微知科普|NbTi是什么材料?有哪些优缺点?国内超导团队有什么研究发现?


自20世纪60年代首次被发现后 , NbTi一直都是超导磁体上应用最广泛的超导材料 。 NbTi 线具有强度高、延展性好、临界电流密度高和相对造价低的优点 , 可制成多丝超导线 , 超导丝的直径可在5~50微米 , 这种超导细丝可有效地减少磁通跳跃及磁化效应 。
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但NbTi超导线的不足之处是其T[C](9.3 K)及H[C2](11 T @4.2 K)较低 , 一般用于制作场强小于9 T的超导磁体 , 在研制更高场强的磁体时 , 需要用到上临界磁场更高的A15型化合物如Nb[3]Sn、Nb[3]Al等 , 其T[C]在14~23 K , H[C2]高达20~30 T 。
但A15化合物具有脆性 , 一般不能制成直径特别细的超导丝 , 其超导丝直径通常在50微米以上 , 且A15型化合物需要进行热处理才能形成超导相 。
NbTi、Nb[3]Sn、Nb[3]Al等为低温超导材料 , 一般工作在液氦温区(4.2 K) , 如磁体工作在更高温区则需要采用T[C]更高的超导线、带材 , 如Bi-2223、Bi-2212、 ReBCO或者铁基(IBS , )等 , 这些材料属于高温超导材料 , 具有更高的T[C]及H[C] 。 其中 , 特别值得一提的是對实用化铁基超导线带材的研制已有了很大的进展 。
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2016年8月 , 中国科学院电工所马衍伟团队研制出了世界上第一根百米级的铁基超导线带材 , J[C](@ 4.2 K , 10 T)超过了12000 A/cm[2] 。 铁基超导线带材因其原材料便宜 , 且材料机械性能相对较好 , 同时各向异性较小 , 被认为是极具潜力的实用化高温超导材料 。
2016年10月 , 国内超导相关院所、高校成立了“实用化高温超导材料产学研合作组” , 共同推进铁基等先进超导技术的发展 。
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在高场强超导磁体中 , 大部分的超导线圈是由超导电缆绕制而成的 , 即先用线材绕制成电缆 , 再进行线圈的绕制 。 下图所示为常用的几种电缆类型 , 其中图a为卢瑟福电缆 , 适用于NbTi、Nb[3]Sn及Bi-2212等圆线的绞制 。 图b为Cable-in-conduit 电缆 , 多用于核聚变磁体线圈的绕制 。 图c为Robel 电缆 , 多用于ReBCO等高温超导带材 。
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