基本信息
- 项目名称：
- 银/镍复合包套铋系超导带材热处理工艺与性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 采用粉末套管的方法制备银/镍复合包套铋系超导带材，镍和超导粉末之间的Ag作为保护层，可以防止镍和超导粉末发生反应。将样品在8.5%O2（N2为平衡气）的气氛中进行两次热处理，采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析样品中的微观形貌和相组成，采用四引线法测量样品的临界电流。实验结果表明经过两次热处理后样品中的主相为Bi-2223相，其含量约为90%，样品的临近电流密度为1.46×104A/cm2。
- 详细介绍：
- 高温超导技术的应用是改造国家电力电网系统和实现大型城市大容量、高密度安全供电的理想途径。但是其原材料中贵金属银或银合金体积为60%，因而导致其成本很高，制约其商业化大规模生产。因此采用价格低廉的镍部分替代银或银合金，制备银/镍复合包套铋系超导带材（Bi-2223/Ag/Ni带材）是目前最具可行性的制备低成本高性能铋系超导带材的方法之一。本文采用粉末套管的方法（Powder in Tube，PIT）制备了Bi-2223/Ag/Ni超导带材，镍和超导粉末之间的Ag作为保护层，可以防止镍和超导粉末发生反应。采用砂磨的方法将带材一侧的镍去除，使氧可以在环境气氛与带材内部的超导材料之间进行交换。将样品在8.5%O2（N2为平衡气）的气氛中进行两次热处理，两次热处理之间进行单向压制处理，采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析样品中的微观形貌和相组成，采用四引线法测量样品的临界电流。实验结果表明经过两次热处理后样品中的主相为Bi-2223相，其含量约为90%，样品的临近电流密度为9307A/cm2。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 铋系高温超导带材是目前唯一可规模化生产的高温超导材料，原材料中存在大量昂贵银和银合金是铋系高温长带材生产成本居高不下的重要原因。这也是限制铋系高温超导带材市场化大规模应用的最主要的原因。本研究就是采用比较廉价的金属镍来代替金属银或银合金，通过合理的热处理工艺，获得比较高的临界电流密度，已达到在满足性能要求的前提下，降低铋系高温超导超导带材的生产成本的目的。
科学性、先进性及独特之处
- 将超导粉末压制成粉棒，装进纯银管内，然后插入镍管中，再拔至线材，然后轧制成带材。去除带材的一侧的镍，解决了包套材料的透氧问题，阻止镍的进一步氧化和阻止镍往银和超导材料中扩散，实现超导材料与环境气氛之间的氧交换，为主相Bi-2223的生成提供必要的条件。以金属镍替代银或者银合金，采用复合包套技术制备铋系高温超导带材，通过优化带材热处理工艺参数，可以大幅度降低铋系高温超导带材的原材料生产成本。
应用价值和现实意义
- 原材料中的银和银合金是铋系高温长带材生产成本居高不下的重要原因。采用银/镍复合套管的方法制备铋系高温超导带材（Bi-2223/Ag/Ni带材）。目前，镍的价格（约0.025$/g）不到银的价格的5%，且强度为银的2~3倍，用镍或者镍合金代替银合金可使原材料成本降低40%左右，使生产成本降低20～30%，并有可能提高带材的均匀性和超导性能。对于推动铋系超导带材的大规模市场化应用具有十分重要的意义。
学术论文摘要
- 采用价格低廉的镍部分替代银或银合金，制备银/镍复合包套铋系超导带材（Bi-2223/Ag/Ni带材）是目前最具可行性的制备低成本高性能铋系超导带材的方法之一。本文采用粉末套管的方法（Powder in Tube，PIT）制备了Bi-2223/Ag/Ni超导带材，镍和超导粉末之间的Ag作为保护层，可以防止镍和超导粉末发生反应。采用砂磨的方法将带材一侧的镍去除，使氧可以在环境气氛与带材内部的超导材料之间进行交换。将样品在8.5%O2（N2为平衡气）的气氛中进行两次热处理，两次热处理之间进行单向压制处理，施加的压力为1.5GPa。采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析样品中的微观形貌和相组成，采用四引线法测量样品的临界电流。实验结果表明经过两次热处理后样品中的主相为Bi-2223相，其含量约为90%，样品的临近电流密度为9307A/cm2。
获奖情况
- 2010年11月2-4日在日本筑波举办的23 rd International Symposium on Superconductivity 会议上发表。 2011年2月被 Physica C期刊（SCI）接收，将于近期发表。 2011年4月获得“挑战杯“东北大学秦皇岛分校课外学术科技作品竞赛特等奖。 2011年5月获得“挑战杯“2011河北省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。
鉴定结果
- 情况属实。
参考文献
- [1] 李明亚.铋系超导带材热处理过程中的氧化还原反应和性能研究:[博士学位论文].北京: 清华大学, 2004 [2] 翟体明.铋系高温超导带材热处理过程中的相变及物理性能研究:[博士学位论文].北京:清华大学, 2007 [3] Grivel J-C. Composite metallic sheathes: the key to low-cost, high strength (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10-based tapes? Supercond. Sci. Technol. 2007, 20: 1059-1064
同类课题研究水平概述
- 在国外，1998年，Huang等人就报道了镍及其氧化层对多芯铋系超导带材交流损耗的影响。此后Yamada等人的研究结果证明了Ag/Ni复合带可以作为制备Bi-2212带材的基带。Hirano等人研究镀银镍丝在Bi-2223中的特性，表明银可以有效地阻挡镍与超导材料之间的扩散与反应。日本的Ogawa等人采用喷射沉积技术成功地在Ni和NiO基底上制备出了Bi-2223厚膜，丹麦的Grivel采用银和镍双金属包覆的方法制备出了Bi-2223单芯超导短带材，但Grivel仅制备了单芯短样品，没有对带材进行热处理工艺优化的研究。在国内，2009年，由重庆大学和北京英纳超导有限公司共同承担的科研项目 “银/镍复合包套技术制备低成本铋系超导带材研究”获得的国家863计划的资助，项目组现也已基本制备出镍包套Bi系超导带材。综上所述，采用镍作为包覆材料制备Bi-2223超导带材是可行的，这为本文的研究工作奠定了理论和实验基础。
