專利名稱：一種青銅工藝Nb₃Sn超導體多芯線接頭及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線接頭及其制備方法。
背景技術：
Nb3Sn材料在18K低溫條件下，顯示出良好的超導電特性。它的臨界轉變溫度高于 NbTi超導體材料，特別適合用于高磁場超導磁體的建造。按照線材結構不同，制備Nb3Sn超導線的方法主要分為青銅工藝和內錫法兩種。青銅工藝的線材為青銅-Nb絲多芯機械復合結構。內錫法線材為多Cu/Nb復合管內插Sn絲的機械復合結構。以上兩種線材均需要在適當溫度下進行熱處理，通過固態(tài)擴散生成具備超導電性的Nb3Sn化合物層，具有超導性能。青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線由于使用穩(wěn)定、 技術成熟的特點，得到廣泛使用。青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線在熱處理前(青銅-Nb絲多芯機械復合線)的橫截面結構示意圖如圖I所示，其中包括穩(wěn)定芯、Nb絲、青銅基體。Nb3Sn是A15結構化合物，本身具有較大的脆性，任何變形或碰撞都可能會對超導性能造成損傷。因此在實際工程中利用青銅工藝制備Nb3Sn超導線圈的過程中，需要首先將青銅-Nb絲多芯機械復合線繞制成符合設計要求的線圈，然后將線圈整體進行熱處理， 通過固態(tài)擴散反應在多芯機械復合線中生成具備超導電性的Nb3Sn化合物，從而得到具有超導性能的Nb3Sn超導線圈。反應后不能再改變超導線的繞向，避免發(fā)生Nb3Sn超導線的脆斷或損傷，傷害超導性能。在超導磁體線圈的建造過程中，超導線的焊接是關鍵技術之一。單根超導線的長度是有限的，而繞制一個大型超導磁體往往需要幾十至幾百千米的超導線，在這種情況下必須將多根超導線焊接起來保證所需的長度。同時，制造多線圈組成的超導磁體時，線圈之間的連接需要通過線圈端部導線的焊接來完成。類似地，制造由多個超導磁體組成地超導磁體系統(tǒng)時，如果要求將各個磁體串聯(lián)起來由單一電源供電，也需要將各個磁體端部首尾串聯(lián)焊接。與各個磁體單獨供電的方式相比，單一供電方式能使磁體系統(tǒng)具備更高的工作可靠性。另外，如果超導磁體要閉環(huán)運行，還需要將磁體或磁體系統(tǒng)的兩端與超導開關連接起來形成閉合回路。在大型超導磁體建造中，超導線的繞制和超導線之間的連接是同時進行的。接頭制作的工藝質量直接影響到工程的進度。另外，大型磁體的許多接頭在磁體內部，不能對其進行拆卸檢測和再修復，任何一個接頭的質量不好都將影響整個磁體的性能，甚至可能使整個磁體報廢。因此，在大型磁體制造中接頭必須具有很高的可靠性。對于一般的組合磁體或磁體系統(tǒng)，雖然接頭可以放在比較容易接觸的地方，但是由于整個磁體需要工作在封閉的低溫環(huán)境下，因而對接頭進行經(jīng)常性檢測和修復也是不現(xiàn)實的。因此必須保證接頭質量的高可靠性。對于閉環(huán)運行的超導磁體來說，接頭的性能還直接決定了磁體的工作性能和持續(xù)運行時間。對超導線接頭的基本要求一方面是接頭必須要有較低的電阻。超導磁體的工作電流一般達到上百甚至上千安培量級，電阻太大會引起嚴重的焦耳熱損耗，可能導致磁體失超。對于閉環(huán)運行的超導磁體，接頭電阻導致了磁場的衰減。如果要求磁場的穩(wěn)定度達到某一水平，則要求接頭的電阻必須小于某一定的量值，例如對于NMR磁體系統(tǒng)，一般需要超導接頭的電阻不高于10_12歐姆。另一方面是必須具有一定的機械強度和韌性來承受磁體繞制過程中的彎曲應力、工作狀態(tài)下的電磁應力、和冷卻過程中受到的收縮應力。目前關于Nb3Sn超導線接頭的制作方法，根據(jù)制作接頭和熱處理的先后關系主要可以分為兩類一類在超導線熱處理前制作接頭，另一類是在超導線熱處理后制作接頭。第一類方法中，美國專利5111574公開了一種Nb3Sn超導線接頭制作方法。