[科普中国]-铌钛合金超导体

铌钛合金超导体是超导工业的“先导材料”。它和Nb3Sn超导体一起是实际超导磁体应用的首选材料、它具有高的上临界磁场（在4.2K下约11T，在2K下约14T）可与铜很好地共同拉制，具有良好的加工塑性、很高的强度以及良好的超导性能。

简介铌钛合金超导体的原材料及制造成本远低于其他超导材料:这种超导材料在绞制、绕制和其他应用方面的组装工序之前就可以进行提高超导体性能的热处理工序:它的屈伏强度与钢材接近等优点、这些优异的性能将保持NbTi超导合金在今后一段相当长的时间内继续广泛应用。

实用化NbTi合金超导体的制造①合金熔炼。最佳的合金配比含T在46%～50%(质量百分数)。

②NbTi合金棒加工，高均匀的Nbi棒除成分均匀外，还有力学性能的均匀性。

③包覆稳定化材料，使成百上千根NbTi细丝埋覆在起稳定化作用的高导电无氧铜或高纯铝中，以防止热失超或提供电流旁路。经常用剩余电阻比(RRR)来说明稳定化材料质量的高低，RRR是指室温293K时的电阻率除以低温(4.2K)下电阻率的比值，通常超导磁体要求稳定材料的RRR比应在30及以上。

④包套阻挡材料。Nb是广泛使用的一种阻隔层材料，其目的以避免NbTi合金与Cu基体之间形成TiCu4等金属间化合物，防止拉线断芯而明显降低临界电流密度(Jc)。

⑤多芯复合体的组合设计，组合设计在热挤压前进行，设计依据是成品超导线的参数要求，如线径、芯径、铜比等来推算包套阻隔层、NBi棒的尺寸和挤压次数。多芯复合线中NbTi芯丝间都是紧密地排列的，从芯部到外部都是按六边形的层状排列，各层的根数依次构成等差级数的关系，如6、12、18、24、30、36、…。

⑥挤压与拉伸，采用挤压使NT棒、Nb阻隔层和Cu层基体之间形成结合强度很高的治金结合1。

NbTi合金复合超导体研制的工艺超导材料必须包复起来，或者埋置在普通的良导体内，以便在某些线段突然转入常态提供一个低阻傍路此外,包套在防止磁力线跃进方面也是重要的。换言之，为了释低损耗和提高稳定性，必须使用适宜的基本材料。选定基体材料取决于互相矛盾的要求。威尔逊及其同事的理论表明，采用高导电性的基体允许利用较细的线，但其多股电缆则必须进行较为紧密地螺旋形扭转。德国人认为，选用高导电性的无氧铜来作超导材料NbTi合金的基体材料的主要原因是当局部地方因温度升高而使超导状态出现瞬时扰动时，运输电流可移至基体内，让已出现的焦耳热可 以保持在充分小的程度。然而，也有人指出，具有良好稳定化性能的铜却始终未能充分限制感应电流。

铝基体较铜基体的特点1.在任何磁场强度下，高纯铝的电阻率均比无氧铜低。必须指出,在较高场强下，它就更有意义了。因为铝的电阻率较低，在用铝作基体时，由于分流作用而减少了焦耳热，并且控制了对磁场的扰动。

2.高纯铝的导热率至少比无氧铜好一个数量级，这就减少了线圈的局部温升；

3.铝的单位体积的热容比铜小，因而铝的冷却能量可以比铜小64%；若稳定条件，则铝的需热量就比铜小，从而降低了冷却成本。

4.铝的密度仅为铜的三分之一因为铝的用量减少了，所以磁体的重量就减轻了四分之一。这样，可以使得超导磁体的应用领域更加广泛，例如用作航空磁体和悬浮磁体等。

5.高纯铝在室温下有自身退火的特性，这能消除在绕制线一圈时因应力产生的电阻。

6.铝的表面可以阳极氧化绝缘，它的优点是绝缘层与导体等触良好，机械强度亦高；它的厚度比用有机物绝缘薄,不易破裂，其热导也比有机绝缘物好，如果从厚度及热导率两方面考虑，线圈的热导率可以提高二、三倍多高2。

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徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学