（材料学专业论文）ti5nb人工钉扎nbti超导体的磁通钉扎特性.pdf

东北人学硕士学位论文 摘要 t i 5 n b 人工钉扎n b t i 超导体的磁通钉扎特性 两要 2 0 世纪8 0 年代末，人们通过在n b t i 超导体巾直接引入钉扎相， 形成所谓的人工钉扎中心( a p c ：a r t i f i c i a lp i n n i n gc e n t e r ) ，来提高 n b t i 超导体的载流性能。由于这种方法可以控制人工钉扎体的尺寸并 月- 可以选择人工钉扎体材料，所以被认为是提高n b t i 超导体j c 的关 键技术。目前，制备的人工钉扎超导体绝大多数是n b 人工钉扎的n b t i 超导体。虽然n b 人：【钉扎的n b t i 多芯超导线的载流能力在低场下有 了显著的提高( 超过了常规n b t i 超导体) ，但是在中高场下，a p cn b t i 超导线的j c 值随着磁场的增加迅速下降。而且磁通钉扎力的峰值凡 对应的磁通感应强度仅为0 2 5 h 。? ，h 。，( 厅= 剧h 。? ) 为o 2 5 ，约在2 5 t 。 产生这种现象的主要原因【2 5 】是作为钉扎中心的n b 邻近长度f ( p r o x i m i t yl e n g t h ) 比o t i 的大得多，导致n b 钉扎中心在较大的尺 寸下就与基体之问发生了邻近效应，使其钉扎力减弱，所以在中高场 下容易发生磁通流动，从而使载流性能大大减弱。常规n b t i 超导体中 n t i 的尺寸和分布对超导性能有着关键的作用；钉扎力峰值r 。，对 应的磁通感应强度约为0 5 仉2 ，约在5 t 左右。如果用n t i 作为钥。扎 材料来制备人工钉扎n b t i 超导体，与n ba p cn b t i 超导体相比，其钉 扎力的峰值应该在更高的磁场下。并且由于采用人工钥+ 扎工艺，还可 以克服常规工艺中a t i 数量难以大量增加的缺点。针对这一设想，本 研究首次以邻近长度较短的t i 5 w t n b ( a t i ) 作为人工钉扎材料，制 备了岛状t i 5 n b 人工钉扎n b t i 超导多芯线；研究了t i 5 n ba p cn b t i 多芯超导体的磁通钉扎特性；并对磁通钉扎机制进行了详细分析。 在不同的加工阶段取样，进行微结构分析。分析结果表明： t i 5 n b 在横截面上由圆形向弯曲的条带状转变，并且随着进一步的变形，宽 厚比增大，弯曲的程度增加；在纵截面上呈连续的细长纤维状：与常 规n b t i 中的旺t i 的形貌相比具有两个显著的特点：横截面上弯曲的条 带状和纵截面上连续的纤维状。对经过不同热处理的超导多芯细线的 芯丝形貌进行了分析，结果表明经过软化处理的超导复合线的芯丝质 量较好，表面光滑、干净、尺寸均匀。 研究了具有岛状t i 5 n b 人工钉扎中心的n b t i 超导多芯复合线在不 i i 东北人学硕 ：学位论立 摘要 同热处理和不同线径f 的磁通钉扎特性，结果表明：适当的增加人工 钉扎中心的数量密度，适当的时效热处理，均有利于提高复合线的磁 通钉扎力密度：在一定的范围内，随着线径的逐渐减小或者人 _ 钉扎 中心尺寸的减小，复合线的钉扎力峰值逐渐增加，并且向更高的磁场 移动。 将具有岛状t i 5 n b 人工钉扎中心的n b t i 超导多芯复合线与具有岛 状n b 人工钉扎中心的n b t i 超导多芯复合线进行了磁通钉扎特性的对 比，发现：具有岛状t i 5 n b 人工钉扎中心的n b t i 超导多芯复合线的磁 通钉扎力密度峰值r 。出现在更高的磁场下，t i 5 n b 是一种更具高场 优势的人工钉扎材料。因此采用邻近长度较短且塑性较好的材料作为 人工钉扎中心，是提高人工钉扎n b t i 超导体巾高场下的载流性能的一 个有效途径。 对具有岛状t i 5 n b 人工钉扎中心的n b t i 超导体复合体进行了磁 通钉扎机制的详细分析，认为该超导体的磁通钉扎特性由正常相钉扎 和a k 钉扎相结合的机制决定。并且根据此结论对经过不同热处理的、 不同线径的样品进行了系列的拟合计算，结果与实验数据能很好的符 合，这证明了结论的正确性。拟合的结果还表明：对于人工钉扎中心 含量较高的2 撑样品和经过时效热处理的1 # 样品，证常相钉扎机制占据 了更加主要的地位，钉扎力密度的峰值凡。和峰位h 。，主要由正常相 钉扎机制决定；随着线径的减小，难常相钉扎力密度和a k 钉扎力密度 均有不同程度的提高，这是总钉扎力密度随着线径的减小而增加，总 钉扎力密度峰值随着线径的减小而向高场移动的主要原因；所有的样 品均存在一个共同点：在低场下的性能主要由j f 常相钉扎机制决定， 而在高场下的性能主要由4 婀扎作用决定。 