鈮鈦系超導合金介紹

鈮鈦系超導合金簡史

鈮鈦超導合金在50年代開始為美國人所研究，最初由於未得到高場下的大電流密度，而沒能很快地開發和生產。
到1961年，美國人哈姆(J．K．Halm)等人在該國《物理評論》刊物上第一次報道了鈮一鈦超導合金的Tc。
1962年美國人柏寧柯特(T．G．Berlincounrt)等人首先發表了鈮一鈦超導合金的Hc2與高的Jc，同年美國人馬賽厄斯(B．T．Mathias)在美專利中報道了第一個鈮鈦超導材料磁體。
此後，鈮一鈦超導合金材料在國際上走上應用開發階段。

鈮鈦系超導合金(niobium-titanium superconelucting alloys)

現有超導電技術中，鈮鈦超導合金是用得最多的一種超導電材料。
質量比近乎l：1的Nb-Ti合金具有良好的超導電性能，其超導臨界轉變溫度Tc=9．5K，可在液氦溫度下運行，它在5T(5萬Gs)磁場下，傳輸電流密度Jc≥105A／cm2(4．2K)；最高應用場可達10T(10萬Gs)(4．2K)。
合金還具有優良的加工工藝性能，可通過傳統的熔煉、加工和熱處理工藝得到超導線材和帶材制品。
因此從60年代開始研究後，很快進入了工業化規模生產。
美國在70年代末年產量就達到了百噸；中國在80年代前後也建成了試制生產線。

實用Nb-Ti超導材料大多是簡單二元合金，含35％～55％Nb；可添加部分鉭和鋯來改善超導性能。
由於超導穩定性原因，Nb-Ti超導材料常用純銅、純鋁或銅鎳合金作為基體材料，嵌鑲入多股Nb-Ti細芯組合成複合多芯超導材料。
一根超導線可包含有數十股至上萬股的Nb-Ti芯，芯徑最小達到1μm。
另外，根據使用場合不同，還常常要把多芯線進行扭轉和換位，達到降低損耗和增加電磁穩定性效果。

Nb-Ti超導材料的基本加工工藝是：用自耗電弧爐或等離子爐將純鈦和純鈮熔煉成合金錠，後經熱擠壓開坯，通過熱軋和冷拉成棒材；再將Nb-Ti合金棒插入作為基體材料的無氧銅管，複合成單芯棒；並經多次複合組裝，加工成多芯Nb-Ti超導線材和帶材。
需將材料經受多次大的冷加工(加工率90％以上)和低溫(400℃以下)時效熱處理，使超導體獲得足夠的有效釘紮中心，提高超導材料的超導電性能。
由於超導體零電阻效應帶來無焦耳熱損耗的特點，以及Nb-Ti超導體在強磁場下能承載很高輸運電流的能力，使Nb-Ti超導材料特別適合在大電流、強磁場的電工領域應用。
例如：高場磁體、發電機、電動機、磁流體發電、受控熱核反應、儲能裝置、高速磁浮列車、船舶電磁推進和輸電電纜等。

迄今，Nb-Ti合金超導材料最成功的應用是：直徑超過1km的大型回旋高能加速器和醫療部門廣為使用的磁核共振成像診斷儀。
盡管80年代中期科學家發現了能在液氮溫度(77K)下運行的銅氧化合物高溫超導體；但鈮鈦合金超導材料憑借自身獨有的優良加工成材性能，良好低溫超導電性能，相對低廉的成本和幾十年研究生產及應用開發經驗，鈮鈦合金仍然是當今世界最重要的實用超導電材料。

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