將所述結構超導線的Nb絲和Sn絲混合,外面分別包裹Sn、Cu和V、Nb、Ta等金屬層,通過熱處理反應生成超導線接頭。該方法中的Sn絲在熱處理過程中為液態(tài)，一方面對包套的密封性要求很高，這在實際工程使用中，較難實現(xiàn)。另一方面液態(tài)純Sn會對包裹層材料(如Cu)造成熱腐蝕，影響接頭效果。此外，銅基釬焊技術也曾被用于制作Nb3Sn超導線接頭的制作， 由于并未真正形成超導連接，接頭電阻值僅為10_9歐姆，不適合作為NMR等對接頭電阻值要求較高的工藝技術。以上方法雖然避免了熱處理后超導線變脆給接頭制作帶來的超導線折損危險，但是這些現(xiàn)有方法載流能力很弱。為了降低接頭電阻，一般會被迫延長接頭電阻， 使得接頭體積龐大。另一類方法中，美國Airco公司曾將熱處理反應后的Nb3Sn線接頭直接進行電阻焊，接頭電阻僅為10_8歐姆。美國GE公司曾采用TIG焊接技術將Nb-Sn-Cu-Pb合金焊接在超導線接頭上，形成超導連接，電阻值達到低于10_12歐姆，但是2100°C高溫的焊接條件下很容易對超導線造成損傷。此外美國GE公司還曾采用化學氣相沉積(CVD)在接頭上沉積超導層的方法，該方法工藝復雜、環(huán)境要求苛刻，并不適合工程使用。這類方法最大的問題在于Nb3Sn超導線在熱處理后本身發(fā)脆，偶然的折損很容易造成超導性能的損傷和喪失。綜上分析，現(xiàn)有的Nb3Sn超導線接頭方法尚不能滿足青銅工藝Nb3Sn超導線接頭的工程實際要求，急需開發(fā)一種電阻率低且制備過程對超導線的超導性能損壞威脅小的青銅工藝Nb3Sn超導線接頭制備方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有超導線接頭方法中存在的接頭非超導連接、超導線易損傷、工藝條件復雜苛刻等問題，提出的一種青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線接頭及其制備方法，本發(fā)明可以實現(xiàn)超導連接，降低接頭電阻。本發(fā)明的技術方案在于一種青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線接頭，接頭的結構由內層至外層分別為穩(wěn)定芯、超導連接單元、Nb管和Cu管，上述各層次之間緊密貼合。超導連接單元由內層至外層分別為Nb絲、Nb3Sn化合物層、Cu-Sn合金鍍層，其中同一超導連接單元內待連接的不同的超導體多芯線的Nb絲相互搭接，Nb絲表面沉積Cu-Sn合金鍍層，Nb3Sn化合物層為Nb絲與 Cu-Sn合金鍍層于熱處理反應過程中在兩者之間通過固態(tài)擴散生成，不同的超導體多芯線 Nb絲表面的Nb3Sn化合物層相互橋接導通，起到超導連接作用，使得青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線的接頭在超導溫度下保持低電阻、低損耗。本發(fā)明制備上述青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線接頭的方法，制備步驟順序如下(I)腐蝕Nb3Sn超導體多芯線端部的青銅基體，露出散開的穩(wěn)定芯和Nb絲；(2)將待連接的不同超導體多芯線的Nb絲相互混合，盡量相互搭接，并Cu絲綁扎固定；(3)通過沉積技術,使接頭的Nb絲表面生成一層Cu-Sn合金鍍層；(4)將接頭從內至外分別套上Nb管和Cu管，并壓緊接頭，使沉積有Cu-Sn合金鍍層的Nb絲緊密鑲嵌在Nb管和Cu管內；(5)在接頭外層包覆耐高溫絕緣材料后，固定安裝在線圈指定位置；(6)對接頭進行熱處理，在Nb3Sn超導體多芯線接頭處通過固態(tài)擴散生成Nb3Sn超導橋接層，從而實現(xiàn)接頭的超導連接。其中，沉積方法可以采用電鍍沉積或化學鍍沉積方法。其中，接頭Nb管壁厚為O. 5-2毫米，Cu管壁厚為O. 5-2毫米，Nb管和Cu管的長度
