鈦克网机械制造(基于镁、乙、钛、铝：内部镁扩散工艺，超轻超导线的原始制造方法)

文|近史演绎编辑|近史演绎

镁B2是最轻的超导化合物。它与钛（作为屏障）和铝（作为外护套）等轻质金属的连接将导致质量最小的超导线。然而，纯铝是机械软金属，用于拉制或轧制复合线，特别是如果应用于外护套，它不能提供所需的内部硼粉致密化。

这项研究报告了一种轻质的MgB2铝护套线，由纳米级γ铝稳定2O3颗粒（称为HITEMAL）并通过Ti扩散屏障防止与镁的反应。单芯MgB的电气和机械性能在低温下研究了通过内部镁扩散（IMD）制成硼的/Ti/HITEMAL线材。

结果发现，超轻质镁B2导线表现出高临界电流密度和对机械应力的公差。这预先决定了这种轻质超导线在航空和空间应用中的潜在用途，以及需要减少系统质量的强大海上风力发电机。虽然已经发现了许多超导元素和化合物，其中只有少数可用于具有高电流密度的热稳定和机械稳定的长线。代替高功率电缆和高场磁体，超导线使飞机发动机和发电机的强大轻质超导定子和转子的设计成为可能。

轻质超导线在其他特定领域也很有吸引力，在这些领域中，总质量非常重要，例如强大的风力涡轮机或任何空间应用，自从在最轻的超导化合物MgB中发现超导性以来，主要用于在开发通过管中粉（PIT）工艺制成的实用复合线和增强其超导性能，特别是临界电流密度（Jc）和上临界场。

低成本镁B2以4-25K运行的超导线可以降低超导系统的前期和持续运营成本。研究发现，护套材料在确定管中粉末（PIT）技术制成的线材的传输性能方面起着重要作用，铜是低T的理想热稳定金属c超导线。

在镁B2的情况下导线，Cu与MgB2的反应由于传输电流密度可能急剧降低，因此必须受到抑制。因此，必须使用保护性（即扩散）屏障（例如Fe，Nb或Ta）以避免任何反应，即Cu和Mg之间的反应，钛护套镁B2电线最初由Allessadrini进行测试，钛势垒随后成功应用于多核MgB2由铜稳定的电线，Al也可能是MgB的合适护套材料。

超导体由于其高导电导热性、低成本、磁性和良好的成型性。然而，纯铝是机械软金属，用于拉制或轧制复合线，特别是如果应用于外护套，它不能提供硼粉所需的致密化。虽然铝合金可以提供改进的机械性能，但导电性和可成形性明显下降。

此外，与纯Al的熔点相比，Al合金的固相线温度要低得多，这使得MgB2的形成更加困难，通过在大约650°C下对Mg和B组分进行热处理。MgB2的第一次实验铝带超导体采用非原位PIT方法制成，未经最终热处理，但无法达到高临界电流密度.

其他几个稳定MgB2的实验还执行了纯铝线,但稳定还不够有效。此外，由于铝和钛的强烈氧化表面，在Ti护套线上进行Al键合的另一种解决方案不成功,通过少量纳米级Al稳定的热稳定超细晶粒Al。AI2O3原位形成于Al基体中，称为HITEMAL（高温铝），通过粉末冶金方法生产，HITEMAL在低温下表现出有吸引力的机械性能和最近的电气性能.

首次尝试制造Al稳定的MgB2导线采用Ta扩散屏障和HITERMAL外护套制成，证明了铝鞘镁B2的可能生产电线。它允许验证Al+Al的利用率B2O3镁外护套2导线并显示超导性能，尤其是电流密度，在中等磁场中可以达到。Ta屏障是真正的重材料（16.69克/厘米3）用于轻质复合线，但由于与Al+Al的反应最小，因此已使用。

在这项工作中，我们提出了通过内部镁扩散工艺（IMD）制备到B2中的超轻超导线的原始制造方法和性能，该超导线利用了最轻的超导化合物（MgB2含2.5克米）与轻质复合护套（Al+1.37%体积铝）相结合B2O3密度为~2.7gcm）和轻金属阻隔材料（密度为4.5gcm的钛)。

由于熔点降低至Al+1.37%体积Al2O3（652°C）22与纯铝（660°C）和接近熔化的镁（650°C）相比，MgB2需要真正特定的热处理/Ti/HITEMALwire.它应该允许：（i）快速形成致密的MgB2阶段，（ii）有限的Ti/Al相互作用和（iii）保持Al+Al的机械强度2O3鞘。

结果表明，熔点为652°C的Al+1.37%体积Al2O3护套相对较低，而接近650°C的温度是快速形成致密MgB2所必需的阶段，这可能会导致铝的不良变化例如，熔化或重结晶稳定的铝鞘。因此，对变形的Mg/B/Ti/HIITEMAL线材进行了快速斜坡热处理（~25°C/min），设定温度为628–635°C，超冲高达640–646.5°C，命名为wA，wB和wC。

当地EDS分析证实3Ti期，与其他研究非常吻合。可比的Al3对于热处理10分钟的wA和wB线，观察到相似厚度的Ti层，而对于退火30分钟的wC线，该层增加到～4μm（见表1）。铝的形成3Ti/Al界面处的Ti相可能会显着降低MgB之间的热传输和电传输核心和外部铝+铝2O3鞘。最小化铝3Ti相形成，具有非常快的初始斜坡的短热处理方案是优选的。

利用Bean的临界状态模型从磁环确定所比较导线wA-wC的临界电流密度，以建立磁滞环宽度Δm与临界电流密度之间的关系。假设被测样品被磁场完全穿透，将Δm与Jc可以得出当前流动几何形状。在圆柱形MgB的情况下磁芯，临界电流密度根据以下公式获得：

