稀有金属 2000,(06),454-456 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2000.06.012
Ag/AgCu复合基Bi-2223多芯超导带材的研究
周贻茹 邓华
北京有色金属研究总院!北京100088,北京有色金属研究总院!北京100088,北京有色金属研究总院!北京100088
摘 要:
采用PIT法制备AgCu包套Bi 2 2 2 3多芯超导带材 , 研究了合金包套对带材超导性能的影响。合金包套影响带材内部芯丝变形的均匀性 , 一定程度上改善超导相的织构度 , 临界电流因此而有提高。同时 , 超导带材的临界电流 抗拉强度性能、耐热疲劳能力均有不同程度的提高。
关键词:
铋系带材 ;银铜合金化包套 ;超导电性 ;
中图分类号: TG14
收稿日期: 2000-01-27
Study of Multifilamentary Bi-2223 Superconducting Tapes Sheathed with Ag/AgCu
Abstract:
The Ag Cu alloy sheathed multifilamentary Bi 2223 tapes were fabricated by powder in tube (PIT) method. The effect of alloy sheath on critical current density of the tapes was studied.The result indicates that the alloy sheath has effect on the deformation homogeneity and the texture of the superconducting ceramics, and therefore improves the critical current density, the tensile strength and thermal circling properties are also improved.
Keyword:
Bi 2223 tapes; Ag Cu alloy sheath; Superconductivity;
Received: 2000-01-27
粉末装管法制备 Bi-2223 超导带材已进入实用化的应用开发阶段, 与常规低温超导材料相比, 高温超导带材所面临的困难之一是如何稳定地制备几百至上千米带材, 及如何避免带材的 I -V 特性发生退化, 以利于电缆和磁体等方面的应用。也就是说, 不仅要求带材具有较高的超导性能, 而且要求载流条件下具有一定的机械性能。有效地解决办法是包套材料合金化。但是, 采用银合金作为包套材料, 在热处理时会影响超导性能
[1 ,2 ,3 ]
。本研究用纯银作为内包套, 银铜作为外包套, 制备了多芯超导带材, 在提高带材性能的同时, 防止了对超导性能的不利影响。
1 实验方法
用粉末装管法制备 Ag (内包套) /Ag (外包套) 、Ag (内包套) /AgCu (外包套) 、AgCu (内包套) /Ag (外包套) 三种包套组合的多芯带材, 加工和热处理的工艺相同。
样品的临界电流采用标准四引线法测试, 判据为 1μV/cm。对最终样品截取各 30 cm 进行热循环测试 (带材放置入 77K 的液氮中, 测完性能后拿出, 从 77K 自然回温至室温, 如此反复) ;截取 5 cm 样品进行临界电流-抗拉强度测试;剥去带材表面包套, 利用 X 射线衍射 (MAC Science M18XAHF 型衍射仪, 功率:10kW, CuKα射线) 分析样品的相组成。
2 结果与讨论
2.1 合金包套对耐热疲劳性能的影响