應能覆蓋Nb絲。其中，接頭外部包覆的耐高溫絕緣材料為無堿玻璃絲纖維布。其中，對接頭的熱處理溫度、保溫時間和熱處理氣氛與接頭所在的Nb3Sn線圈的熱處理溫度、保溫時間和熱處理氣氛相同，且對接頭的熱處理隨接頭所在的Nb3Sn線圈的熱處理工藝同時完成。其中，對接頭的熱處理溫度為650_690°C，保溫時間是100-190小時，熱處理氣氛
要求惰性氣體或真空。本發(fā)明的青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線接頭和制備方法，特點之一在于是通過借助表面沉積技術結合熱處理技術，使青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線的Nb絲上通過固態(tài)擴散生成的Nb3Sn超導化合物層相互橋接溝通，實現(xiàn)了不同超導線之間的超導連接。這大大降低了超導線接頭在低溫工作狀態(tài)下的電阻值，提高磁體的載流能力，減小接頭體積。另一特點在于本發(fā)明的青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線接頭是在Nb3Sn超導線熱處理之前制備完成的。這避免了由于熱處理之后Nb3Sn超導線本身變脆的原因，可能導致的超導線意外折損而破壞整體超導電性的危險。


圖I青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線在熱處理前(青銅-Nb絲多芯機械復合線)的橫截面結構示意圖；圖2青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線接頭的結構示意圖；圖3青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線接頭制備方法流程圖；圖4待連接青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線端部的青銅基體被腐蝕掉并露出Nb絲的不意圖；圖5待連接青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線Nb絲攏放在一起相互搭接的示意圖；圖6熱處理前的青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線接頭結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。如圖2所示，本發(fā)明青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線接頭的結構由內層至外層分別為穩(wěn)定芯、超導連接單元、Nb管和Cu管。各層次之間緊密貼合。所述的超導連接單元由內至外分別為Nb絲、Nb3Sn化合物層和Cu-Sn合金鍍層，其中同一超導連接單元內待連接的不同超導體多芯線的Nb絲相互搭接。本發(fā)明青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線接頭的制作方法如下如圖3所示，先將待連接的兩根或兩根以上未進行熱處理的青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線的端部的青銅基體腐蝕掉，露出一段均勻散開的Nb絲，如圖4所示。對Nb絲進行徹底清洗，去除表面的油潰和灰塵；然后將待連接的兩根或兩根以上的Nb3Sn超導體多芯線的穩(wěn)定芯和Nb絲攏放在一起，使Nb絲盡量相互接觸搭接，如圖5所示。并用細Cu絲將搭接在一起的Nb絲綁扎固定；然后使用化學鍍沉積或電鍍沉積方式將接頭的超導體多芯線Nb 絲鍍上Cu-Sn合金鍍層，Cu-Sn合金鍍層將不同的超導體多芯線的Nb絲連接為一體。再對 Cu-Sn合金鍍層的接頭進行清洗和烘干處理，徹底清除接頭上的鍍液或氧化物雜質層。將清洗干凈的接頭由內向外依次套上純Nb管和純Cu管，純Nb管和純Cu管的壁厚均為O. 5-2. O 毫米，純Nb管和純Cu管的長度略長于超導體多芯線腐蝕露出的Nb絲的長度，純Nb管和純 Cu管的一端長于Nb絲端部，另一端長于Nb絲根部。