[发明专利]金属超导线的扩散屏障

说明书

在各种实施例中，超导线包含由Nb合金或Nb‑Ta合金组成的扩散屏障，其抵抗内部扩散并为导线提供优越的机械强度。

相关申请

本申请要求2018年3月7日提交的美国临时专利申请No.62/639,530的权益和优先权，其全部公开内容通过引用包含于此。

技术领域

在各种实施例中，本发明涉及包含用于防止相互扩散的扩散屏障的超导线的形成和加工。

背景技术

超导材料在冷却到低于其特征临界温度时表现为没有电阻。虽然已经识别了临界温度高于氮气的77K沸点的高温超导体材料，但这些材料通常是特异的(例如钙钛矿陶瓷)，难以加工，并且不适合强场应用。因此，对于需要导线和导线圈及其束的实际超导应用，最常使用金属超导体Nb-Ti和Nb₃Sn。虽然这些材料的临界温度低于77K，但是加工这些材料(例如，拉成导线)的相对容易性以及它们在高电流和高磁场下工作的能力已经导致它们的广泛使用。

典型的金属超导线特征在于嵌入铜(Cu)导电基体内的超导相的多股(或“丝”)。尽管Nb-Ti具有足以直接拉伸成细导线的延展性，但其适用性通常限于特征为具有低于约8特斯拉强度的磁场的应用。Nb₃Sn是脆性金属间相，不能承受拉丝变形，因此通常在拉丝后经由扩散热处理形成。Nb₃Sn超导材料通常可用于特征为具有高达至少20特斯拉强度的磁场的应用中。因此，已经利用几种不同的技术来制造基于Nb₃Sn的超导线。例如，在“青铜工艺”中，大型复合材料由Nb棒和围绕Nb棒的Cu-Sn合金棒(包括例如13-15％Sn)制成。由于这些材料是易延展的，因此可以将复合材料拉伸至合适的直径，然后将拉伸的复合材料退火。热处理导致在Nb和Cu-Sn之间的界面处的相互扩散和Nb₃Sn相的形成。用于形成基于Nb₃Sn的超导线的其他工艺类似地涉及在拉丝之后脆性Nb₃Sn相的形成。例如，纯Sn或具有Cu或Mg的Sn合金可以合并在初始复合材料的内部中并在拉伸后退火。可替换地，Nb丝可以嵌入Cu基体中并拉伸成导线。随后可以用Sn涂覆所得到的导线。加热涂覆的导线，形成Sn-Cu相，其最终与Nb丝反应形成Nb₃Sn相。

虽然上面详述的技术已经导致成功制造用于许多不同应用的金属超导线，但是所得到的导线通常表现出不足的电性能。典型的超导线包含许多上述Nb₃Sn或Nb-Ti丝，它们嵌入Cu或包含Cu的稳定器中，设置在稳定器周围和/或被稳定器围绕，稳定器为导线提供足够的延展性，以便在工业系统中进行处理和结合。虽然这种稳定器本身不是超导的，但是Cu的高导电性可以使导线具有令人满意的整体电性能。遗憾的是，来自超导丝的各种元素(例如，Sn)可能与Cu基稳定器的部分反应，形成低导电性相，其负面地影响整个导线的整体导电性。虽然已经利用扩散屏障来保护稳定器免受超导丝的影响，但是这些屏障往往具有不均匀的横截面积，并且甚至可能由于在扩散屏障和稳定器的共处理期间的不均匀变形而局部破裂。尽管可以简单地使这种扩散屏障更厚，但是由于扩散屏障材料本身的导电性较低，这种解决方案会影响导线的整体导电性。例如，对于前沿和未来的应用，例如新的粒子加速器和对撞机，磁铁被设计为超出了现有的导线能力；这种导线在15特斯拉时需要的非铜临界电流密度大于2000A/mm²。由于扩散屏障是非铜部分的一部分，因此最小化任何屏障材料的体积是重要的，同时任何强度益处都是有利的。

鉴于上述情况，需要金属超导线的改进的扩散屏障，其基本上防止涉及稳定器或各种元素(例如，Cu)的有害反应，同时保持均匀地薄，以便不占据导线的总横截面积的显著部分。

发明内容