青銅法鈮三錫超導線材(superconductivewireofNb₃Snbybronzeroute)

A-15型化合物超導材料的一種。把純鈮棒置于青銅中，通過加工制得多芯鈮/青銅復合線材，經反應熱處理，青銅中的錫向鈮芯擴散，且在鈮芯表面反應生成鈮三錫超導化合物，即成為青銅法鈮三錫多芯復合超導線材。用青銅法工藝制備的鈮三錫多芯復合線材是1969年肯夫曼（Kenfman）等人提出來的。

青銅法多芯超導材料設計超導磁體中的超導材料處于工作狀態時，由于擾動、磁滯、自場效應等現象，使超導體內出現磁通跳躍而產生不穩定性。為了克服不穩定性，超導體必須做成細芯、多股的復合體。根據應用需要，有的還要編織、絞纜等全換位手段，制成二次導體。與鈮鈦多芯線一樣復合銅使青銅法鈮三錫更穩定。為防止青銅區對純銅區的污染，采用鉭作阻擋層，也可用局部滲磷鈮箔替代較貴的鉭作阻擋層。

青銅法鈮三錫多芯超導體制備工藝鈮三錫多芯線青銅法制備工藝如示意圖1

由圖1可看出，將純鈮嵌在錫青銅中(含錫量13％～14％)，經擠壓、拉拔至最終尺寸后，扭絞成型，再在550～750℃溫度熱處理，使青銅中的錫與鈮芯發生固態反應，在青銅基體與鈮芯界面上生成鈮三錫。冷加工過程中，由于青銅本身加工硬化快，復合線需要進行多次中間退火。在青銅法Nb₃Sn生成熱處理溫度下，鈮芯與青銅反應生成的化合物只有Nb₃Sn相，不出現Nb₆Sn₅、NbSn₂等非超導中間相。由于是固態反應，生成的Nb₃Sn層平滑而較均勻。較低的生成熱處理溫度致使Nb₃Sn晶粒尺寸細小。因此，青銅法Nb₃Sn材料的載流能力較優。青銅中的錫與鈮芯反應后，仍殘存1.3％的錫，其電阻率與銅一鎳合金相近，可降低脈沖磁場下的交流損耗。

青銅法改進工藝主要有外擴散法、內擴散法、鈮管法、拉網包卷法、原位法和粉末法等。

外擴散法該法是把Cu-Nb多芯復合坯料擠壓一拉拔至成品直徑，其外部覆錫層，經熱處理首先生成Cu-Sn合金基體，進而生成Nb₃Sn芯絲。這種稱為外擴散的方法與原青銅法相比，主要優點是將Cu-Nb復合體一直拉拔到所需尺寸，而不要中間反復退火。但是，在外覆錫層大于5μm時，外層出現剝落現象，這只能限于制作線徑小于0.25mm直徑的線材。

內擴散法(或稱內錫法)將包銅的鈮棒(或銅基體中含有多根鈮芯的復合棒)與包銅的Sn-(8～20)％Cu合金棒組裝在一根銅管中，并使后者置于銅管中心，把這種復合坯料冷拉拔到所需直徑，再熱處理生成Nb₃Sn。這種工藝的主要優點有三：(1)沒有原青銅法復合體加工中繁瑣的中間退火；(2)Nb₃Sn生成所需錫源是Sn—Cu合金，可人為控制，錫源充足，Nb₃Sn的晶粒細，化學計量比好，載流能力優；(3)與外擴散法相比，低熔點的Sn-Cu合金包在線中心，純銅區和鉭阻擋層可置于線外層，也不存在覆錫層及其剝落問題。

鈮管法此法有兩種線材制作工藝，它們都是以鈮管代替青銅法(或內擴散法)中的鈮棒。一種工藝是把錫青銅塞入外套銅管的鈮管中，經多次復合組裝、擠壓、拉拔，最后熱處理獲得Nb₃Sn超導體。導體的加工過程，與原青銅法一樣需進行多次中間退火。另一種工藝是把Sn-(8～20)％Cu(或純錫)棒裝入外套銅管的鈮管中，將其復合組裝在銅管里，直接進行冷拉拔，最后熱處理生成Nb₃Sn，與內擴散法相類似。這兩種工藝的最大優點是：導體中的鈮管起著阻擋層作用；全部Nb₃Sn層都靠近純銅區，其他方法不易做到。由于導體中芯絲尺寸較大，該工藝制得的導體在交變場中會導致較大的交流損耗。

