一种MgB2多芯超导线材的制备方法

摘要

本发明公开了一种MgB2多芯超导线材的制备方法，包括以下步骤：一、将镁粉和硼粉混合均匀后装入套管中，经多道次第一拉拔得到单芯线材；二、将单芯线材依次进行定尺、截断、矫直和酸洗处理，然后和相同尺寸的Cu/Nb复合棒组装到无氧铜管中，得到铜管复合体；三、将铜管复合体依次进行多道次第二拉拔、多道次辊模拉伸和多道次第三拉拔；四、将第三拉拔后的铜管复合体进行烧结处理，最终得到MgB2多芯超导线材。本发明采用拉拔和辊模拉伸相结合的工艺，解决了MgB2多芯超导线材加工过程中芯丝之间变形不均匀导致的芯丝阻隔层破裂、断芯和断线的问题，提高了MgB2多芯超导线材的产品质量，保证了MgB2多芯超导线材的超导性能。

权利要求

1.一种MgB2多芯超导线材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将镁粉和硼粉按照1：2的摩尔比在氩气保护下混合均匀，然后装入套管中得到装管复合体，将所述装管复合体进行多道次第一拉拔，得到单芯线材；所述套管为Cu/NbZr复合管或Cu/Nb复合管；所述第一拉拔的道次变形率为8％～15％；

步骤二、将步骤一中得到的单芯线材依次进行定尺、截断、矫直和酸洗处理，然后将多根酸洗后的单芯线材和相同尺寸的Cu/Nb复合棒组装到无氧铜管中，再用无氧铜丝填充无氧铜管中的空隙，得到铜管复合体；所述组装过程中Cu/Nb复合棒装入无氧铜管的中心，酸洗后的单芯线材沿圆周方向围绕Cu/Nb复合棒排列成圆环状结构装入无氧铜管中；所述酸洗后的单芯线材、Cu/Nb复合棒和无氧铜管的长度均相同；

步骤三、将步骤二中得到的铜管复合体依次进行多道次第二拉拔、多道次辊模拉伸和多道次第三拉拔；所述第二拉拔的道次变形率为8％～15％；所述辊模拉伸的道次变形率为

12％～20％；所述第三拉拔的道次为2～5次，道次变形率为5％～10％；

步骤四、将步骤三中经第三拉拔后的铜管复合体进行烧结处理，最终得到MgB2多芯超导线材。

2.根据权利要求1所述的一种MgB2多芯超导线材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述单芯线材的横截面为正六边形，所述正六边形的对边距为2mm～10mm。

3.根据权利要求1所述的一种MgB2多芯超导线材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述酸洗后的单芯线材的数量分别为6根、18根、30根和54根，对应所述Cu/Nb复合棒的数量分别为1根、1根、7根和7根，对应形成7芯、19芯、37芯和61芯的铜管复合体。

4.根据权利要求1所述的一种MgB2多芯超导线材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述烧结处理的过程为：首先经30min升温到650℃～680℃后保温0.5h～2h，然后经30min降温到300℃，最后随炉冷却至室温。

5.根据权利要求1所述的一种MgB2多芯超导线材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述MgB2多芯超导线材的直径为0.8mm～1.4mm。

说明书

一种MgB2多芯超导线材的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于超导材料制备技术领域，具体涉及一种MgB2多芯超导线材的制备方法。

背景技术

[0002] MgB2是一种具有高温超导性能的金属化合物，其临界转变温度(Tc) 为39K，在电子、电力、机械及国防领域具有广阔的应用前景。MgB2是一种具有类似陶瓷性质的脆性化合物，不具有加工塑性，无法直接加工成线带材，通常需要包覆金属后才能进行加工。目前最常见的MgB2线材制备方法为原位法粉末装管法(in-situ PIT)，先将Mg粉和B粉按照一定的化学计量比混合均匀，然后填充到保护套管中，再将填充后的套管加工到最终尺寸，最后进行热处理，从而生成MgB2相。由于Mg粉和B粉的化学性质较为活泼，在热处理过程中能够与多种金属包括最常用的基体材料Cu发生化学反应，所以需要在Mg粉和B粉的混合粉末和基体材料之间增加阻隔层材料，如Nb、Ta、Fe等金属。而制备MgB2多芯线材则是将单芯线材加工到一定尺寸后二次或多次组装到套管中，再将组装后的套管加工到最终尺寸。