將純Cu管和純Nb管壓扁壓緊，使沉積有Cu-Sn合金鍍層的Nb絲緊密鑲嵌在Nb管和Cu管內，防止Nb絲在純Cu管和純Nb管內部發(fā)生移動，圖6所示為熱處理前的青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線接頭結構示意圖。將接頭整體外面包覆耐高溫絕緣材料，并固定安裝在線圈指定位置；最后接頭隨其所在的Nb3Sn 線圈一并置于熱處理爐中進行擴散熱處理，在線圈中的青銅-Nb絲多芯機械復合線通過固態(tài)擴散生成具備超導性能的Nb3Sn化合物層的同時，接頭中的Nb絲與Cu-Sn合金鍍層反應， 通過固態(tài)擴散生成具備超導性能的Nb3Sn超導化合物層。熱處理溫度為650-690°C，保溫時間是100-190小時，熱處理氣氛要求惰性氣體或真空。接頭的熱處理溫度、保溫時間和熱處理氣氛與接頭所在的Nb3Sn線圈的熱處理溫度、保溫時間和熱處理氣氛相同。Nb3Sn超導化合物層相互聯(lián)通，能夠橋接不同超導體多芯線，從而實現(xiàn)接頭的超導化連接。其中耐高溫絕緣材料可以為無堿玻璃芯纖維布。實施方式I本實施方式中，待連接的青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線的外徑為O. 9毫米，單根Nb 絲直徑4. 5微米。先使用濃硝酸將待連接的兩根青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線的端部的青銅基體腐蝕掉，露出純Nb絲部分，露出Nb絲長度30毫米。對接頭部位的Nb絲進行清洗和烘干。然后將超導體多芯線的Nb絲部分攏在一起，使兩線的Nb絲盡量相互搭接，并用細Cu 絲綁扎固定。再將接頭進行電鍍沉積Cu-Sn合金層處理，電鍍沉積電解液的成分配比為
SnCl2 · 2H20-40 克 / 升，NaF-30 克 / 升，N (CH2COOH) 3-20 克 / 升，CuSO4 · 5H20-30
克/升,EDTA 45克/升,朽1檬酸-10克/升,聚氧乙烯脂肪醚-2克/升,去尚子水-
余量，PH = 5. 5。電鍍沉積過程中，將表面積相同的純錫板和純Cu板作為陽極，將接頭部位作為陰極，通以電流密度O. 1-0. 6A/dm2的低壓直流電流，電鍍沉積溫度要求30°C ±2°C。隨后對接頭電鍍沉積部位采用化學純酒精溶液進行清洗和烘干。再將接頭從內至外分別套上純Nb管和純Cu管，Nb管內徑3. 5毫米，壁厚O. 5毫米，長40毫米；Cu管內徑4. 5毫米，壁厚O. 5毫米，長40毫米。純Nb管和純Cu管對齊覆蓋整個接頭部分，純Nb管和純Cu管的兩端比Nb絲各長出5毫米。采用液壓鉗將純Nb管和純Cu管壓緊變形，使沉積有Cu-Sn合金鍍層的Nb絲固定鑲嵌在Nb管和Cu管內，使接頭部位封閉結實，并在接頭外層包覆無堿玻璃絲纖維布后，固定在磁體線圈規(guī)定位置。隨后接頭隨線圈一并放入熱處理爐中進行擴散熱處理。熱處理溫度650°C，保溫時間190小時，真空熱處理，真空度10_3Pa。熱處理完畢后緩慢冷卻到室溫。超導接頭制備完畢。經(jīng)試驗測試，接頭電阻為9X10_12歐姆。實施方式2本實施方式中，待連接的青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線的直徑均為O. 7毫米，單根 Nb絲直徑4. 5微米。先使用濃硝酸將待連接的兩根青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線的端部的青銅基體部分腐蝕掉，露出純Nb絲部分，露出Nb絲長度40毫米。對接頭部位的Nb絲進行清洗和烘干。然后將超導體多芯線的Nb絲部分攏在一起，使兩根Nb3Sn超導體多芯線的Nb絲盡量相互搭接，并用細Cu絲綁扎固定。再將接頭進行化學鍍沉積Cu-Sn合金層處理，化學鍍沉積電解液的成分配比為=SnCl2 ·2Η20——30克/升，NaF——30克/升，N(CH2COOH)3—— 25克/升，CuSO4 · 5Η20——20克/升，EDTA——25克/升，檸檬酸——7克/升，聚氧乙烯脂肪醚一I克/升，去離子水一余量，PH = 4。