关键词：人工钉扎中心邻近效应邻近长度钉扎力密度 正常相钉扎机制a i c 钉扎机制 i i i 尔北人学坝卜学位论殳 a b s t r a ( ： f l u xp i n n i n gi nn b t is u p e r c o n d u c t i n g c o m p o s i t e w i t ht i 5 n ba r t i f i c i a lp i n n i n gc e n t e r a bs t r a c t i nt h e19 8 0 s ，t o i m p r o v e t h e c a p a c i t y o fc u r r e n t t r a n s p o r t a t i o n ， a r t i f i c i a l p i n n i n gc e n t e r s ( a p c ) w e r ei n t r o d u c e dd ir e c t l y i n t ot h en b t i s u p e r c o n d u c t o r s a s p i n n i n gm a t e r i a l sc a nb ec h o s e n ，a n dt h e i rs i z esa n d d i s tr i b u t i o nc a nb e c o n t r o l l e d ，t h i s m e t h o di sc o n s i d e r e da st h e k e y t e c h n o l o g y t o i m p r o v ec r i t i c a l c u r r e n td e n s i t y ( 以) h i t h e r t on bi st h e f a v o ra p cm a t e r i a l f o rn b t i s u p e r c o n d u c t o rw i t hn ba p c ，t h e ，c i n c r e a s e dm a r k e d l yu n d e rl o w e rm a g n e t i cf i e l d ，h o w e v e r ，t h ej cd r o p p e d r a p i d l y w i t ht h em a g n e t i cf i e l di n c r e a s i n g t h em a g n e t i cf i e l da tw h i c h i h em a x i m u mi nf l u x p i n n i n g f o r c e d e n s i t y ( f p 口) o c c u r r e d i s o n l y 0 2 5 h c 2 ，t h a t ist os a y 。2 0 2 5 ( m d = h h c l ) ，a b o u t2 5 t c o o l e ye ta 1 2 5 】， c o n s i d er e dt h a tb e c a us et h ep r o x i m i t yl e n g t h ( “) o fn bi sb i g g e r t h a nt h eo n eo f 一t i t h ep r o x i m i t ye f f e c tw e r ei n d u c e db e t w e e nn b y ia n d n bw h e nn ba t b i g g e rs i z es ot h a tt h ef l u xp i n n i n gf o r c er e d u c e d ，a n dt h e f l u xw o u l df l o w e a s i l y a t h i g h e rm a g n e t i cf i e l d i n c o n v e n t i o n a ln b t i s u p e r c o n d u c t o r st h e s i z ea n dd i s t r i b u t i o no fd - t ip l a y e da k e yr o l e f or s u p e r c o n d u c t i n gp r o p e r t i e s t h e ( 凡州。x ) o c c u r r e di nh i g h e rm a g n e t i cf i e l d i fw eu s ed t ia sa p c ，t h e r ew i l lb et w oa d v a n t a g e s n o to n l yh 。w i l lb e g o tu p ，b u ta l s ot h ed i s a d v a n t a g ei nc o n v e n t i o n a ls u p e r c o n d u c t o r st h a tt h e n u m b ero f1 3 一t ic a n n o ti n c r e a s en l u c h s oi nt h is s t u d yw eu s et i 5 w t n b ( q t i ) a sp i n n i n g m a t e r i a l sw h o s e h i ss h o r t e rt h a nn bt w o s u p e r c o n d u c t i n gn b 4 7 w t t ic o m p o s i t esw i