[0003] 采用in-situ PIT法制备MgB2线材时通常采用模具拉拔工艺对填充粉末后的套管或是组装后的套管进行加工，从而得到MgB2单芯线材或MgB2多芯线材。该拉拔工艺对MgB2单芯线材的制备无影响，而在MgB2多芯线材的拉拔过程中，芯丝之间的结合力较差，内层芯丝主要受压应力的作用，而外层芯丝同时受滑动摩擦力和压应力的作用，所受应力的差异导致内外芯丝无法协同变形，导致芯丝之间变形不均匀，经常出现单个芯丝阻隔层破裂、芯丝断裂等现象，严重时甚至会断线，影响MgB2多芯线材的产品质量和超导性能。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种 MgB2多芯超导线材的制备方法。该方法采用拉拔和辊模拉伸相结合的工艺，解决了MgB2多芯超导线材加工过程中芯丝之间变形不均匀导致的芯丝阻隔层破裂、断芯和断线的问题，提高了MgB2多芯超导线材的产品质量，保证了MgB2多芯超导线材的超导性能。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种MgB2多芯超导线材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

[0006] 步骤一、将镁粉和硼粉按照1：2的摩尔比在氩气保护下混合均匀，然后装入套管中，得到装管复合体，将所述装管复合体进行多道次第一拉拔，得到单芯线材；所述套管为Cu/NbZr复合管或Cu/Nb复合管；所述第一拉拔的道次变形率为8％～15％；

[0007] 步骤二、将步骤一中得到的单芯线材依次进行定尺、截断、矫直和酸洗处理，然后将多根酸洗后的单芯线材和相同尺寸的Cu/Nb复合棒组装到无氧铜管中，再用无氧铜丝填充无氧铜管中的空隙，得到铜管复合体；所述组装过程中Cu/Nb复合棒装入无氧铜管的中心，酸洗后的单芯线材沿圆周方向围绕Cu/Nb复合棒排列成圆环状结构装入无氧铜管中；所述酸洗后的单芯线材、Cu/Nb复合棒和无氧铜管的长度均相同；

[0008] 步骤三、将步骤二中得到的铜管复合体依次进行多道次第二拉拔、多道次辊模拉伸和多道次第三拉拔；所述第二拉拔的道次变形率为8％～15％；所述辊模拉伸的道次变形率为12％～20％；所述第三拉拔的道次为2～5次，道次变形率为5％～10％；

[0009] 步骤四、将步骤三中经第三拉拔后的铜管复合体进行烧结处理，最终得到MgB2多芯超导线材。

[0010] 上述一种MgB2多芯超导线材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述单芯线材的横截面为正六边形，所述正六边形的对边距为2mm～10mm。

[0011] 上述一种MgB2多芯超导线材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述酸洗后的单芯线材的数量分别为6根、18根、30根和54根，对应所述 Cu/Nb复合棒的数量分别为1根、1根、7根和7根，对应形成7芯、19 芯、37芯和61芯的铜管复合体。

[0012] 上述一种MgB2多芯超导线材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述烧结处理的过程为：首先经30min升温到650℃～680℃后保温0.5h～2h，然后经30min降温到300℃，最后随炉冷却至室温。

[0013] 上述一种MgB2多芯超导线材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述MgB2多芯超导线材的直径为0.8mm～1.4mm。

[0014] 本发明与现有技术相比具有以下优点：

[0015] 1、本发明采用拉拔和辊模拉伸相结合的工艺，对铜管复合体进行加工，首先采用拉拔使铜管复合体初步变形，然后采用辊模拉伸，使铜管复合体的受力由滑动摩擦力变为滚动摩擦力，铜管复合体内芯丝之间的结合较为紧密，内外层芯丝均主要受压应力的作用，芯丝之间共同发生均匀变形，避免了芯丝阻隔层破裂、芯丝断裂和线材断线的现象，提高了MgB2多芯超导线材的产品质量，保证了MgB2多芯超导线材的超导性能。

[0016] 2、本发明采用的辊模拉伸工艺兼具拉拔和轧制的优点，在拉伸线材的同时，增强了芯丝之间的结合力，提高了铜管复合体中芯丝的分布均匀性和致密性，有利于保证MgB2多芯超导线材的超导性能，并且辊模拉伸后的铜管复合体表面光洁度较高，缺陷较少。

[0017] 3、本发明在辊模拉伸后进行第三拉拔，有效改善了辊模拉伸导致铜管复合体横截面产生的椭圆度和尺寸偏差，提高了MgB2多芯超导线材的产品质量。

[0018] 4、采用本发明方法制备得到的MgB2多芯线材的外形完整，超导性能优良，在保证MgB2多芯线材的超导性能的同时，有效增加了MgB2多芯超导线材的长度，适用范围广，应用价值高。

