Nb(Al)ss过饱和固溶体形态对Nb3Al超导性能的影响及机理研究

Applications of Nb3Al superconducting materials have great prospects in the field of high magnetic field. However, the main factors that limit its large-scale application are the high cost in the production and the low performance due to the element segregation in the superconducting A15 phase. This project is aiming to explore the high performance Nb3Al superconducting materials and enhance the practicality, by improving the preparation technique.. Based on our previous research, we plan to start with analyzing the phase structure and morphology of Nb (Al)ss saturated solid solution, and comparing with the phase structure and morphology of Nb (Al)ss saturated solid solution prepared by RHQT method reported by foreign literature. Our research group has independently developed the first domestic RHQT apparatus. On this platform we plan to use the Controlled Variable Method to explore the optimal process parameters for the phase structure and microstructure of Nb (Al)ss oversaturated solid solution and Nb3Al superconducting A15 phase. Also, we propose an analyzation method that combines the first principle simulation and experimental results. Using this method we plan to explore the growth mechanism of the A15 superconducting phase and the factors affecting the critical current density (Jc) of Nb3Al superconducting material, and therefore improve the preparation process of the precursor.

Nb3Al超导材料虽然在高磁场领域有着广阔的应用前景。但是，目前制约Nb3Al超导材料大规模应用的主要因素是成本高昂的制备技术和超导A15相的元素偏析导致的性能较低。本项目正是以探索制备具有高性能、实用化的Nb3Al超导材料为研究目标，在课题组前期研究的基础上，从分析Nb(Al)ss过饱和固溶体物相结构及形态与国外文献中报道的采用RHQT法制备过程中形成的过饱和固溶体物相结构及形态的差别和联系角度入手，基于课题组自主研制的国内首台RHQT设备平台，采用控制变量法探求影响Nb(Al)ss过饱和固溶体和Nb3Al超导A15相的物相结构及微观形貌的最优工艺参数。同时，提出采用第一性原理模拟计算和实验数据结果结合分析的方法，对超导A15相的成相机理和影响Nb3Al超导材料临界电流密度（Jc）的因素进行探索研究并反馈调节前驱体的制备工艺。

超导电技术是21世纪具有极大发展潜力和广阔市场前景的高新技术之一，而Nb3Al超导材料便是这一领域当前研究的热点。Nb3Al在高磁场领域有着广阔的应用前景。但是Nb3Al超导材料可商业化生产制造的工艺尚未建立。目前制约Nb3Al超导材料大规模应用的主要因素是复杂而且成本高昂的制备技术。. 针对以上问题，首先，我们分析研究了国内外超导Nb3Al长线材的研究背景及研究现状，结合课题组现有研究基础和条件，作为主研人员成功研制了国内首套快热快冷（RHQ）热处理装置，设计要求可实现千米级长度的超导Nb3Al线材的制备和生产加工，现已投入使用。该设备的特点是：可实现0.1秒内将Nb/Al前驱体导线加热至2000 ℃，并淬火到室温的千米级线材连续加工要求。同时，在后期运行中，我们发现了RHQ热处理过程容易断线的问题并分析原因，采用同步传动方案对RHQ设备进行了升级改造，缩短了设备改造的工期、降低了设备改造的费用，以“短平快”的方式达到了验证预期改造的目的，实现了前驱体线材在RHQ热处理过程中的零张应力运行，显著降低了线材断线几率。最后，在采用同步传动方案对RHQ设备进行了升级改造的基础上，我们成功制备了实用化高场超导Nb3Al线材，同时通过对样品微观结构、组成成份及超导性能方面的测试分析，深入研究了超导Nb3Al长线材的制备工艺、成相机理及超导性能。. 综上所述，本项目研究工作，在国内首次开发出一种行之有效的制备Nb3Al超导材料的设备，这方面创新的研究工作，填补了国内相关研究领域的空白。与此同时，该套国内首套快热快冷（RHQ）热处理装置，本课题组已经成功应用在制备千米级MgB2超导体的热处理工艺流程中，取得了可喜的成果。与传统方法相比较，节省了MgB2超导体加工成本，提高了生产效率。因此，本项目的研究工作为我国实现千米级超导Nb3Al长线材大规模实用化生产应用奠定了坚实基础。