Bi-2223/Ag高温超导导线的关键技术优化

前驱粉的制备可以采用多种方法，如固态烧结、溶胶凝胶法、气溶胶分解法、草酸盐共沉淀法、硝酸盐喷雾热解法等。其目标是要制备得到具有合适的化学成分、相组成、粒径大小及分布和纯净度的粉体。前驱粉的各种物理化学性质对带材制备过程中以后的各个阶段工艺和最终成品都有重要的影响。主要的影响因素包括前驱粉的组分（如阳离子的化学计量比和杂质含量）、相的种类和分布以及颗粒的粒度和分布等。前驱粉的相组成对于最终带材的微观组织结构和性能都有重要的影响。具有相同化学成分而不同相组成的前驱粉，制备出来的带材性能可能大相径庭，也可能没有区别，这与他们所采用的具体工艺参数和实际的工艺条件有一定的关系。即使这样，有一点能肯定的就是，前驱粉的相组成会影响到热处理过程中生成Bi-2223的成相机制，并因此会影响到成品带材的微观组织和性能。经过多年的研究，普遍采用的前驱粉的相组成是以含Pb或者不含Pb的Bi-2212为主相，并辅以适当的碱土铜酸盐相（即Sr-Ca-Cu-O相）和含铅相。

机械变形过程在用PIT工艺制备高性能的Bi-2223/Ag超导长带过程中起着重要的作用，理想的机械变形过程应当做到以下几点：使最终带材的几何形状和尺寸（包括长度、宽度和厚度）能够满足特定场合下的应用；超导芯的几何分布和密度应当是均匀的，要避免宏观裂纹的出现；尽量提高超导芯密度和晶粒织构度。“香肠效应”是轧制过程中最常见的一种不均匀现象，它是银包套层和超导芯之间的一种波纹状的界面。这种效应不仅损害了线材的超导性能，还会引入各类缺陷和机械性能的不均匀，降低线材的弯曲和拉伸强度，甚至引起线材的断裂。Han和Freltoft提出的粉末流动模型，从机理上对香肠效应进行了解释。Han等认为在轧制初始阶段，银包套材料驱动超导前驱粉流动从而使粉末致密化，当前驱粉体达到临界密度后，由于颗粒之间的摩擦，粉末流动将会停止，而此时前方未变形处前驱粉的填充密度还未达到临界值。银包套材料可以施加在粉末上的最大压力受到了带材纵向自由度的限制，过大的轧制力会推动银越过超导粉末致密的区域而继续流变，当到银达到粉体密度较小的区域时便会驱动前驱粉再次流动，这样就产生了周期性的香肠效应。根据粉末流动模型，可以通过对自由度参数的调整，来得到均匀的形变组织[29]。

热处理是促使Bi-2223/Ag带材中的前驱粉发生反应，转变成Bi-2223超导相的过程，是使带材具有超导能力，是决定带材最终的J_c性能的关键。通过优化热处理参数，获得具有理想的Bi-2223相的Bi-2223/Ag带材是人们一直不断研究的课题。典型的热处理工艺包括第一次热处理（The first heat-treatment，HT1）、第二次热处理（The second heat-treatment，HT2）和后期热处理（The postannealingheat-treatment，PA）三个热处理过程。通常HT1和HT2工艺参数是一样的，它们只是被插入的中间轧制（Intermediate Rolling，IR）过程分成了两个热处理过程。影响热处理过程的因素很多，其中对最终带材性能影响较大的几个参数是：温度（Temperature，T）、氧分压（P_O2）、时间（Time，t）和升降温速率。一般来讲，这些参数并不是相互独立的对带材性能的产生影响，需要结合考虑，共同优化。一般来说，带材的J_c随着热处理保温时间的增加而升高，在约100h时，达到最高；过长的保温时间对提高带材的性能无益，反而会使性能下降。实际的热处理时间必须根据实际的工艺改进，配合其他参数共同优化得到，并不是一个固定值。此外，还有一些非常规的热处理方法，也可以应用于制备Bi-2223/Ag带材。考虑到Bi-2223相具有强烈的顺磁磁化率各向异性，磁场熔化处理织构（Magnetic Melt Procossing Texturing，MMPT）工艺通过加载强静磁场，能促使从熔融状态凝固生长的Bi-2223晶粒沿顺磁化方向取向择优生长，形成取向织构。然而因为需要经历熔融状态，这样的处理过程现阶段还很难实际应用于Bi-2223/Ag带材的制备。(www.xing528.com)

一般常压制备的Bi系高温超导导线临界电流密度较低，其导线的性能还有很大的提高空间。由粉末装管法制备Bi系导线的特点可以看出，导线超导芯内部是由Bi-2223多晶超导体以及不可能完全转化的第二相组成。因此，超导电流在导线流动中涉及超导电流的连接问题。致密化的超导芯以及良好的微观晶粒排布是获得高J_c带材的关键因素。然而在常压条件下制备的带材中仍然存在一定量的裂纹和孔洞，再加上常规工艺所无法完全去除的第二相粒子等，这些都会使得带材织构变差、超导芯密度降低、超导连接性能受破坏。要想获得高J_c的Bi系超导带材，必须采用新的方法减少超导芯中的裂纹和孔洞，从而可以改善带材中的晶粒连接，提高带材的传输性能。以上所提到的裂纹、孔洞等缺陷通常是在带材的热处理过程中形成的。研究结果表明，带材在常压热处理过程后会发生膨胀，其超导芯的密度要比热处理前减小20%左右，仅达到理论密度的73%。如果采用高压热处理（Hot Isostatic Pressing，HIP；也被称为Over Pres-sure，OP）技术，则可以对带材进行原位的形变热处理过程。高压惰性气体则可以使带材致密化，提高超导芯的密度，减少超导芯中的孔洞、裂纹等缺陷，从而有效地提高超导带材的临界电流密度。

一般普通的Bi-2223/Ag带材由于其Bi-2223材料的陶瓷结构以及外部银基体不高的杨氏模量，使得Bi-2223/Ag带材的抗拉强度有限。在一些带材需要承载高机械载荷的场合，如运行中大的电磁力或者用线材绕制器件时的局部产生大应力情况下，用普通的Bi-2223/Ag带材就极有可能超出其临界拉伸强度，从而造成带材内部陶瓷芯的断裂，并最终导致带材性能的急剧恶化。为了避免此种情况的发生，各主要Bi系带材生产厂商都进行了金属或合金强化的Bi-2223/Ag加强带材的研发和生产，以提高带材的杨氏模量和屈服强度，适应高强度载荷的应用。通常选取青铜或不锈钢等高强度金属或合金作为加强材料，典型的加强带具有三明治结构，中间部分为普通Bi-2223/Ag带材，上下两层为加强带材料，通过锡焊将其与带材紧密焊接在一起。