[0019] 下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

具体实施方式

[0020] 实施例1

[0021] 本实施例包括以下步骤：

[0022] 步骤一、将镁粉和硼粉按照1：2的摩尔比在氩气保护下混合均匀，然后装入外径为15mm，内径为12mm，长度为1.5m的Cu/NbZr复合管中，得到装管复合体，将所述装管复合体进行8道次第一拉拔，使用的拉拔模依次为：Φ14.2mm、Φ13.5mm、Φ12.8mm、Φ12.2mm、S11.5mm、S11mm、 S10.5mm和S10mm，其中Φ表示圆形拉拔模直径，S表示六方模对边距，最终得到横截面为正六边形的单芯线材，该正六边形的对边距为10mm；

[0023] 步骤二、将步骤一中得到的单芯线材依次进行定尺、截断、矫直和酸洗处理，然后将6根酸洗后长度为1.5m的单芯线材和1根相同尺寸的 Cu/Nb复合棒组装到外径为40mm，内径为30mm，长度为1.5m的无氧铜管中，再用无氧铜丝填充无氧铜管中的空隙，得到7芯的铜管复合体；所述组装过程中Cu/Nb复合棒装入无氧铜管的中心，酸洗后的单芯线材沿圆周方向围绕Cu/Nb复合棒排列成圆环状结构装入无氧铜管中；

[0024] 步骤三、将步骤二中得到的铜管复合体进行5道次第二拉拔，使用的拉拔模依次为：Φ37.5mm、Φ35.2mm、Φ33mm、Φ31mm和Φ29mm，其中Φ表示圆形拉拔模直径；然后进行35道次辊模拉伸，每道次辊模拉伸后铜管复合体的当量直径依次为：Φ26.3mm、Φ23.8mm、Φ21.6mm、Φ19.6mm、Φ17.7mm、Φ16.0mm、Φ14.5mm、Φ13.1mm、Φ11.9mm、Φ10.8mm、Φ
9.8mm、Φ8.9mm、Φ8.1mm、Φ7.3mm、Φ6.6mm、Φ6.0mm、Φ5.43mm、Φ4.92mm、Φ4.46mm、Φ
4.04mm、Φ3.66mm、Φ3.31mm、Φ3.0mm、Φ2.72mm、Φ2.46mm、Φ2.23mm、Φ2.02mm、Φ
1.83mm、Φ1.66mm、Φ1.5mm、Φ1.36mm、Φ1.23mm、Φ1.11mm、Φ1.01mm和Φ0.91mm，其中Φ表示每道次辊模拉伸后铜管复合体的当量直径，即与每道次辊模拉伸后铜管复合体横截面积相等的圆管的直径；最后进行5道次第三拉拔，使用的拉拔模依次为：Φ0.887mm、Φ
0.865mm、Φ0.843mm、Φ0.821mm和Φ0.8mm，其中Φ表示圆形拉拔模直径；

[0025] 步骤四、将步骤三中经第三拉拔后的铜管复合体经30min升温到665 ℃后保温1.5h，然后在30min内降温到300℃，最后随炉冷却至室温，最终得到直径为0.8mm、长度为
2100m的MgB2多芯超导线材。

[0026] 将本实施例制备的MgB2多芯超导线材取样腐蚀，去除线材外层铜管，发现芯丝变形均匀，无断芯，NbZr阻隔层无破损。

[0027] 实施例2

[0028] 本实施例包括以下步骤：

[0029] 步骤一、将镁粉和硼粉按照1：2的摩尔比在氩气保护下混合均匀，然后装入外径为10mm，内径为7mm，长度为1m的Cu/NbZr复合管中，得到装管复合体，将所述装管复合体进行
18道次第一拉拔，使用的拉拔模依次为Φ9.4mm、Φ8.8mm、Φ8.3mm、Φ7.8mm、Φ7.3mm、Φ
6.8mm、Φ6.4mm、Φ6.0mm、Φ5.6mm、Φ5.3mm、Φ5.0mm、Φ4.7mm、Φ4.4mm、Φ4.1mm、Φ
3.8mm、S3.4mm、S3.2mm和S3.0mm，其中Φ表示圆形拉拔模直径，S表示六方模对边距，最终得到横截面为正六边形的单芯线材，该正六边形的对边距为3mm；

[0030] 步骤二、将步骤一中得到的单芯线材依次进行定尺、截断、矫直和酸洗处理，然后将30根酸洗后长度为2m的单芯线材和7根相同尺寸的Cu/Nb 复合棒组装到外径为28mm，内径为22mm，长度为2m的无氧铜管中，再用无氧铜丝填充无氧铜管中的空隙，得到37芯的铜管复合体；所述组装过程中7根Cu/Nb复合棒装入无氧铜管的中心，30根酸洗后的单芯线材沿圆周方向围绕7根Cu/Nb复合棒排列成圆环状结构装入无氧铜管中；

