【摘 要】
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相比于已经实用化的Nb3Sn超导材料,Nb3Al有着更优异的超导性能和更好的应力应变容许特性,具有很大的应用潜力。Nb,Al和Cu高温会生成不超导的三元化合物,因此青铜法并不适合于Nb3Al超导体的制备。由低温扩散方式制备的A15相Nb3Al中Al含量较低,超导性能欠佳。高性能的Nb3Al可以由RHQT（快热急冷转变法）的方式制备。在RHQT工艺中,Nb/Al前驱体在2 s之内加热到1900℃左右
【基金项目】
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国家重点研究发展计划项目（2017YFE0301401）； 国家自然科学基金（批准号:51702266,51302224,51377138,51271155）； 四川省科学基金（批准号:2017JY0057,2018JY0003）；
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相比于已经实用化的Nb3Sn超导材料,Nb3Al有着更优异的超导性能和更好的应力应变容许特性,具有很大的应用潜力。Nb,Al和Cu高温会生成不超导的三元化合物,因此青铜法并不适合于Nb3Al超导体的制备。由低温扩散方式制备的A15相Nb3Al中Al含量较低,超导性能欠佳。高性能的Nb3Al可以由RHQT（快热急冷转变法）的方式制备。在RHQT工艺中,Nb/Al前驱体在2 s之内加热到1900℃左右,之后迅速地进入镓池中冷却,再经过1000℃以下的低温后退火处理得到成分接近化学计量比的A15相Nb3Al。为了提升Nb3Al的超导性能,元素掺杂的效应被广泛研究,诸如为了提升Tc而掺入Be,B,Sn,Ga,Ge,Cu,为了稳定A15相而掺入的Cu和Ag等。本文首先通过机械合金化法制备的不同Ta掺杂含量的(Nb1-xTax)3Al块材,高能球磨获得过饱和固溶体,随后925℃,3 h热处理获得A15相。最佳掺杂量为3.0at%Ta,较于纯样Nb3Al（Tc=15.5 K;8 K,5 T下Jc=3.2×10~3A/cm~2）,该样品Tc和Jc略微下降（Tc=15.0 K;8 K,5 T下Jc=1.1×10~3A/cm~2）;Birr在4.2 K和6.0 K温度下有着微小的提升（对比于纯样,4.2 K和6 K下分别提高了0.5 T和0.3 T）。Ta的掺入并未在A15相中引入任何杂相,也没有改变Nb3Al的面钉扎机制。由以上的工作确立Ta的掺杂量为3.0 at%,通过粉末装管法制备(Nb0.97Ta0.03)3Al前驱体线材,并利用短样RHQ设备和管式炉对其进行RHQT处理,得到3.0 at%Ta掺杂的Nb3Al线材。RHQ加热能量密度为8.09 J/mm~3时,5 T以上磁场下3.0 at%Ta掺杂样品Jc（12 K,5 T下Jc=2.6×10~2A/cm~2）高于纯样Nb3Al（12 K,5 T下Jc=1.8×10~2A/cm~2）,同时Birr较于纯样也有着一定的提升(8 K和10 K下的Birr分别从10.8T和9.0 T提升至12 T和9.5 T)。通过粉末装管法制备了2.0 at%Cu,3.0 at%Cu和4.0 at%Cu掺杂的Nb3Al前驱体线材,对其进行RHQ处理过后,生成单相A15 Nb3Al,样品Tc达到14.2 K。后退火处理对短程有序的A15相长程有序化,Tc达到17.5～18.0 K,ΔTc大幅度减小至0.5 K以下。EDS结果表明A15相中Nb,Al和Cu的分布均匀,是ΔTc大幅度减小的原因。Cu掺杂使得Nb（Al）ss在高温RHQ过程中不稳定,A15相直接在淬冷过程中生成,计量比得到了改善,因而Birr巨幅提升,其中3.0 at%Cu掺杂样品Birr在8 K温度下达到了25.7 T,是纯样的两倍之多,同时该样品超导层Jc达到了3.04×10~4A/cm~2（12 K,4 T）,是纯样的四倍之多。4.0 at%Cu掺杂样品性能开始下降,理想的掺杂组分在2.0 at%Cu与3.0 at%Cu之间。同时,Cu的掺入并没有改变Nb3Al的面钉扎机制。对掺杂量为2.5 at%Cu的PIT前驱线进行RHQT处理,并在设置800℃分别进行10 h,20 h和30 h的退火条件,探究熔融区RHQ条件线材性能。金相测试验证了RHQ过程中线材处于熔融区。所有退火条件下都能观察到线材由A15相和bcc相组成。Tc和ΔTc并不随退火时间条件的改变而变化,其中800℃10 h退火样品Tc为17.6 K,ΔTc为1.4 K。退火时间适当的延长可以提升Jc,延长退火时间到20 h能使退火样品Jc性能提升至1.10×10~5A/cm~2（8.0 K,5 T）,接近于之前实验做出的JR线Nb3Al纯样。退火时间延长,Birr下降。退火时间延长至20 h可以提升Jc且Birr减小量不大,熔融区RHQ线材最佳退火条件为800℃ 20 h。
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