。
优选的，所述真空环境的真空度为10-1～10-4Pa。
优选的，所述惰性气体包括氩气；所述氩气的纯度优选为95～99.99％。
优选的，所述单芯线材的直径为2～40mm。
优选的，所述加工为拉拔；所述拉拔的次数为5～10道次；所述拉拔的道次加工率为5～15％。
本发明还提供了上述技术方案所述方法制备得到的铁基超导线带材，所述铁基超导线带材具有人工钉扎中心；所述人工钉扎中心的尺寸为3～50nm。
本发明提供了一种铁基超导线带材中引入人工钉扎中心的方法，包括以下步骤：将铁基超导前驱粉装管后，依次进行真空脱气和焊封，得到待挤压管坯；将所述待挤压管坯进行挤压成形，所得单芯线材进行加工，得到线带材；所述挤压成形的应变为40～80％；将所述线带材在真空环境或惰性气体氛围下进行烧结，得到具有人工钉扎中心的铁基超导线带材。本发明采用大变形量挤压成形制备得到铁基超导线材，剧烈形变加工过程中高应变、应力干扰了材料内部结晶程度，激活高密度位错类缺陷增殖，为构建缺陷型人工钉扎中心提供了良好的基础；然后通过烧结，使高密度位错发生重排与有序化，在超导芯内部晶界处形成大量高密度周期分布式的纳米级位错带，组成了阵列式的强钉扎中心，且不影响整体超导相的质量，从而增强了其超导电流传输性能。
此外，本发明提供的人工钉扎制备方法操作简便，即通过简单的挤压成形和烧结即可得到人工钉扎中心，通过挤压成形应变和烧结温度的设定，能够将钉扎中心尺寸可控在3～50nm之间，且具有极高的获得效率与极低的成本。
附图说明
图1为本发明实施例制备具有人工钉扎中心的铁基超导线带材的方法流程图；
图2为本发明实施例2制备的具有人工钉扎中心的铁基超导线带材的TEM图；
图3为本发明实施例2制备的具有人工钉扎中心的铁基超导线带材的钉扎力密度Fp随场变化曲线图；
图4为本发明实施例2制备的具有人工钉扎中心的铁基超导线带材的临界电流传输密度图。
具体实施方式
本发明提供了一种铁基超导线带材中引入人工钉扎中心的方法，包括以下步骤：
将铁基超导前驱粉装管后，依次进行真空脱气和焊封，得到待挤压管坯；
将所述待挤压管坯进行挤压成形，所得单芯线材通过加工进行，得到线带材；
所述挤压成形的应变为40～80％；
将所述线带材在真空环境或惰性气体氛围下进行烧结，得到具有人工钉扎中心的铁基超导线带材。
如无特殊说明，本发明对所用制备原料的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的市售商品即可。
本发明将铁基超导前驱粉装管后，依次进行真空脱气和焊封，得到待挤压管坯。
在本发明中，所述铁基超导前驱粉的化学组成优选为122型、11型、1111型或1144型，更优选为122型；所述122型优选为Ba1-xKxFe2As2，x＝0.1～0.9，更优选为Ba0.55K0.45Fe2As2；所述铁基超导前驱粉的体积优选为占所述装管所用金属管体积的25～60％，更优选为31～40％。
在本发明中，所述装管所用金属管的材质优选包括银、银合金、铜或蒙乃尔合金，更优选为银或银合金；所述装管所用金属管的长度优选为5～20cm，更优选为6～10cm，内径优选为0.3～0.6cm，更优选为0.5cm，外径优选为0.5～0.8cm，更优选为0.8cm。
在本发明中，所述真空脱气所用设备优选为机械泵与分子泵混合真空***；所述真空脱气的压力优选为10-1～10-4Pa，更优选为10-2Pa；所述真空脱气的功率优选为300～1200W，更优选为500～1000W；所述真空脱气中所述金属管内压强至10-1～10-4Pa，优选为10-2Pa。
本发明对所述焊封的过程没有特殊限定，采用本领域熟知的焊封过程即可。
得到所述待挤压管坯后，本发明将所述待挤压管坯进行挤压成形，得到单芯线材。
在本发明中，所述挤压成形的挤压比优选为4～16，更优选为5～8；所述挤压成形的应变为40～80％，优选为50～70％；所述单芯线材的直径优选为2～40mm，更优选为2.5～5mm。
本发明采用大变形量挤压成形制备得到铁基超导线材，剧烈形变加工过程中高应变、应力降低了材料内部结晶程度，激活高密度位错类缺陷增殖，为构建缺陷型人工钉扎中心提供了良好的基础。
得到所述单芯线材后，本发明将所述单芯线材进行加工，得到线带材。
在本发明中，所述加工优选为拉拔；所述拉拔后优选还包括进行轧制。
得到所述单芯线材后，本发明优选还包括：将单根或多根所述单芯线材用金属外包套包裹后，进行加工，得到复合包套铁基超导线带材。
在本发明中，所述拉拔的次数优选为5～10道次，更优选为5～8道次；所述拉拔的道次加工率优选为5～15％，更优选为5～10％；所述拉拔所得线材的直径优选为0.5～4mm，更优选为1～2mm。