[0031] 步骤三、将步骤二中得到的铜管复合体进行3道次第二拉拔，使用的拉拔模依次为：Φ25.8mm、Φ23.8mm和Φ21.9mm，其中Φ表示圆形拉拔模直径；然后进行34道次辊模拉伸，每道次辊模拉伸后铜管复合体的当量直径依次为：Φ20.2mm、Φ18.6mm、Φ17.1mm、Φ15.8mm、Φ14.6mm、Φ13.5mm、Φ12.4mm、Φ11.4mm、Φ10.5mm、Φ9.7mm、Φ8.9mm、Φ8.2mm、Φ7.6mm、Φ7mm、Φ6.5mm、Φ6.0mm、Φ5.5mm、Φ5.1mm、Φ4.7mm、Φ4.3mm、Φ3.96mm、Φ
3.65mm、Φ3.37mm、Φ3.11mm、Φ2.87mm、Φ2.65mm、Φ2.44mm、Φ2.25mm、Φ2.07mm、Φ
1.91mm、Φ1.76mm、Φ1.62mm、Φ1.49mm和Φ1.36mm，其中Φ表示每道次辊模拉伸后铜管复合体的当量直径，即与每道次辊模拉伸后铜管复合体横截面积相等的圆管的直径；最后进行3道次第三拉拔，使用的拉拔模依次为：Φ1.3mm、Φ1.25mm和Φ1.2mm，其中Φ表示圆形拉拔模直径；

[0032] 步骤四、将步骤三中经第三拉拔后的铜管复合体经30min升温到650 ℃后保温2h，然后在30min内降温到300℃，最后随炉冷却至室温，最终得到直径为1.2mm、长度为920m的MgB2多芯超导线材。

[0033] 将本实施例制备的MgB2多芯超导线材取样腐蚀，去除线材外层铜管，发现芯丝变形均匀，无断芯，NbZr阻隔层无破损。

[0034] 本发明实施例1的步骤一中和实施例2的步骤一中所述的Cu/NbZr复合管均由专利号为ZL200710018853.8的发明专利所公开的方法制备得到。

[0035] 实施例3

[0036] 本实施例包括以下步骤：

[0037] 步骤一、将镁粉和硼粉按照1：2的摩尔比在氩气保护下混合均匀，然后装入外径为13mm，内径为11mm，长度为1.5m的Cu/Nb复合管中，得到装管复合体，将所述装管复合体进行
17道次第一拉拔，使用的拉拔模依次为：Φ12.0mm、Φ11.1mm、Φ10.2mm、Φ9.4mm、Φ8.7mm、Φ8.0mm、Φ7.4mm、Φ6.8mm、Φ6.3mm、Φ5.8mm、Φ5.35mm、Φ4.93mm、S4.73mm、 S4.54mm、S4.35mm、S4.17mm和S4.0mm，其中Φ表示圆形拉拔模直径， S表示六方模对边距，最终得到横截面为正六边形的单芯线材，该正六边形的对边距为4mm；

[0038] 步骤二、将步骤一中得到的单芯线材依次进行定尺、截断、矫直和酸洗处理，然后将54根酸洗后长度为1.2m的单芯线材和7根相同尺寸的 Cu/Nb复合棒组装到外径为45mm，内径为37mm，长度为1.2m的无氧铜管中，再用无氧铜丝填充无氧铜管中的空隙，得到61芯的铜管复合体；所述组装过程中7根Cu/Nb复合棒装入无氧铜管的中心，54根酸洗后的单芯线材沿圆周方向围绕7根Cu/Nb复合棒排列成圆环状结构装入无氧铜管中；

[0039] 步骤三、将步骤二中得到的铜管复合体进行4道次第二拉拔，使用的拉拔模依次为：Φ42.7mm、Φ40.5mm、Φ38.4mm和Φ36.4mm，其中Φ表示圆形拉拔模直径；然后进行28道次辊模拉伸，每道次辊模拉伸后铜管复合体的当量直径依次为：Φ32.6mm、Φ29.2mm、Φ26.1mm、Φ23.3mm、Φ20.8mm、Φ18.6mm、Φ16.6mm、Φ14.8mm、Φ13.2mm、Φ11.8mm、Φ
10.6mm、Φ9.5mm、Φ8.5mm、Φ7.6mm、Φ6.8mm、Φ6.1mm、Φ5.5mm、Φ4.9mm、Φ4.38mm、Φ
3.9mm、Φ3.48mm、Φ3.1mm、Φ2.77mm、Φ2.48mm、Φ2.2mm、Φ1.97mm、Φ1.76mm和Φ1.56mm，其中Φ表示每道次辊模拉伸后铜管复合体的当量直径，即与每道次辊模拉伸后铜管复合体横截面积相等的圆管的直径；最后进行2道次第三拉拔，使用的拉拔模依次为：Φ1.48mm和Φ1.4mm，其中Φ表示圆形拉拔模直径；

