Nb3Al超導線材實現商業化的一個技術關鍵

　　目前實現商業化應用的高場磁體用超導線材主要為Nb3Sn線材。與Nb3Sn相比，Nb3Al超導材料在高場條件下具有高的臨界電流與上臨界磁場和更好的應力應變容許特性，其超導轉變溫度與Nb3Sn相似。目前實驗室已達到的水平表明，在4.2K和15T條件下，Nb3Al的臨界電流密度達到1000A/mm2。因此，Nb3Al被材料界認為是未來高場磁體應用性能優于Nb3Sn的理想材料。

　　但是，不同于Nb3Sn，Nb3Al相只有在1940-2060℃的狹窄溫度范圍內才能穩定存在，平衡態的Nb3Al相中的Al含量偏離化學計量比，其超導體性能遠低于化學計量比下的理論值，由此造成生產工藝的復雜性及太低的成品率，這成為該材料實現大規模商業化應用的最大障礙。由Nb-Al相圖可知，隨著溫度的降低，Al含量偏離化學計量比而不斷減少，在1000℃時Al含量就減少到21%左右。因此，通過常規的低溫熱處理很難獲得具有化學計量比的Nb3Al超導體。研究表明，Nb3Al的超導性能依賴于Al含量的高低，超導轉變溫度隨著Al含量接近化學計量比而提高。因此，化學計量比的獲得是制備高性能Nb3Al超導材料的關鍵。

　　研究表明，連續快速加熱和快速冷卻，與后續低溫退火相結合的熱處理工藝是獲得具有化學計量比和小尺寸晶粒的高性能Nb3Al超導線材的有效方法。其基本方法是將Nb3Al前驅體長線置于真空腔的放線輪，以1m/s的速率經三個支撐輪后盤繞在收線輪，其中兩個支撐輪作為電極，電極間距10cm，即為加熱距離。線材進入電極范圍后，與電源形成通路以歐姆加熱的方式快速加熱到1940℃以上的固溶溫區，隨后在0.1s的極短時間內在50℃的Ga液槽內快速淬火，形成過飽和固溶體，最后在800℃進行退火，析出Nb3Al超導相。實驗證明，上述熱處理后的Nb3Al線材性能得到了較大的提升，非銅臨界電流密度在22T時高于100A/mm2。因此，上述熱處理工藝被認為是目前制備高性能Nb3Al超導線材的最佳熱處理工藝。

　　不過，透射電鏡分析表明，這種熱處理樣品中Al含量仍然低于化學計量比，而且在后續低溫成相熱處理時會形成大量的位錯，導致了該材料超導轉變溫度和上臨界磁場較低。為了避免這類位錯的形成，進一步提高Nb3Al超導線材的超導性能，可以在快速加熱和快速冷卻后，增加一個在極短時間(約0.3s)內1000℃或者1500℃的高溫成相熱處理，最后再進行800℃的有序化熱處理。經過這樣處理后的Nb3Al超導線材，臨界電流密度得到了較大的提高。透鏡分析表明樣品內部不再存在那些位錯，轉變溫度提高到18.2K或18.4K，上臨界磁場提高到28.2T或30T。

　　上述快熱快冷熱處理工藝已經獲得很大成功，但是由于線材內部結構的不均勻性，熱處理時斷線率較高。要想穩定生產千米級長線從而實現商業化應用，還需要進一步的研發工作。