在本发明中，所述轧制的道次优选为5～10道次，更优选为5～8道次；所述轧制的道次加工率优选为5～20％，更优选为10～15％；所述轧制所得带材的宽度优选为2～10mm，更优选为5～8mm，厚度优选为0.2～1mm，更优选为0.5～0.8mm。
在本发明中，所述金属外包套的材质优选包括不锈钢、铜、银、银合金、蒙乃尔(Monel)合金或镍基合金，更优选为银或银合金；所述银合金优选为银锡合金；所述金属外包套的长度优选为50～1000cm，更优选为100～500cm，内径优选为1～2mm，更优选为1.5mm，外径优选为1.2～3.5mm，更优选为2.5mm。
得到线带材后，本发明将所述线带材在真空环境或惰性气体氛围下进行烧结，得到具有人工钉扎中心的铁基超导线带材。
在本发明中，所述真空环境的真空度优选为10-1～10-4Pa，更优选为10-2Pa；所述惰性气体包括氩气；所述氩气的纯度优选为95～99.99％，更优选为99.99％。
在本发明中，所述烧结的峰值温度优选为550～900℃，更优选为600～880℃，保温时间优选为0.1～10h，更优选为1～5h；升温至所述烧结峰值温度的速率优选为5～20℃/min，更优选为10～15℃/min。
本发明通过烧结使前述加压成形形成的高密度位错发生重排与有序化，在超导芯内部晶界处形成大量高密度周期分布式的纳米级位错带，组成了阵列式的强钉扎中心，且不影响整体超导相的质量，从而增强了其超导电流传输性能。
图1为本发明实施例制备具有人工钉扎中心的铁基超导线带材的方法流程图。如图1所示，本发明通过挤压成形得到铁基超导线材，然后通过轧制，得到铁基超导带材，挤压成形的过程中铁基超导线材晶粒内部大量位错萌生、增殖，然后通过烧结，位错重排、有序化，在晶界形成阵列式位错钉扎中心，对磁通进行束缚。
此外，本发明提供的人工钉扎制备方法操作简便，即通过简单的挤压成形，钉扎中心尺寸可控在3～50nm之间，且具有极高的获得效率与极低的成本。
本发明还提供了上述技术方案所述方法制备得到的铁基超导线带材，所述铁基超导线带材具有人工钉扎中心；所述人工钉扎中心的尺寸为3～50nm。
在本发明中，所述人工钉扎中心的尺寸为3～50nm，更优选为3～6nm。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
将铁基超导前驱粉(Ba0.55K0.45Fe2As2)装入长10cm，内径为0.5cm，外径为0.8cm的银管后，铁基超导前驱粉占金属管容积的40％，用机械泵与分子泵混合真空***以10-2Pa压力、1200W进行真空脱气至银管内压强为10-2Pa，然后焊封，得到待挤压管坯；
将所述待挤压管坯进行挤压成形，挤压比为8，采用62.5％大应变加工进行，得到直径为3mm的单芯线材；
将所述单芯线材进行拉拔，拉拔的次数为5道次，道次加工率为10％，得到直径为1.8mm的线材；
将所述线材在10-2Pa真空度的真空环境下进行烧结，以10℃/min升温至烧结的峰值温度880℃，保温时间为1h，得到具有人工钉扎中心(尺寸为3～6nm)的铁基超导线材。
实施例2
将铁基超导前驱粉(Ba0.55K0.45Fe2As2)装入长10cm，内径为0.5cm，外径为0.8cm的银管后，铁基超导前驱粉占银管容积的40％，用机械泵与分子泵混合真空***以10-2Pa压力、1200W进行真空脱气至银管内压强为10-2Pa，然后焊封，得到待挤压管坯；
将所述待挤压管坯进行挤压成形，挤压比为8，采用62.5％大应变加工进行，得到直径为3mm的单芯线材；
将所述单芯线材进行拉拔，拉拔的次数为10道次，道次加工率为10％，得到直径为0.98mm的线材；将上述线材与不锈钢管(长100cm，外径2.5mm，内径1.5mm)材进行复合后轧制至厚度0.8mm、宽度3mm的带材，轧制的道次为5道次，道次加工率为10％；
将所述带材在10-2Pa真空度的真空环境下进行烧结，以15℃/min升温至烧结的峰值温度880℃，保温时间为1h，得到具有人工钉扎中心(尺寸为3～6nm)的铁基超导带材。
实施例3
将铁基超导前驱粉(Ba0.55K0.45Fe2As2)装入长10cm，内径为0.4cm，外径为0.8cm的银管后，铁基超导前驱粉占银管容积的24％，用机械泵与分子泵混合真空***以10-2Pa压力、1200W进行真空脱气至银管内压强为10-2Pa，然后焊封，得到待挤压管坯；
将所述待挤压管坯进行挤压成形，挤压比为11，采用68.8％大应变加工进行，得到直径为2.5mm的单芯线材；
将所述单芯线材进行拉拔，拉拔的次数为10道次，道次加工率为10％，得到直径为0.98mm的线材；将上述线材与铜管(长150cm，外径2.5mm，内径1.5mm)材进行复合后轧制至厚度0.8mm、宽度4mm的带材，轧制的道次为5道次，道次加工率为15％；
