[发明专利]一种高温烧结法制备铌铝超导材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及超导材料领域，具体涉及一种高温烧结法制备铌铝超导材料的方法。

背景技术

超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。高温超导材料的生产技术随着时间的发展不断成熟，价格也随之降低，市场竞争能力不断增加，具有体积小，重量轻，损耗低和传输容量大的优点，是传统电缆的升级换代产品。

在实用超导材料中，A15型金属间化合物由于具有较高的临界温度、临界磁场和临界电流密度，其开发和应用最为普遍和迅速。作为A15型金属间化合物的一种，Nb₃Al超导材料具有更高的临界磁场和临界电流密度及更好的应变容许特性。其超导临界转变温度可达18.9K，上临界磁场为29.5T(4.2K)，均超过了Nb₃Sn超导材料。此外，其临界电流密度高达1000A/mm2(16T,4.2K)，在应力不超过210MPa的条件下，临界电流密度几乎没有变化。因此，Nb3Al超导材料是制作大型高场磁体最理想的超导材料之一。

高温合成铌铝超导材料的工艺普遍复杂难度大，或对设备要求高。基于密度泛函的一系列计算表明颗粒细小的反应物使反应中的活化能大幅减少，降低合成难度。本发明利用铌粉吸收气体的特性，首先通过氢气与铌粉的物理化学作用，产生含有氢气的铌粉与微量铌氢化合物，达到细化铌粉的目的，使反应中的活化能大幅减少，降低合成难度。后续的热处理过程中氢气及少量氢化物会抑制铌粉和铝粉与烧结环境中存在的微量空气发生氧化反应，避免引入氧化物，氮化物等杂质，确保产品质量。

发明内容

本发明提供一种高温烧结法制备铌铝超导材料的方法，该制备方法将铝粉加入到氧化石墨烯溶液，实现了单层石墨烯包覆铝粉，热处理后石墨烯无团聚，能够紧密均匀结合铝粉，制备的石墨烯包覆铝粉，其界面为石墨烯，避免了铝粉的氧化，该制备方法还利用铌粉吸收气体的特性，首先通过氢气与铌粉的物理化学作用，产生含有氢气的铌粉与微量铌氢化合物，达到细化铌粉的目的，使反应中的活化能大幅减少，降低合成难度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高温烧结法制备铌铝超导材料的方法，该方法包括如下步骤：

（1）制备石墨烯包覆的铝粉

将氧化石墨烯置于乙醇中，超声分散得到氧化石墨烯溶液，所述超声分散的功率为1200W-3000W，超声分散的时间为20min-40min；然后向氧化石墨烯溶液中加入球形纳米铝粉，搅拌均匀后过滤得到滤渣，将所述滤渣真空干燥，得到混合粉体；所述球形纳米铝粉的质量为氧化石墨烯质量的50-80倍；

所述混合粉体在还原性气氛中进行热处理，所述热处理的温度为500℃-800℃，升温速度为20℃/min-50℃/min，得到石墨烯包覆铝粉；

（2）预处理铌粉

将纯度为99.999％的Nb粉均匀铺洒在石英舟内，放入管式炉，通入体积配比为10％-100％的氢气和90％-0的氮气混合气，在400-420℃的温度区间加热，保温3小时，随炉冷却后取出，得到预处理铌粉；

（3）取上述预处理Nb粉和上述石墨烯包覆铝粉，按照Nb和Al的原子比为3:1的比例混合，将混合粉末置于球磨罐中，加入球磨剂，进行高能球磨加工，所述球磨罐中球与混合粉末的质量比为10:（1-1.5），球磨罐中充入氮气，转速为1000-1500r/min，球磨时间为6-8h，制得混合粉体；

（4）将上述混合粉体使用模具压制成形，压制压力为15-20MPa，制成块片状料坯，用铌箔包裹，将包裹好的块片状料坯装入石英舟中，将石英舟放在管式炉中，在4-6％的氢气与96-94％的氮气混合气保护中，将炉温升温至1000-1400℃，保温6-8h进行烧结反应，然后快速冷却至室温，即制得铌铝超导材料。

优选的，所述步骤（1）中，所述的还原性气氛为氮气和氢气的混合气体，混合气体中氢气的体积百分含量为10％-15％，所述氧化石墨烯溶液的浓度为1mg/mL-3mg/mL。

具体实施方式

实施例一

将氧化石墨烯置于乙醇中，超声分散得到氧化石墨烯溶液，所述超声分散的功率为1200W，超声分散的时间为20min；然后向氧化石墨烯溶液中加入球形纳米铝粉，搅拌均匀后过滤得到滤渣，将所述滤渣真空干燥，得到混合粉体；所述球形纳米铝粉的质量为氧化石墨烯质量的50倍；所述氧化石墨烯溶液的浓度为1mg/mL。