二硼化镁超导线材的超声拉拔及其机理研究

There are inhomogeneity of size, microstructure and interface during the process of kilometer-MgB2 wires, which results in the declining of superconducting properties and seriously limits its application in superconducting magnet and superconducting magnetic resonance imaging field.Ultrasonic drawing is an effective method for resolving the issues of breakig and defect of wires during the process.The technique of ultrasonic processing was introduced to fabaraction of long length multi-filament MgB2 wires by in situ powder in tube (PIT) methods.The focus of this project is to study the relationship between stress and strain for MgB2 composite wires under ultrasonic vibration condition and establish the constitutive equation of the the complex.Based on the mechanics analysis and finite element simulation, the effect and mechanism of ultrasonic vibration on stress and strain during drawing of MgB2 wires are investigated.The key processing factors for kilometer-MgB2 wires by ultrasonic drawing will be obtained.The results offer the theoretical guidance for stably fabraction of high performance MgB2 superconducting wires.

制备千米级MgB2超导线材时容易出现线材尺寸、微观组织及界面等不均匀现象，从而导致线材超导性能下降，影响其在超导磁体、超导磁共振成像系统等领域的实际应用。超声拉拔技术能够有效地改善线材加工过程中断线和表面及内部缺陷等问题。本项目提出将超声加工技术引入原位粉末套管法（PIT）多芯MgB2长线带材的制备过程，通过研究超声振动环境下MgB2复合线材的应力应变关系，建立复合体的本构方程。在力学数学分析和有限元模拟基础上，研究超声振动对线材拉拔过程的应力和应变影响规律及作用机理,获得超声拉拔加工千米级多芯MgB2线材的关键工艺因素，为高性能MgB2线材的稳定制备提供理论指导。

MgB2超导体在制冷机工作温区（10-20 K）、中强磁场（0.6-3 T）的超导磁共振成像系统（MRI）等应用领域具有明显的优势，是目前国际超导材料研究的热点之一。发展千米级MgB2超导线材批量化制备技术，不但可以促进我国超导材料基础研究水平的提高，而且可以为研发出具有我国自主知识产权的商用MgB2超导MRI系统奠定坚实的基础。本项目在深入分析了MgB2线材加工过程中的断裂机制基础上，对超声振动环境下的MgB2线材力学行为进行了研究，探索了施加超声振动后MgB2线材的应力变化规律。通过深入分析实验数据，引入合适的变量，建立了MgB2线材的本构方程。通过对MgB2超导线材常规拉拔和超声振动拉拔时的工作状态进行分析，分别确立了常规拉拔和超声振动拉拔状态下的力学平衡微分方程。同时构建了减径区和定径区的摩擦应力分布和拉拔力的数学模型，并采用 MATLAB软件进行编程对其数值进行了求解。在利用ABAQUS软件对MgB2超导线材加工过程模拟基础上，获得了超声振动对加工过程中摩擦应力和拉拔力的影响规律。通过MgB2超声拉拔验证实验，考察了超声振动对拉拔力、拉拔速度等重要工艺参数的影响。通过研究不同中心增强材料对MgB2线材力学行为和超导性能的作用，发现CuNb复合材料是最适合作为MgB2多芯线材的增强芯。采用ex-situ法制备了12芯MgB2超导带材，创新性提出了快热空冷的热处理工艺，获得了较高性能的MgB2超导带材，制备的多芯带材在4.2K、2T时， 临界电流密度（Jc为）0.88×105A•cm-2。项目运行期间，先后在国内外学术期刊上发表学术论文11篇；申请发明专利10项，其中授权发明专利6项，达到预期结果。本项目的研究结果将为实用化MgB2超导线材的制备技术提供理论指导，同时为采用PIT工艺加工的Bi系线材和铁基超导线材等其他超导材料制备提供参考。