化學鍍沉積溫度要求30°C ±2°C。隨后對接頭化學鍍沉積部位采用純酒精溶液進行清洗和烘干。再將接頭從內至外分別套上純 Nb管和純Cu管，Nb管內徑3毫米，壁厚2毫米，長50毫米；Cu管內徑7毫米，壁厚2毫米， 長50毫米。純Nb管和純Cu管對齊覆蓋整個接頭部分，采用液壓鉗將純Nb管和純Cu管壓緊變形，使沉積有Cu-Sn合金鍍層的Nb絲緊密鑲嵌在Nb管和Cu管內，使接頭部位封閉結實，并在接頭外層包覆無堿玻璃絲纖維布后，固定在磁體線圈規(guī)定位置。隨后接頭隨線圈一并放入熱處理爐中進行擴散熱處理。熱處理溫度690°C，保溫時間100小時，熱處理氣氛為流動氬氣，流量O. I 0.2升/分鐘。熱處理完畢后緩慢冷卻到室溫。超導接頭制備完畢。 經(jīng)試驗測試，接頭電阻為8X 10_12歐姆。
權利要求
1.一種青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線接頭的制備方法，其特征在于制作步驟順序如下(1)腐蝕Nb3Sn超導體多芯線端部的青銅基體，露出散開的穩(wěn)定芯和Nb絲；(2)將待連接的不同超導體多芯線的Nb絲相互混合，相互搭接，并用Cu絲綁扎固定；(3)通過沉積方法，使所述接頭的Nb絲表面生成一層Cu-Sn合金鍍層；(4)將所述的接頭從內至外分別套上Nb管和Cu管，并壓緊接頭，使沉積有Cu-Sn合金鍍層的Nb絲緊密鑲嵌在Nb管和Cu管內；(5)在接頭外層包覆耐高溫絕緣材料后，固定安裝在線圈指定位置；(6)將接頭熱處理，在Nb3Sn超導體多芯線接頭處通過固態(tài)擴散生成Nb3Sn超導橋接層， 實現(xiàn)接頭的超導連接。
2.根據(jù)權利要求I所述的制備方法，其特征在于所述的沉積方法采用電鍍沉積或化學鍍沉積。
3.根據(jù)權利要求I所述的制備方法，其特征在于所述的Nb管壁厚為O.5-2毫米，Cu管壁厚為O. 5-2毫米，Nb管和Cu管的長度均能覆蓋Nb絲。
4.根據(jù)權利要求I所述的制備方法，其特征在于所述的接頭外層包覆的耐高溫絕緣材料為無堿玻璃絲纖維布。
5.根據(jù)權利要求I所述的制備方法，其特征在于對所述的接頭的熱處理溫度、保溫時間和熱處理氣氛與接頭所在的線圈的熱處理溫度、保溫時間和熱處理氣氛相同，且對所述的接頭的熱處理與接頭所在的線圈的熱處理同時完成。
6.根據(jù)權利要求I或5所述的制備方法，其特征在于對接頭的熱處理溫度為 650-690°C，保溫時間是100-190小時，熱處理氣氛要求惰性氣體或真空。
全文摘要
一種青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線接頭的制備方法，制作步驟依次為腐蝕Nb3Sn超導體多芯線端部的青銅基體，露出散開的穩(wěn)定芯和Nb絲；將待連接的不同超導體多芯線的Nb絲相互混合，相互搭接，并用Cu絲綁扎固定；通過沉積方法，使所述接頭的Nb絲表面生成一層Cu-Sn合金鍍層；將所述的接頭從內至外分別套上Nb管和Cu管，并壓緊接頭，使沉積有Cu-Sn合金鍍層的Nb絲緊密鑲嵌在Nb管和Cu管內；在接頭外層包覆耐高溫絕緣材料后，固定安裝在線圈指定位置；將接頭熱處理，在Nb3Sn超導體多芯線接頭處通過固態(tài)擴散生成Nb3Sn超導橋接層，實現(xiàn)接頭的超導連接。這種方法制備的青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線的接頭在超導溫度下能保持低電阻、低損耗。
文檔編號H01R43/00GK102593686SQ201210046550
公開日2012年7月18日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權日2010年6月30日
發(fā)明者宋守森, 戴銀明, 王暉, 王秋良, 程軍勝 申請人:中國科學院電工研究所