t his l a n d s h a p e d f i 5 w t n b a r t i f i c i a l p i n n i n g c e n t e rh a v eb e e nm a d ef i r s t t h et i 5 w t n bv o l u m e f r a c t i o ni nt h ec o m p os i t e si s1o a n d2 0 r e s p e c t i v e l y t h eb e h a v i o u ro f t h eb u l kf l u x p i n n i n g f or c ec u r v eso ft h et i 5 w t n ba p cn b t i c o m p o s i t esa t42 kh a v eb e e ns t u d i e d a n dt h ef l u xp i n n i n gm e c h a n i s m h a sb e e na n a l y z e di nd e t a i l i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em i c r o s t r u c t u r eo fa p cf i l a m e n ti nd i f f e r e n t s t a g e so fp r o c e s s h a sb e e no bs e r v e d c a r e f u l l y t h er e s u l ts h o w st h a ti nt r a n s v e r s es e c t i o n t i 5 n bi nr o u n d s h a p ec h a n g e t ob er i b b o n b e n d l ys h a p e a n di n l o n g i t u d i n a l s e c t i o na p p e a r ss l i mf i b e r w i t hf u r t h e r d e f o r m a t i o n ，t h e r i b b o nt i 5 n bb e n d s m u c h c o m p a r e d t ot h e a p p e a r a n c e o f 一t ii n c o n v e n t i o n a ln b t i c o m p o s i t e s ，t i 5 n b h a st w o a p p a r e n t c h a r a c t e r s ： b e n d l yr i b b o ns h a p ea n dc o n t i n u o u s l ys l i m f i b e r a f t e r o b s e r v i n g t h e f i l a m e n t s ，w ef i n dt h a tt h ef i l a m e n t sa f t e rs o f th e a tt r e a t m e n th a v es m o o t h a n dc l e a ns u r f a c e ，m o r e o v e rt h es i z ei sh o m o g e n e o u s t h r o u g hs t u d y i n gt h ef l u xp i n n i n gb e h a v i o u r ，w ec a ng e tt h a te i t h e r i n c r e a s i n gp r o p e r l y t h e q u a n t i t y o ft i 5 n bo r a p p r o p r i a t e t i m e dh e a t t r e a t m e n ti sb e n e f i c i a lt oi m p r o v i n gt h ef l u xp i n n i n gf o r c e w i t hr e d u c e d w i r ed i a m e t e ro rt h es i z eo ft i 5 n b ，t h ep e a kf d m 4 xi se n h a n c e dc o n t i n u a l l y a n dm o v e st ot h eh i g h e rm a g n e t i cf i e l d c o m p a r e dt on ba p c n b t is u p e r c o n d u c t i n gw i r e ，t h ef l u xp i n n i n g b e h a v i o u r so ft i 5 n ba p cn b t is u p e r c o n d u c t i n gw i r ei sb e t t e r t h ep e a k r 口，o c c u r si nh i g h e rm a g n e t i cf i