高场磁体用Nb3Sn超导线研制及其临界电流退化机理研究

Nb3Sn superconducting strand is widely used in the high magnetic field system because it still has comparatively high critical current (Ic) at high background field (>12T). This program aims to get the fabrication technology of Nb3Sn wire with non-copper critical current density (Jcn) up to 2500 A/mm2 at 12T & 4.2K by methods of adjusting the Nb/Sn/Cu ratio design and strand structure. The relationship between the parameters (the Nb/Sn ratio, filament dimension, heat treatment condition) and the performance of Nb3Sn strand at low temperature will be researched on. And the performance degradation mechanism for Nb3Sn strand will be analyzed. Tests will be done for the high field Nb3Sn strand, including microstructure analysis, Ic-strain measurements, stress-strain measurements, etc. Combined the FEM analysis results, Ic-strain test results, microstructure parameters and mechanical parameters, the influence law of microstructure on the Ic-strain characteristic will be analyzed and a theoretic model will be built. Then the optimized fabrication method will be proposed for the strand with high Jcn and low degradation under stress. This program will provide valuable basis for both of the fabrication and application of high field Nb3Sn wires. It can also be used as a reference for other fragile superconduting materials fabrication.

Nb3Sn超导线材因其在高背景场(>12T)仍具有较高载流能力而被广泛应用于高场磁体系统，本项目旨在通过调整内锡法Nb3Sn超导线材Nb/Sn/Cu设计比及线材结构以获得12T & 4.2K条件下非铜区临界电流密度高于2500A/mm2的线材制备技术，并在此基础上研究线材低温性能随Nb/Sn比、Nb芯丝尺寸、热处理制度的变化规律及其低温载流能力随应力应变的退化机理。通过对超导线微观结构分析以及超导线样品应变下临界电流实验研究，结合超导线机械性能参数以及有限元力学分析结果，分析并找出超导线制备过程对其微观结构的影响规律，同时分析微观结构对超导线载流能力及应力下材料性能退化的影响规律并建立理论模型，进而提出高性能低应变影响的高场Nb3Sn超导线优化制备方案。为高场磁体用Nb3Sn超导线的制备和应用提供理论依据，并为其它脆性超导材料制备提供参考。

高性能Nb3Sn超导线有望成为15T左右大型高场超导磁体的主力超导材料,尤其可能应用于下一代的聚变磁体系统及加速器磁体系统中,具有十分广阔的应用前景。然而，高性能Nb3Sn超导线结构及生产工艺非常复杂，为推动我国高性能Nb3Sn超导线的研制及应用，本项目通过调整内锡法Nb3Sn超导线材元素设计及线材结构，成功研制出了12T & 4.2K条件下非铜区临界电流密度高于2500A/mm2的Nb3Sn超导线材。在此基础上研究线材低温性能随Nb/Sn比、芯丝尺寸、热处理制度的变化规律及其低温载流能力随应力应变的退化性能。主要的研究工作及取得的成果如下： .1)优化了超导线材导体结构设计。通过优化Cu/Nb/Sn各组元比例和组装方式，在国内首次开发出组元重复组装的高临界电流Nb3Sn超导线材导体结构设计技术。.2)突破高Nb含量(>50%) CuNb多芯复合棒制备工艺。.3)优化了热处理制度。通过对热处理制度的优化，系统研究了成相温度、热处理时间、升温速度等关键热处理参数对股线微结构和性能的影响，获得高场Nb3Sn超导线材的热处理技术，制备出了满足项目要求的高场Nb3Sn超导线材。.4)改进了CuNb包套结构设计和组装方式，解决了长线加工问题，改善了复合线截面变形，控制合适的Sn含量，并为后续通过其他方式实现低铜比线材探索了工艺。.5)研发了针对高场Nb3Sn的系列实验平台，主要包括：高稳定性的高电流临界电流测试系统；应力下临界电流测试实验系统；超导线力学拉伸装置。.6)开展了超导线性能实验与研究，主要包括：基本临界电流性能实验研究；热处理前后机械性能研究；应力应变临界电流性能实验与模型分析。为高场Nb3Sn超导线的进一步优化提供了依据，为实现国产高场Nb3Sn超导线实用化提供了重要参考。