图1所示为带材临界电流 I C 与 n 值随热循环次数变化曲线。从图中可以看出, n 值比临界电流下降得快;合金包套带材比纯银带材的n 与 I C 不容易退化。热循环引起退化的机制有两种:一种是液态的冷却剂通过带材的微小孔隙进入带材内部, 再回温过程中气化而致使带材“起泡”, “起泡”现象在长带中出现的机会较多, 与带材加工的不均匀性有关;另一种机制是带材包套与超导芯膨胀系数差异和局部温度差异导致内应力的产生。在本试验中, 退化的带材未发现“起泡”现象, 退化应是第二种机制在起作用。有数据表明, 银与 Bi-2223 的热膨胀系数分别为 21.6×10-6 K-1 和 13.6×10-6 K-1 , 在反复的冷热循环过程中, 膨胀系数差别导致的内应力和带材各部分温度不同导致的应力, 会使包套发生塑变, 逐渐失去保护超导芯的能力。而正因为合金包套的强度高, 保护能力强, 合金包套带材的性能就好于纯银包套带材。
2.2 合金包套对超导相形成的影响
图2所示为最终处理带材除去表面包套后超导芯的衍射谱, 可以看出, 对于内包套为合金的带材, 非高温超导相的含量高于内包套为纯银的带材。通过对银超界面的元素分布分析, 可以发现存在铜向超导相扩散的迹象, 表明合金元素的扩散影响了 2223 相的形成。另外, Ag/AgCu 带材中 2223 相的含量低于 Ag/Ag 带材。这与包套材料的透氧能力有关。银作为包套材料, 对氧有选择性透过能力, 400℃以上氧将以原子固溶于固态银中, 溶解度随温度升高而增大, 在熔点处达到最大。有研究认为, 银套能够降低带材内的有效氧分压, 从而促进 2223 相的形成。Ag/AgCu 合金包套的氧固溶能力比纯银要低, 带材内氧的释放过程受到阻碍, 则界面附近的有效氧分压相对较高, 这样就不利于 2223 相的形成。
图1 IC与n值随热循环次数变化曲线
·—合金包套归一化 IC;。—合金包套归一化n值;▼—银包套归一化 IC;?—银包套归一化n值
图2 三种不同包套带材的超导芯表面衍射谱
a—Ag/Ag;b—Ag/AgCu;c—AgCu/Ag
表1 给出了不同带材的表面织构度和 2223 相的含量, 外包套为合金的带材织构度高于纯银带材, 性能最好。内套为合金的带材 2223 相含量最低, 织构度也最低, 与比较低的临界电流值相一致。合金作为内套和作为外套具有不同的织构度, 与加工过程中应力在横截面上的分布状态密切相关, 这是因为外包套起着向带材内部传递变形力的作用, 影响超导芯的形变, 合金外套的机械强度高, 轧制过程中向内传递的轧制力大。因此, 内套及超导芯的变形比较充分, 使得 2223 晶粒的形变定向性及随后热处理的熔融定向性改善。
表 1 不同带材超导芯表面织构度和 2223 相的含量 下载原图
表 1 不同带材超导芯表面织构度和 2223 相的含量
2.3 合金包套对带材机械性能的影响
图3显示归一化临界电流随拉应力变化的曲线。在低应力下, 应力对 I C 没有影响, 当超过某一临界值时, I C 开始退化。银包套带材易于退化, 退化速度较快。合金包套带材不易退化, 退化速度较慢。
图3 归一化临界电流-拉应力曲线
1—合金包套带材;2—银包套带材
一般认为, 多芯带材的临界电流在拉应变状态下出现退化的原因是由于超导芯发生断裂。图4给出 BSCCO 超导芯与包套材料的应力应变示意图。纯银的屈服应变和 BSCCO 的临界应变分别为 ε Cl 与 ε C2 , 合金套相对高一些, 可以将带材的强度定义为超导细芯到达临界应变 ε C 时的带材承受的应力, 带材的强度可按公式计算:σ =ε ·E, E 为带材的杨氏模量。超导带材作为复合材料, 杨氏模量可由包套材料和超导芯丝的性能计算, 由于合金的屈服强度和杨氏模量高, 合金包套带材的杨氏模量应高于纯银包套带材的杨氏模量, 因此合金包套带材载流条件下的强度得以提高。
图4 BSCCO 与包套材料的应力应变示意图
3 结论
与纯银包套及合金内包套相比, 合金外包套的采用不仅提高了超导带材的载流条件下的机械性能, 而且加强了耐热疲劳能力, 改善了带材的织构度, 从而可以获得较高性能的铋系多芯超导带材。
参考文献
[1] 陈少飞 高温超导电缆导体层的设计与研究 :[硕士学位论文 ] 北京 :中科院电工所 , 1998
[2] 段镇忠 低温物理学报 , 1999, 2 1 (增刊 ) :4 82
[3] LeghissaMetal.IEEETrans .Appl .Supercond .1997, 7 ( 1) :355