e l d t h a ti st os a yt i 5 n bi sak i n do f a p cm a t e r i a lw i t ho b v i o u s a d v a n t a g e i n h i g h e rm a g n e t i c f i e l d s o c h o o s i n g m a t e r i a l sw i t hs h o r t e rha sa r t i f i c i a l p i n n i n g c e n t e ri sa n e f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h ev a l u eo fj ci nh i g hm a g n e t i cf i e l d t h ef l u x p i n n i n g m e c h a n i s mh a sb e e n a n a l y z e d i nd e t a i l i ti s t h o u g h t t h a ta l lt h ef l u x p i n n i n g b e h a v i o u si nt i 5 n ba p cn b t i s u p e r c o n d u t o rd e p e n d o nn o r m a lm e t a l p i n n i n g m e c h a n is ma n da r p i n n i n gm e c h a n i s mp i n n i n gm e c h a n i s m s a c c o r d i n gt o t h ei n c l u s i o nw e h a sf i t t e da l lc u r v e so ff l u xp i n n i n gf o r c ed e n s i t y t h ef i t t i n gr e s u l t sc a n k e e pg o o d c o n i n s i d e n c ei nt h e e x p e r i m e n t a l d a t a i t p r o v e s t h a tt h e i n c l u s i o ni sc o r r e c t a tt h es a m et i m et h ef i t t i n gr e s u l t sa l s os h o wt h a tf o r s a m p l ei # w i t hl e s st i 5 n b b o t h n o r m a lm e t a lp i n n i n gm e c h a n i s ma n da 盯 p i n n i n g m e c h a n i s ma r e i m p o r t a n t n e i t h e r o ft h e mi sd o m i n a n t t w o p i n n i n gm e c h a n i s md e c i d et h ep e a kd m d za n dh m o z ；f o rs a m p l e2 # w i t h m o r et i 5 n ba n ds a m p l e 1 稃a f t e rt i m e dh e a tt r e a t m e n t ，n o r m a lm e t a l p i n n i n gm e c h a n i s mi s d o m i n a n tw h i c hd e c i d et h ep e a kf p m a xa n dh m j v 东北人学坝l 学位论文 a b s t r a c t _ _ _ - - _ _ - - _ _ - - ，_ _ - - _ _ _ - _ - - _ _ w i t h r e d u c e dw i r ed i a m e t e r ，b o t hn o r m a lm e t a lp i n n i n gf o r c ed e n s i t ya n d a kp i n n i n gf o r c e d e n s i t y a r er a i s e dt os o m ed e g r e e ，w h i c hi s w h yt h e g r o s sf l u xp i n n i n gf o r c ed e n s i t yf 。