10月18日,在由上海有色网信息科技股份有限公司(SMM),西部矿业主办,中国金属材料流通协会、铝业加工技术中心特邀指导的2024 SMM第十三届金属产业年会——2024 SMM储能年会上,西北有色金属研究院超导所所长张胜楠对超导磁储能用MgB2线材研究进展进行了阐述。
研究背景
超导
超导作为一种宏观量子凝聚现象,是凝聚态物理基础研究中的重要前沿领域。
Ø自1911年发现以来,已经获得过5次诺贝尔物理学奖;
Ø超导材料的三大特性使其能够在能源、医疗、交通、通信、以及大科学装置等领域具有独特的应用优势
Ø随着超导技术的发展,超导材料被认为是后摩尔时代的关键材料。
MgB2超导的基本特点
尽管已经发现了许多超导材料,但是能够进行实际应用的种类却很少。
其介绍:MgB2超导密度较小——2.6 g/cm3原材料费用较低,其介绍MgB2超导的基本特点:临界电流密度较高、晶体结构相对简单,相对较高的临界温度、晶界无弱连接现象、临界磁场较高,双超导能隙。
其还对MgB2线材的制备工艺、主要实用超导材料的性能及应用范围(MgB2超导材料在~20 K温区,中低磁场条件下能够实现应用)等内容进行了介绍。
实用化MgB2高温超导线材的应用
在国家重点研发计划的支持下,国内正在开展液氢温区的高温超导储能样机研制,其中MgB2线材的用量接近200km。
其还对国内外主要实用MgB2超导线材生产厂家进行俄介绍。
PIT工艺MgB2线材制备及性能分析
PIT工艺多芯MgB2长线研制
Ø采用Monel合金作为外包套材料,提高in-situ PIT多芯线材的机械强度;
Ø采用小颗粒Mg粉改善多芯线材加工性能,避免断芯、断线现象;
Ø采用CCB前驱粉提高磁场下MgB2线材的传输性能。
其从千米级多芯MgB2线材的制备工艺过程、多芯MgB2线材加工过程中的微观结构、多芯MgB2线材的力学性能等角度进行了阐述。
多芯MgB2线材的超导传输性能
Ø不同热处理制度后样品的Jc性能没有太大差异,说明该线材样品的热处理温度窗口较宽。
Ø多芯MgB2线材的n值20-30之间,基超比约为14.5%,与文献报道相当。
MgB2线材热处理工艺优化
Ø所有热处理工艺下超导芯丝中均存在孔洞。
Ø随着保温时间的延长,线材的超导传输性能逐渐降低,4h以后基本保持不变。
MgB2线材批量制备过程工艺改进
Ø轧制后复合线超导芯丝的Nb阻隔层表面产生鱼鳞状痕迹。
Ø轧制后复合线芯丝粉末的硬度偏差大于冷拉拔线材。
复合线冷拉拔加工均匀性分析
ØNb基体的硬度随线材尺寸的减小呈现出非线性的变化规律;
Ø拉拔过程芯丝分布较均匀,但在接近目标尺寸时均匀性变差。
批量制备MgB2线材的性能指标
Ø累计制备超过200 km线径为F1.00 mm的MgB2线材,单根长度均大于1200 米;
Ø线材在4.2 K、4 T条件下的Ic值均大于200 A。
IMD工艺MgB2线材制备及性能分析
IMD工艺多芯MgB2线材研制
IMD工艺能够获得高致密度MgB2超导相。
Ø瞄准实用化,进行千米级IMD工艺多芯MgB2线材的制备技术展开研究。
IMD工艺多芯MgB2长线研制
Ø进行可重复性实验验证,考虑到成本、加工条件等因素,设计目标长度500米。
MgB2线材加工过程中的微观结构
Ø加工过程芯丝分布均匀
ØMg棒未出现断裂现象
IMD工艺多芯MgB2线材的传输性能
在4.2 K,4 T磁场下,37芯结构MgB2线材的工程临界电流密度Je达到5×104 A/cm2。
基于MgB2超导线材的电缆制备
基于PIT工艺MgB2超导线材的电缆研制
Ø考虑到PIT工艺MgB2线材的特点及先绞缆后热处理的工艺方案,设计MgB2电缆为3*4*4的48股线三级缆材结构。
MgB2超导电缆绞缆实验
Ø开展了批量化MgB2超导电缆制备,已绞制5100米的48股线MgB2电缆,单缆长度大于300米。
MgB2超导电缆传输性能分析
在对从电缆中取出的部分MgB2线材进行金相和传输性能测试分析后,可以看出:绞制加工过程前后,MgB2线材的载流性能几乎无衰减。
MgB2超导电缆的成相热处理
Ø流通Ar气保护下,600℃进行成相热处理。
此外,其还介绍了MgB2超导电缆的传输性能测试。
小结
ØIn-situ PIT工艺MgB2长线的批量化制备技术已进行了产业化转移,在WST已生产200多千米的商品化MgB2线材,单线长度大于1200米,4.2K、4T的性能Jc达到2000A/mm2;
Ø采用IMD工艺能够制备五百米级多芯MgB2线材,其Jc在4.2 K、4 T达到6000 A/mm2;
Ø进行了电缆的初步研究,采用PIT线材所研制电缆4.2 K,4 T和20 K,2 T的传输性能分别达到6.56 kA和7.04 kA。
》2024 SMM第十三届金属产业年会专题报道
来源:SMM