拉網包卷法此法是將拉成網絡的鈮箔與青銅箔疊放在一起，然后卷成一個“實體”，放入銅套中，經擠壓、拉拔，最后熱處理生成Nb₃Sn，鉭阻擋層與純銅區的處理方法與原青銅法相同。這種制備方法大大簡化了原青銅法工藝，可降低成本。但是，由于Nb₃Sn呈網絡狀，導體的交流損耗不能令人滿意。此法可與內擴散法相結合，只要將坯料中的青銅箔換成銅箔，一起疊加卷繞在Sn-Cu合金棒上，其后加工與內擴散法相同。

原位法C.C.崔發展了一種Nb₃Sn化合物多芯導體成材的原位法工藝。將一定比例的Cu-Nb在高溫下熔化，經快速冷卻獲得鑄錠，錠中的鈮呈樹枝狀存在于銅基體中，將錠加工成線材(毋需中間退火)，生成Nb₃Sn所需的錫源大都采用線材覆錫或采用內擴散工藝方式加入。熱處理后的這種導體，其基體中存在的Nb₃Sn芯似海綿狀的纖維。由于Nb₃Sn纖維可做得很細(10^-5cm)，所以該超導體的力學性能超過所有其他方法所制備的導體。

粉末法該法與原位法相類似，用鈮粉與銅粉壓制成坯，在室溫或高溫下擠壓、加工制得的導體與原位法的類似，有關其他方面也與原位法的近似。

在多芯鈮三錫導體的成材工藝中，除上述工藝方法外，還有ECN法、浸漬法等。

青銅法多芯鈮三錫超導材料的性能多芯鈮三錫超導材料的制備方法很多，由不同方法制備的超導材料，其性能也有所不同。(1)青銅工藝制備的材料(線徑0.5～0.7mm，芯徑2～5μm，芯數幾千～幾萬)，其典型J_c-H曲線列于圖2。

由圖可知，在4.2K，12T與16T的J_c分別為(5.0～5.8)×10⁴A/cm²和(1.0～1.7)×10⁴A/cm²(0.1μV/cm判據)。西北有色金屬研究院用青銅法制得的Nb₃Sn材料(線徑0.5～0.6mm，2000～3000芯)的J_c達9×10⁴A/cm²(4.2K，10T，0.1μV/cm)、5.8×10⁴A/cm²(4.2K，12T，0.1μV/cm)以及1.7×10⁴A/cm²(4.2K，16T，0.1μV/cm)。另外，矩形截面的多芯Nb₃Sn帶材(截面積1.3～1.9mm²，寬厚比2:1，芯數17000)的J_c為2.4×10⁴A/μcm²(4.2K，13T，0.1μV/cm)，這些超導材料達到或高于國際上同類超導體的性能水平。

(2)內擴散法多芯鈮三錫超導材料，由于錫源充足，使其J_c較原青銅法為高。IGC與古河電子公司的內擴散法制得的多芯鈮三錫材料的J_c最高值達2×10⁵A/cm²(4.2K，10T，0.1μV/cm)和3.7×10⁴A/cm²(4.2K，14T，0.1μV/cm)(圖3)。從圖3可看出，在10T下的J_c值幾乎是青銅法超導材料的兩倍。在我國也能制作出國際先進性能的內擴散法多芯鈮三錫超導材料。

為了提高多芯鈮三錫超導材料的J_c性能，向Nb₃Sn中添加鈦、鉭等元素，可顯著提高超導材料高場(>12T)的臨界電流密度。圖4是純Nb₃Sn與(Nb、Ti)₃Sn超導材料的J_c-H關系曲線，從比較兩種材料的J_c-H曲線可知，(Nb，Ti)₃Sn材料較Nb₃Sn的高場J_c有大的改善和提高。