i n c r e a s e sa n dm o v e st ot h eh i g h e r m a g n e t i cf i e l d ；t h e f l u x p i n n i n g f o r c ei nl o w e r m a g n e t i c f i e l di s d e p e n d a n tm a i n l y t on o r m a lm e t a l p i n n i n g m e c h a n i s m ，a n dt h e f l u x p i n n i n g f o r c ei n h i g h e rm a g n e t i c f i e l disd e c i d e d b y t h ea kp i n n i n g m e c h a n is m k e y w o r d sa r t i f i c i a lp i n n i n gc e n t e r p r o x i m i t ye f f e c t p r o x i m i t yl e n g t h f l u xp i n n i n gf o r c ed e n s i t y n o r m a lm e t a lp i n n i n gm e c h a n i s m a r p i n n i n gp i n n i n gm e c h a n i s m 声明 本入声嗳氍呈交的学位论文是在导羹摹懿籀导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致i ! i 的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过兹研究成莱，也不包括本人为获褥其链学蕴瑟使耀过兹材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 麴说明荠疲示谢意。 本人签名：刘；扦菊 强期：2 0 0 3 8 。5 束北人学硕j 学位论文 第一章绪论 l 。嘻前言 第一章绪论弗一早珀t 匕 n b t i 超导体由于具有较好的超导性能以及优良的加工性能，已经广泛应 用于低温工程中，是强电应用的主要超导材料，目前占整个超导材料消耗量的 9 0 莸右。 n b t i 台金其有越譬装是1 9 5 7 年发现翡【1 。1 9 6 1 年久髓善次提密菠蠲冷 加工和拉拔工艺制造n b t i 线的设想 2 。1 9 6 2 年b e r l i n c o u r t 和h a k e 发现了 n b t i 固溶合金在4 2 k 时有较好的超导性能 3 。1 9 6 4 年荚国w e s t h o u s e e 1 e c t r i c 公司用n b 6 5 w t t i 合金研究出世界上第一根n b t i 商晶超导线 4 ，线 秘缀4 0 0 时效热处理3 小时以后，进行了9 9 的冷加工。n b t i 线酶j 。值( 4 2 k ， 3 t ) 达l 。2 4 1 0 强m n 2 ，线径0 。6 3 5 m m ，妖浚仅有3 8 4 m 。| 9 6 5 年v e t r a n o 等 】 通过对n b t i 固溶合金进行冷加工及脱溶处理，获得了更高的临界电流密度。引 起了人们的广泛关注。1 9 6 8 年，p f s m i t h 等人从理论上指出，要真正使n b t i 多芯复合超导线显示其优越性，必须将n b t i 多芯复合线沿其轴向拧转 6 。1 9 6 9 年n b t i c u 多芯复台线踟美国麻省理工学黢磅铡成功。1 9 7 1 笨1 ) f 。n e a l 等人 在番舅究n b 4 4 w t t i 露发现，不藏冶金掰疆褥鑫豹洛仑兹力与位锾魏夔壹径藏爱 比 7 。1 9 7 2 年h i l l m a n n 等 8 采用冷加工和脱溶热处理。r 艺使n b t i c u 多芯 线的临界电流密度达2 o 3 0 1 0 3 a m m 2 ( 4 2 k ，5 t ) 。中国的西北有色金属研 究院 9 ，美国的华昌公司 1 0 等先后采用多次重熔工艺及高淤长时间均匀化热 处邂潞除不熔块及熬痰偏援，制备出了赢均匀性n b t i 合会锭，才1 使批量生 产较缀( l o g m ) 鹣蕊丝、赢藕赛电流蜜壤豹多葱n b t i c u 怒导荦搴藏为琨实。 1 9 8 2 年西北有色金属研究院 1 1 采用多次时效热处理和冷加工交替进行的_ l ： 艺将卿2 m m 多芯n b t i 超导线的临界电流密度提高到3 4 7 1 0 = a m m 2 ( 4 2 k ， 5 t ) ，这一成果被国际超导材料专家评价为“开刨了n b t i 嵩上研究的新纪元” 1 2 ，1 3 。1 9 8 5 年在这一王佟的基础上，爨t 有色金属研究藏与荚匿w i s c o r l s n 大学一起，将n b 4 6 、5 t i 合金线。五鬟麓副3 6 8 1 0 3 a r a m 2 ( 4 2 k ，5 t ) ，著致 力r 将此工艺应用于n b y i 超导线的生产上，使美、日、德、法生产的商品n b t i 线上火幅度提高，达到( 2 8 3 0 ) 1 0 3 a m m 2 ( 4 2 k ，5 t ) ，使美国建造超导 东北人学硕士学位论文 第一章绪论 超级对撞机的n b t i 线新标准提高到2 8 1 0 3 a m m 2 ( 4 2 k ，5 t ) 12 。九十年 代初，人们通过采用在n b t i 超导芯丝与c u 基体之间添加n b 阻隔层，消除 n b t i c u 界面c u t j 化合物的形成，显著改善了n b t i 芯丝的均匀性及表面质量， 从而制备出芯丝小于l u l t 【的高性能交流用n b t i c u 多芯线 1 4 。