将所述带材在10-2Pa真空度的真空环境下进行烧结，以12℃/min升温至烧结的峰值温度750℃，保温时间为1h，得到具有人工钉扎中心(尺寸为3～6nm)的铁基超导带材。
对比例1
采用非挤压工艺(热压)，制备得到铁基超导线带材；
将铁基超导前驱粉(Ba0.55K0.45Fe2As2)装入长10cm，内径为0.5cm，外径为0.8cm的银管后，铁基超导前驱粉占银管容积的40％；
将所述待挤压管坯进行拉拔成形，采用7.5％进行多倒次冷拉拔；拉拔的次数为15道次，道次加工率为7％，得到直径为1.9mm的线材；该线材选择5道次轧制为厚0.3mm的带材，道次加工率为6％；
将所述线材在10-2Pa真空度的真空环境下进行热压烧结烧结，以10℃/min升温至烧结的峰值温度880℃，保温时间为1h，峰值压力为50MPa，得到不具有人工钉扎中心的铁基超导线材。
对比例2
将铁基超导前驱粉(Ba0.55K0.45Fe2As2)装入长10cm，内径为0.5cm，外径为0.8cm的银管后，铁基超导前驱粉占银管容积的40％；
将所述待挤压管坯进行拉拔成形，采用7.5％进行多倒次孔型轧制；拉拔的次数为20道次，道次加工率为6％，得到直径为1.7mm的线材；
将所述线材在10-2Pa真空度的真空环境下进行烧结，以10℃/min升温至烧结的峰值温度880℃，保温时间为1h，得到不具有人工钉扎中心的铁基超导线材。
性能测试
(1)对本发明实施例2制备的具有人工钉扎中心的铁基超导线带材进行电镜扫描，结果如图2所示。
由图2可知，实施例2制备的具有人工钉扎中心的铁基超导线带材样品内部晶界处具有高密度阵列式位错钉扎中心。
(2)对本发明实施例2制备的具有人工钉扎中心的铁基超导线带材和对比例1制备的铁基超导线带材的钉扎力密度随场变化进行测试，结果如图3所示。
由图3可知，本发明实施例2制备的具有人工钉扎中心的铁基超导线带材样品的钉扎力密度Fp获得了显著提升，在10～27T背景场下持续增高，27T下达到了29GN/m3，而非挤压工艺下制备的铁基超导线带材样品在16T背景场左右达到钉扎力峰值后，随场强增加而降低。
(3)对本发明实施例2制备的具有人工钉扎中心的铁基超导线带材进行传输电流测试，结果如图4所示。
由图4可知，本发明制备的铁基超导线带材较传统工艺其超导电流传输性能均有了大幅度提高，在4.2K、10T下临界电流Jc超过2.0×105A/cm2。说明，本发明能够极大地提升铁基超导线带材的磁通钉扎性能。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (10)
1.一种铁基超导线带材中引入人工钉扎中心的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将铁基超导前驱粉装管后，依次进行真空脱气和焊封，得到管坯；
将所述管坯进行挤压成形，所得单芯线材进行加工，得到线带材；
所述挤压成形的应变为40～80％；
将所述线带材在真空环境或惰性气体氛围下进行烧结，得到具有人工钉扎中心的铁基超导线带材。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁基超导前驱粉的化学组成为122型、11型、1111型或1144型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述挤压成形的挤压比为4～16。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烧结的峰值温度为550～900℃，保温时间为0.1～10h。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装管所用金属管的材质包括银、银合金、铜或蒙乃尔合金。
6.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述真空环境的真空度为10-1～10-4Pa。
7.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述惰性气体包括氩气；所述氩气的纯度优选为95～99.99％。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单芯线材的直径为2～40mm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加工为拉拔；所述拉拔的次数为5～10道次；所述拉拔的道次加工率为5～15％。
10.权利要求1～9任一项方法制备得到的铁基超导线带材，其特征在于，所述铁基超导线带材具有人工钉扎中心；所述人工钉扎中心的尺寸为3～50nm。
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