[0040] 步骤四、将步骤三中经第三拉拔后的铜管复合体经30min升温到680 ℃后保温0.5h，然后在30min内降温到300℃，最后随炉冷却至室温，最终得到直径为1.4mm、长度为
980m的MgB2多芯超导线材。

[0041] 将本实施例制备的MgB2多芯超导线材取样腐蚀，去除线材外层铜管，发现芯丝变形均匀，无断芯，Nb阻隔层无破损。

[0042] 实施例4

[0043] 本实施例包括以下步骤：

[0044] 步骤一、将镁粉和硼粉按照1：2的摩尔比在氩气保护下混合均匀，然后装入外径为12mm，内径为10mm，长度为1.2m的Cu/Nb复合管中，得到装管复合体，将所述装管复合体进行
23道次第一拉拔，使用的拉拔模依次为：Φ11.1mm、Φ10.2mm、Φ9.4mm、Φ8.7mm、Φ8.0mm、Φ7.4mm、Φ6.8mm、Φ6.3mm、Φ5.8mm、Φ5.3mm、Φ4.9mm、Φ4.5mm、Φ4.1mm、Φ3.78mm、Φ
3.48mm、Φ3.21mm、Φ2.96mm、Φ2.73mm、Φ2.52mm、S2.32mm、 S2.21mm、S2.1mm和S2.0mm，其中Φ表示圆形拉拔模直径，S表示六方模对边距，最终得到横截面为正六边形的单芯线材，该正六边形的对边距为2mm；

[0045] 步骤二、将步骤一中得到的单芯线材依次进行定尺、截断、矫直和酸洗处理，然后将18根酸洗后长度为2m的单芯线材和1根相同尺寸的Cu/Nb 复合棒组装到外径为15mm，内径为11mm，长度为2m的无氧铜管中，再用无氧铜丝填充无氧铜管中的空隙，得到19芯的铜管复合体；所述组装过程中1根Cu/Nb复合棒装入无氧铜管的中心，18酸洗后的单芯线材沿圆周方向围绕1根Cu/Nb复合棒排列成圆环状结构装入无氧铜管中；

[0046] 步骤三、将步骤二中得到的铜管复合体进行多道次第二拉拔，使用的拉拔模依次为：Φ14.4mm、Φ13.8mm、Φ13.2mm、Φ12.7mm和Φ12.2mm，其中Φ表示圆形拉拔模直径；然后进行37道次辊模拉伸，每道次辊模拉伸后铜管复合体的当量直径依次为：Φ11.4mm、Φ10.7mm、Φ10mm、Φ9.4mm、Φ8.8mm、Φ8.3mm、Φ7.8mm、Φ7.3mm、Φ6.8mm、Φ6.4mm、Φ
6.0mm、Φ5.6mm、Φ5.3mm、Φ5.0mm、Φ4.7mm、Φ4.4mm、Φ4.1mm、Φ3.85mm、Φ3.61mm、Φ
3.39mm、Φ3.18mm、Φ2.98mm、Φ2.8mm、Φ2.63mm、Φ2.47mm、Φ2.32mm、Φ2.18mm、Φ
2.05mm、Φ1.92mm、Φ1.8mm、Φ1.69mm、Φ1.59mm、Φ1.49mm、Φ1.4mm、Φ1.31mm、Φ1.23mm和Φ1.15mm，其中Φ表示每道次辊模拉伸后铜管复合体的当量直径，即与每道次辊模拉伸后铜管复合体横截面积相等的圆管的直径；最后进行3道次第三拉拔，使用的拉拔模依次为：Φ1.1mm、Φ1.05mm和Φ1.0mm，其中Φ表示圆形拉拔模直径；

[0047] 步骤四、将步骤三中经第三拉拔后的铜管复合体经30min升温到675 ℃后保温1h，然后在30min内降温到300℃，最后随炉冷却至室温，最终得到直径为1.0mm、长度为420m的MgB2多芯超导线材。

[0048] 将本实施例制备的MgB2多芯超导线材取样腐蚀，去除线材外层铜管，发现芯丝变形均匀，无断芯，Nb阻隔层无破损。

[0049] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。