目前，常规工 艺的n b t i 超导多：i j ! ；线在4 2 k 5 t 下的上值为3 8 1 0 3 a m m 2 。与理论值序1 o 1 0 j a m m 2 相差甚远 1 5 一1 7 。p j l e e 等认为常规工艺的n b t i 超导多芯线的 上值停止不前的主要原因是：常规n b t i 超导体中，一t i 钉扎相的体积百分比 数难以超过3 0 ，但是其上值却随钉扎相的体积百分比( 在定范围内) 的增 加而增加 1 8 。 8 0 年代术，人们通过在n b t i 超导体的制备过程中直接引入钉扎相，即所 谓的形成人工钉扎中心a p c ( a r t i f i c i a lp i n n i n gc e n t e r ) 从而可以通过工 艺手段有效的调节n b t i 超导体中钉扎相的体积百分比。d o r o f e j v 1 9 等人通过 机器装配的方法制备a p cn b t i 超导体，其正值在4 2 k ，5 t 下接近3 5 x1 03 a m m 2 ， 在当时可以比得上最好的常规超导体的性能。i g ca d v a n c e ds u p e r c o n d u c t o r s 在制作大钉扎体积分数的a p cn b t i 超导复合体方面作了首次尝试，其n b 钉扎 相的体积百分比达到5 0 2 0 2 1 。同时，美国w i s c o n s i n 大学讨论了人工钉 扎的理想分布及a p cn b t i 超导体的理想模型 2 2 。从9 0 年代初开始，同本和 美国等国的科学家对a p cn b t i 超导体进行了广泛而又深入的研究，并取得了一 系列的成果。k a n a m em a t s u m o t o 等 2 3 通过在n b 5 0 w t t i 超导体引入体积百 分比为2 8 的n b 人工钉扎中心，使n b t i 多芯线的上值，在4 2 k ，5 t 和4 2 k ， 2 tf 分别达到4 2 5 1 0 3 a m m 2 、1 5 1 0 1 a m m 2 ，且无各向异性；日本古河公司 通过引入岛状的n b 人工钉扎中心，使n b t i 多芯线的五值提高到4 3 1 0 a m m 2 ( 4 2 k ，5 t ) 2 4 。目前，a p cn b t i 多芯超导体在4 2 k ，5 t 下的最高值为4 6 1 03 a m m 2 ( 4 2 k ，5 t ) ，由h e u s s n e r 等 2 5 于1 9 9 7 年取得。虽然人工钉扎中 心n b y i 超导体4 2 r ，5 t 下的电流密度j 。高于4 ，0 x1 0 1 a m m 2 ，已经超过了常规 n b t j 超导体；且4 ，2 k ，2 t 下上值是常规n b w i 超导体的2 倍多。但是在高场下， 尤其是高于8 t 的磁场下，a p cn b t i 超导体的j 。值却低于常规n b t i 超导体。这 极大的限制了人工钉扎中心n b t i 超导体在高场下的应用。进一步探索a p c n b t i 超导体的磁通钉扎机制，提高a p cn b w i 超导体在中高场下的临界电流密度，成 为同益紧迫的课题。 东北人学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 铌钛超导合金 1 2 1 n b t i 二元合金相图 n b t i 二元合金相图如图1 1 所示 2 62 9 。实用的n b t i 超导合金为单相d 型固溶体，这种成分的合金具有优越的冷、热加工性能，可达到较大的断面收 缩率。 c o m p o s i t i o n ，a t o m i cp e r c e n tn i o b i u m 01 0 2 03 04 05 0 6 07 08 01 0 0 01 02 03 。4 0 5 06 07 08 09 01 0 0 c o m p o s i t i o n ，w e i g h tp e r c e n tn i o b i u m 图1 1n b t i 二元合金相图【2 7 】 f i g | 1ap h a s ed i a g r a mf o rn b t ia l l o y 1 2 2n b t i 二元合金超导体中可能存在的相 n b t i 二元合金超导体中可能存在的相分为两种。一种为稳定相；一种为亚 稳相。 稳定相包括p 相和a 相。富n b 的p 相具有体心立方结构( b c c ) ，是n b t i 二 元合金超导体的基相。其本身为超导相，塑性良好。富t l 的d 相( 吼一t i ) 具有 密排六方结构( h c p ) ，n b 的含量仅为1 a t 2 a t ，其超导转变温度低约为1 k ， o。ojn_temp 东北人学硕l ：学位论文 第一章绪论 4 2 k 下是非超导相，可以作为有效的磁通钉扎中心。稳定的伍一t i 相和d 相之间 没有固定的位向关系。 亚稳定相包括2 个马氏体相( 和”) 和个( 0 沉淀相。 o 【马氏体是密排六方结构，具有与。