其中ΔM是磁滞环的宽度除以MgB的体积核心，d是核心直径。用于通过IMD工艺制成的电线，产生环形MgB2核心如图所示。1（a），所有公式必须乘以考虑空心几何形状的因子。

图3（a）显示了振动样品磁力计在外部磁场1–9T（单位为B||和B⊥）和温度5–25K下测量的wB导线的临界电流密度。c(B，T）垂直场中导线的值与J相同c单核镁B2/Ti/Cu线材采用IMD工艺制成，并在640°C/60min下退火，这是由于足够致密的硼粉在Al+Al内部变形的结果。

虚线表示Jc平行场的值，与温度5-15K的垂直场非常相似，在温度高于20K时仅略有降低。小Jc垂直场方向（电流沿管状核心流动）和平行磁场方向之间的差异反映了MgB的出色均匀性由IMD工艺创建的化合物。

与大J相反的行为cB||之间的差异和B⊥在MgB中观察到通过原位PIT工艺制成，这主要归因于由线材变形引起的纹理，并导致纵向和横向上的不同“孔隙率”或“连通性”，图3（b）显示了wA、wB和wC样品在4.2K时的运输工程电流密度（按导线的整个横截面计算）。最高Je测量的wA由于T.max=646.5°C，接近Mg的熔点所提出的IMD工艺，在低于650°C的温度下的机理考虑了Mg快速扩散到硼粉中并随后产生MgB2阶段。

比较MgB的电阻跃迁层相似，但临界温度的系统降低（Tc=37.00K-wA、36.89K-wB和36.87K-wC）和R（T）跃迁的小幅展宽（ΔTc=1.90K-wA，2.03K-wB和2.15K-wC）可以观察到。它反映了产生的MgB的组成和纯度相位和与J的相关性。

仅略微降低wB线的峰值温度（642.5°C），J降低约10%e与wA线相比，但Je与wA相比，在视场37T处的wC导线降低了6%。图3（b）还显示了传输与磁性J之间的关系e（来自VSM），用于wB导线，其中磁性Je从运输中观察到一个。考虑到不同的电流，以及沿核心轴和核心轴之间没有完全相同的连接，它可以合理化。

图中还显示了在4.2K下受到轴向张力的当前导线的临界电流变化。由于Ti和Al的热收缩比MgB大，冷却至4.2K会导致作用在MgB上的压缩应力层并降低临界温度和电流，施加的轴向张力部分补偿压力应力，因此临界电流增加到不可逆应变水平（内部收益率），其中脆性MgB的断裂导致彻底退化。

然而，在640°C峰值温度下退火的wC线材具有最高的内部收益率=0.342%，甚至与用GlidCop护套加固的单芯IMD导线的应变极限相当，参见图中的填充圆圈。GlidCop是分散强化铜，已经有效地用于一些MgB2电线，表1显示了不可逆应变内部收益率和不可逆的压力，σ内部收益率测量的wA-wC，与护套显微硬度HV密切相关，0.005–wA～43GPa最低，wC～68GPa最高。

所提出的微观结构研究清楚地表明，Al+Al的不同Al2O3晶粒结构护套强烈影响钢丝对轴向张力的响应。AI+AI2O3是足够坚固的超导线的合适材料，但最终热处理的条件必须非常精确地控制。图4显示了不同的应变公差，这些应变公差受到影响护套微观结构的退火的强烈影响。

虽然wA导线中的表观临界电流退化发生在141MPa的拉伸应力下，这是由于Al没有更稳定的晶界2O3分散体，wC线能够承受214MPa的更高应力。由于多晶结构和晶粒尺寸wC导线的机械强度比wA导线的机械强度高25%，wA导线的特点是具有子晶粒的大晶粒和低角度晶界。

通过显微硬度（HV）观察到类似的相关性数据，从HV下降0.005=68至43，峰值温度分别从640°C增加到646.5°C。尽管如此，实现的高压0.005=43对于铝2O3wA线的护套仍然远高于纯Al（HV0.005=27）。

由于Al2O3有效稳定的低角度晶界的致密网分散体。观察到的差异仅归因于Al+Al2O3的结构变化材料（并形成较厚的铝3Ti层）经受不同的热处理。因此，必须应用精确选择的热处理以形成高电流密度MgB2核心以及高强度铝+铝2O3鞘和Ti扩散屏障在鞘界面处具有有限的界面反应。

基于MgB2计算导体质量/Ti/Al?+?Al2O3与典型的MgB2相比，可减轻至少2.5倍的重量，相同横截面尺寸的Nb/Cu线清楚地概述了最轻的MgB2的潜力，Ti/Al?+?Al2O3超导线与任何其他金属或陶瓷超导体相比。因此，提出了镁B2线材满足超导体电气和机械性能的苛刻要求，以实现高效的超导和轻质应用。

单核镁B2线材通过内部镁扩散（IMD）制成硼工艺。将直径为99.99mm的纯Mg2.9%棒精确定位在内径为99.99mm，外径为5.5mm的Ti7.2%管的中心轴上。Ti管和镁棒之间的自由体积由B99.8%粉末（<1μm尺寸）填充在纯氩气气氛下的手套箱中。在量子设计系统的PPMS中，由振动样品磁力计（VSM）选项测量的磁滞环在?2至+9 T之间记录，在6-3 K的温度范围内（以5 K步长）的恒定场扫描为25.5 mT/s，并且磁场垂直并平行于线轴。利用Bean的临界状态模型，临界电流密度JC-Mag被确定。