高性能Nb3Al超导材料的制备及成相特征与性能研究

Nb3Al superconductor has broad applications in future magnetic confinement fusion reactors and other high magnetic field magnets. The key to achieve these applications is to clarify the preparation technology and low temperature, mechanical, electromagnetic properties of Nb3Al superconductor. This proposal is aimed to develop of a series of new preparation technology, such as arc smelting method, magnetron sputtering, hot isostatic pressing, electrolytic reduction and infiltration technique, self-propagating high temperature synthesis, and vacuum deposition, to construct novel structure and performance materials on the basis of Nb3Al superconductor through adjusting the reaction process parameters and elemental doping. The phase structure, chemical composition, superconductivity, electromagnetic properties and mechanic properties of the Nb3Al superconductor are investigated in detail. Investigate the relations between the composition, crystal structure and superconductivity, electromagnetic properties and mechanic properties, as well as the relations between the crystal structure, performance and preparation process parameters. Emphasis is placed on the phase characteristics of Nb3Al superconductor. The preparation processes of Nb3Al superconductor are optimized to obtain the laws of physics features and structure of the phase diagram. This study is supposed to solve the key fundamental issues of the Nb3Al superconductor application to magnetic confinement fusion reactor magnets.

Nb3Al超导线材在未来磁约束核聚变堆和其它高磁场磁体中具有广阔的应用前景，Nb3Al超导材料的制备技术及其低温、力学、电磁学性能的研究是实现其应用的关键。本项目拟在现有Nb3Al超导材料制备技术的基础上，探索一系列新的制备技术如电弧冶炼法、磁控溅射法、热等静压法、电解还原和渗透法、自蔓延高温合成法、真空蒸镀法等，通过调整反应工艺参数并结合掺杂工艺获得一系列不同结构和性能的Nb3Al超导材料。对所获得的Nb3Al超导材料的相结构、化学成分、超导性能、电磁性能及力学性能等进行全面表征，通过研究组成、晶体结构与超导性能、电磁性能和力学性能的关联，以及晶体结构、性能与制备工艺参数的关联，重点探讨Nb3Al超导材料的成相特征，归纳、总结系统的物理规律特性与结构相图，获得优化Nb3Al超导线材的制备工艺，以解决Nb3Al超导材料在磁约束核聚变堆磁体应用中存在的关键基础性问题。

Nb3Al超导材料在未来磁约束核聚变堆和其它高磁场磁体中具有广阔的应用前景，与Nb3Al超导线材及磁体相关材料制备技术及其低温、力学、电磁学性能研究是实现其应用的关键。本项目拟在现有Nb3Al超导线材制备技术的基础上，开展Nb3Al 超导线材料的设计、加工和热处理等一系列关键技术研究，进行Nb3Al 超导线材料的结构设计与优化，利用热分析仪、低高温X-射线衍射仪、x-光电子能谱、多功能物性测试仪、扫描电镜等多种实验手段, 全面地研究Nb3Al超导材料的相结构、化学成分、电阻、磁性能及磁通钉扎等组成、结构和性能,重点探讨材料微观结构和性能的稳定性, 及二者与超导及电磁性能的相互关系，归纳、总结系统的物理规律特性与结构相图，并解决Nb3Al超导材料在磁约束核聚变堆磁体应用中存在的关键基础性问题,优化Nb3Al超导线材的制备工艺。通过研究Nb3Al成相规律与微观结构、缺陷态控制机理、研究其微观结构与超导和力学性能的关联，逐步对Nb3Al超导材料的高场特性和磁通钉扎机理有了较为深入的认识。我们发现，高纯Nb3Al的获得可以有多种途径，除了传统的高温成相途径外，通过机械合金化也可以获得较为纯净的超导相。此外，利用元素掺杂也可以显著降低该体统的成相温度，从而降低制备成本。然而，各种不同的途径获得的材料其性能在高场下显著不同：即结构上的纯相并不能保证在高场下获得相同的性能，而局部结构和成分的差异起着十分关键的作用。这些发现为调控Nb3Al在高场下的超导性能指明了方向。