【一t i 相相同的点阵参数，合金成分中 n b 占7 a t 。”马氏体是正交结构，是马氏体相与b 相之间的过渡相，在n b 含量较高处形成。由图1 1 可知，最常用的n b t i 合金含钛量约为4 4 一6 5 ( 重 量百分比) ，不在马氏体转变区内。 ( 1 ) 相分绝热c o 相和等温( 1 ) 相。绝热c o 相是在n b t i 合金成分很窄的范围内淬火 形成的；而等温( i ) 相是在等温时效时d 相向a 相转变过程中形成的弧稳相，其特 点是高度弥散分布于基体p 相中而且和p 相有一定的位向关系，可以成为有效的 磁通钉扎中心 3 0 3 2 。0 ) 相具有六方晶体结构( c a = 0 6 1 3 ) 。在含 8 6 a t 7 0 a t t i 的n b t i 合金范围内，通过b 相区淬火和4 0 0 5 0 0 温度范围 内的退火，可观察到截面为椭圆形的相，长轴约5 n m 1 0 n m 。冷加工和热处理 制度f ，n b t i 线中的( 0 相能生长到5 0 n m 的直径尺寸。 马氏体相和( 0 相的存在都会使n b t i 合金的塑性降低。但若在p 相区或a + p 相区内，长时间加热，所有的亚稳相均能转变为p 相或a + d 相。 1 2 3t i 含量对n b t i 二元合金超导体性能的影响 含t i 量不但直接影响n b t i 合金的物理和化学性能，而且也会影响n b t i 台金热处理后金相组织。对于b 相区内的n b t i 合金，与散射相关的性能，如电 阻率、热传导等将随t i 含量变化呈线性关系。图1 2 显示了b 相区内， n b t i 合余的上临界场魁，( 4 2 k ) 3 3 临界温度l 3 4 和j f 常态电阻率岛 3 5 随 成分的变化曲线。 n b t i 合金的上临界场峰值出现在4 0 5 0 w t t i 含量之间。在约4 4 t i 处取 得最大值，约为1 1 5 k 。t i 含量在约0 - 3 0 区间处，临界温度随t i 含量的增加 而缓慢增加：大于3 0 时，临界温度随t i 含量的增加而下降。正常态电阻率随 t i 含量的增加而增加。 从应用上来说，含t i 量在4 4 6 5 ( 重量百分比) 的合会用量最多。主要 是因为这种成分的合会经过沉淀热处理析出大量a t i 相后，仍具有很高的肛r 值，其疋值也较高。若希望在较低磁场下工作，可选用钛含量较高的成分；在 较高磁场下工作，可选用钛含量较低的成分。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 01 02 03 04 05 0 6 07 0帅 w e i g f l tp e r c e n tt i 图l2 n b t i 台金的上临界场h 。2 ( 42 k ) ，临界温度t 。 和正常态电阻率p 。随成分的变化曲线 3 3 - 3 5 】 f i g i2t h ev a r i a t i o ni n 以。a t4 2 k ，疋a n dr e s i s t i v i t yw i t h c o m p o s i t i o nf o rs i n g l ep h a s en b - t i 1 3 常规n b t i 超导体 1 3 1 常规n b t i 超导体的制备工艺 9 0 8 0 7 0 e u 6 0 蕾 5 0 专 蠹 正 4 0 3 0 2 0 n b t i c u 多芯线的制备一般采用多次挤压一拉伸工艺，典型工艺流程如图 1 3 所示。 熔炼高温均匀化 热开坯一次复合体 鹳回协国 4 2 0 8 6 4 2 o 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 真空焊封 一次挤压拉伸二次复合体 真空焊封 二次挤压拉伸真空时效热处理 拉伸扭绞检验 午画峨哥黾 图l3n b t i c u 多芯超导线典型的工艺流程图 f i g l3t h ep r e p a r a t i o nf l o wc h a r to ft i 5 n ba p cn b t iw i t hm u l t i f i l a m e n t s 1 3 2n b t i 超导体的显微组织 n b t i 合金超导体通常是经过多次强冷拉伸和沉淀热处理的单芯或多芯线。 典型的显微组织为有c t - t i 脱溶的位错胞结构。这种结构由沿着拉伸方向的丝状 亚晶和群聚在亚晶周围的高密度位错形成的管状壁垒组成。 ( 1 ) o 型n b t i 合金中的位错胞结构 位错胞结构和晓一t i 沉淀相被认为是n b t i 合金的重要“钉扎中心”。n b t i 超导体较大的冷加工变形易导致了位错胞结构的形成。n b t i 超导体的冷加工变 形量很大，通常的断面收缩率可达1 0 3 ：l 以上。冷加工工艺中，d 相晶粒被拉 得又细又长，同时在细长的b 相晶粒周围产生大量的位错纠结，即形成位错胞 壁。细长8 相晶粒及位错胞壁又统称为“亚带”组织或叫“纤维”组织。亚带 上的位错密度高达5 1 0 l l c m 2 3 6 。在冷加工初期阶段，亚带细化十分迅速， 东北夫学硕士学位论文 第一章绪论 但是冷拉伸到一定程度后，亚带细化速率减慢。n e e l 等人 3 7 发现，冷加工使 样品断面收缩达到i 0 3 ：l 之后，亚带尺寸几乎不再发生变化，在冷拉伸后进行 适当沉淀热处理线材中的亚带平均直径虽会暂时稍微增大，通过随后的冷拉伸 使亚带尺寸迅速减小。在同样的总断面收缩率下，热处理过的超导线中的亚带 不仅比未热处理的多芯线亚带宽度更小，而且排列的更加熬齐 3 8 ，3 9 ，这种 现象称为热处理过程中亚带的回复和软化。这种亚带的细化有利于j 。的提高 4 0 。 ( 2 ) 旺一t i 沉淀相 沉淀热处理开始阶段，薄薄的富t i 膜( 3 - 6 n m ) 分布在亚晶粒边界上，随 着热处理过程的进行，在晶粒的交叉处形成了呈等轴状分布的沉淀相，且尺寸 较大，直径约为1 0 0 2 0 0 n m 。随着冷拉伸的进行，b 型n b t i 基体形成又细又 长的亚带。平面应变以及晶粒边界的连续性，要求晶粒相互弯曲，因此导致了 旺一t i 沉淀相转变为高密度的弯曲的多带群簇，如图1 4 所示。 图1 4 常规n b 4 8 t i c u 多芯超导线典型的横截面照片 7 1 】 f i 9 1 4t h et r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p yp h o t o g r a p ho fac o n v e n t i o n a l l yp r o c e s s e d n b 4 8 w t t iw i r e t h et h i nl i g h tg r a yr i b b o n sa r ea - t i 1 3 3n b t i 超导体磁通钉扎机制 近几年来，对n b t i 超导合金的钉扎机制进行了大量的研究工作。基本上可 以定性的说明沉淀相( 一t i ) 和位错胞是n b t i 合金的重要“钉扎中心”。如果 末就人学硕士学位论文 第一章绪论 把沉淀相的颗粒大小、分敞状况和胞状位错结构适当匹配，就能得到优良的超 导性质。但是，超导体内部的钉扎作用是一个极其复杂的问题，很难对其相互 之闯的关系作出定量的嬲释。 f ) 位镶藏缝穆茨钌藐俘瓣 根据h a m p s h i r e 和t a y l o r 理论，可以较好的解释n b t i 台龛中的钉扎机制。 这种理论与实验室中所得的大部分结果相吻含，它对解释在低场的钉扎机制更 具有实际的指导意义。 这荦申理论是以一种假设为基础的。即磁遽“钉耗中心”若系熬状位错结构， 那么，在毽错照壁内藏熬有态瓣整锾密凄。鬻藏，常态奄孑懿乎瓣鑫峦路程叛 及它们的g l 参数抒大于笼施状位错内的芹德。胞状位错的尺寸变化范围由几埃 至几十壤。除了在很低的磁场以外，胞状位锚的尺寸都大于磁通线之间的距离 d 。因此，在这种情况下有几个磁通线与一个胞状位错相交，每个“钉扎中心” 与磁遭线格子的某一体积糨交，这时，当足馕变化监时就破坏了平衡，从_ 悉 起到了钌藐薛震。 ( 2 ) c c 。t i 沉淀相的钉扎干# 羽 对伐一t i 沉淀相的磁通钉扎作用的深入研究还是在t e m 清楚观察到a t i 粒 子以后，即制备出了高质凝的t e m 试样以后。 当钉扎中心的尺寸与磁通线点阵常数棚避对，可达到最佳熬磁通钌藐效果 4 1 ，4 2 3 。疆是夔羞薅n b t i 多芯复会线懿潦入研究，久粕发至燕滚然最居一次孵 效热处理后，旺一t i 粒子猩横截面上呈等轴状，但经较大的冷加工后，变形为宽 厚比很大的条带状，当o t t i 粒子厚度约1 2 n m ，间距3 - 6 n m 时厶达最高，而且 并没有发现0 【一t i 粒子由于邻近效应使其钉扎力减弱 4 3 ，4 4 。 体钉扎力主要取决予钌托中心的密度及举经钉藐力的强度，以及磁遥线秘 翡稳互 枣矮力 4 5 】。关予豢器( 分毒畜塞t 簇) ，沉淀穗对磁遴钌季l 力静定量 分析，人们已做了大量的工作。其中c m e i n g a s t 和d e l a r b a l e s t ie r 引用 k r a m e r 4 1 的计算公式计璐了a t i 沉淀相的单位钉扎力繇。 q p = f p md 其中冗怒测量熬体钌藐力，是沉淀稳数爨蜜疲，再弼芯一芯穗鬣佟矮模鍪 鲻 及电子散射模型 4 7 ，4 8 分别计算了单位钉扎力，并进行了比较，发现两种钉 扎模型与实验结果吻合的部很好 4 9 。目前芯一芯相互作用模型应用的较多。 程芯一芯相互作用模型中 4 6 ，单位钉扎力是用磁力线的正常与沉淀相重 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 叠前后自由能的变化来表示： ， a e “2 1 ( 1 ，2 ) 其中d 为特征距离，f 等于磁力线正常芯与沉淀相重叠时的体积和正常 的自由能密度r 尼j 以7 相乘。对于带状值t i 粒子平行于磁场方向，沉淀相 厚度小于磁通线直径时即k 。 2 f 时，单位钉扎力与沉淀相厚度没有太大关系。 m a s a t om u r a k a m i 5 0 描述了n b t i 超导体中沉淀相与磁通线的相互作用及 其产生钉扎的理论。当一个超导体含有不超导的第二相时，以及在超导体中有 磁通线穿过时