本發(fā)明屬于超導材料加工技術領域，具體涉及一種Bi2223超導材料的強化方法。

背景技術：

低溫超導材料中，NbTi和Nb₃Sn已經(jīng)實現(xiàn)了成熟的商業(yè)化應用，被廣泛應用于各類磁體的制造。NbTi和Nb₃Sn的超導轉(zhuǎn)變溫度較低，實際使用過程中需要使用液氦作為低溫介質(zhì)，以保證NbTi和Nb₃Sn處于超導狀態(tài)。目前，液氦通過將氦氣收集、提純和液化等復雜工序而得到，且用于制備液氦的氦氣來源于天然氣而非空氣，其在天然氣中的含量最高僅為7.5％，使得液氦成本較高。目前，國際上已經(jīng)將液氦作為戰(zhàn)略性資源，進一步提高了液氦的使用成本，從而使得NbTi和Nb₃Sn的使用成本大幅提高。

(Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x(Bi2223)具有高達110K的超導轉(zhuǎn)變溫度，在液氮溫區(qū)即可實現(xiàn)超導電性，也可通過制冷機來實現(xiàn)超導電性，該材料的實用化將會突破低溫超導材料必須使用液氦的壁壘，極大的降低使用成本。當前，Bi2223超導帶材通過將前驅(qū)粉裝入銀管進行拉拔和軋制而獲得，由于其基體材料為銀，帶材的強度很低，在較低的應力作用下，臨界電流就會大幅下降，給實際應用帶來了限制。因此，通過合適的工藝提高Bi2223超導帶材的強度，將會有效拓展該材料的應用范圍。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種Bi2223超導材料的強化方法，解決了現(xiàn)有Bi2223超導帶材強度有限，無法滿足高應力環(huán)境使用需求的問題。

本發(fā)明所采用的技術方案是：一種Bi2223超導材料的強化方法，具體為：制備其中一個表面上生長有石墨烯的金屬基帶，在Bi2223超導帶材兩個表面均焊接長有石墨烯的金屬基帶，即完成Bi2223超導材料的強化。

本發(fā)明的特點還在于，

表面生長有石墨烯的金屬基帶的制備過程，具體為：將金屬帶材放入反應腔內(nèi)，將反應腔抽真空至10^-1-10^-3Pa，向反應腔中通入氫氣，使反應腔內(nèi)氣壓達到10-20mbar，加熱反應腔，保溫，使金屬帶材均勻受熱；然后向反應腔內(nèi)通入甲烷氣體，石墨烯開始在金屬帶材的一個表面上生長；停止通入甲烷氣體和加熱，待反應腔溫度降低到室溫時，停止通入氫氣，取出，即得到生長有石墨烯的金屬基帶。

加熱溫度為900℃-1000℃，保溫時間為1-5h。

石墨烯生長時間為10-60min。

金屬基帶為銅帶、鎳帶、銅鎳合金帶、鍍銅不銹鋼帶或鍍鎳不銹鋼帶中的任意一種。

金屬基帶的寬度與Bi2223超導帶材相等。

與Bi2223超導帶材焊接的生長有石墨烯的金屬基帶表面為金屬表面。

焊接金屬基帶和Bi2223超導帶材的焊料為錫、錫銀或者錫鉛中的任意一種。

金屬基帶和Bi2223超導帶材的焊接在真空或氬氣條件下進行。

本發(fā)明的有益效果是，一種Bi2223超導材料的強化方法，利用石墨烯的高強度特性，將生長有石墨烯的金屬基帶焊接到Bi2223超導帶材表面，有效提高了Bi2223超導帶材的強度，擴大了該材料的應用范圍。

附圖說明

圖1是本發(fā)明制備方法中生長有石墨烯的金屬基帶的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明制備方法中焊接有石墨烯金屬基帶的Bi2223超導帶材的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1.石墨烯，2.金屬基帶，3.Bi2223超導帶材。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明一種Bi2223超導材料的強化方法，具體包括以下步驟：

步驟1，制備單芯線材

在真空條件下，將前驅(qū)粉裝入純銀管，銀管兩端密封防止空氣中的氣體進入，獲得單芯棒材。前驅(qū)粉由(Bi,Pb)2212，Ca₂PbO₄，CuO，(Ca,Sr)₂CuO₃相組成，前驅(qū)粉中金屬元素(Bi,Pb)，Sr，Ca，Cu的名義配比為2:2:2:3。對單芯棒材進行多道次的拉拔加工，線材的道次加工量為10％-20％，以減小線材的直徑。最終得到橫截面為圓形或正六邊形的單芯線材。

步驟2，制備多芯帶材

將步驟1制備的橫截面為圓形或正六邊形的單芯線材截為長度相等的若干段，獲得亞組元。然后將若干亞組元集束裝入純銀管或銀合金管，得到多芯復合棒材。對多芯復合棒材進行多道次的拉拔加工，線材的道次加工量為10％-20％，以減小線材直徑，得到多芯線材。最后對多芯線材進行多道次的平輥軋制，單道次軋制量為5％-80％，得到芯絲厚度小于30μm的多芯帶材。

步驟3，熱處理

將步驟2制備的多芯帶材在7.5％氧含量的氬氣或氮氣中進行熱處理，然后進行單道次軋制以提高帶材的密度，道次軋制量為5％-30％，隨后將軋制后帶材在7.5％氧含量的氬氣或氮氣中進行二次熱處理，以獲得高性能的Bi2223超導帶材。

步驟4，制備高強度Bi2223帶材

4.1將寬度與Bi2223超導帶材相等的金屬帶材(銅帶、鎳帶、銅鎳合金帶、鍍銅不銹鋼帶或鍍鎳不銹鋼帶)放入反應腔內(nèi)，并對反應腔抽真空至10^-1-10^-3Pa。向反應腔中通入氫氣，使反應腔內(nèi)氣壓達到10-20mbar。對反應腔進行900℃-1000℃加熱，保持1-5h，使金屬帶材均勻受熱。

4.2向反應腔內(nèi)通入甲烷氣體，石墨烯開始在基體帶材的一個表面上生長，生長時間為10-60min，以獲得不同層數(shù)的石墨烯。停止通入甲烷氣體和加熱，待反應腔溫度降低到室溫時，停止通入氫氣，取出生長有石墨烯的金屬基帶，如圖1所示。

4.3在真空或氬氣環(huán)境下，將具有石墨烯的金屬基帶的金屬一面通過錫焊接到Bi2223帶材兩個表面，即得到高強度的Bi2223超導帶材，如圖2所示。

焊接金屬基帶和Bi2223超導帶材的焊料為錫、錫銀或者錫鉛。

本發(fā)明利用石墨烯的高強度特性，將生長有石墨烯的金屬基帶焊接到Bi2223超導帶材表面，有效提高了超導帶材的強度，擴大了該材料的應用范圍。

實施例1

在真空度為10^-3Pa的密閉真空環(huán)境中，將原子配比為Bi:Pb:Sr:Ca:Cu＝1.8:0.3:1.9:2.0:3.04，相組成為(Bi,Pb)2212，Ca₂PbO₄，CuO，(Ca,Sr)₂CuO₃的前驅(qū)粉末裝入純銀管中，銀管兩端用銀堵頭密封，獲得單芯棒。采用10％的道次加工量，對該單芯棒材進行多道次拉拔，獲得對邊距為正六邊形的亞組元。將亞組元剪切為等長的85段，集束裝入銀合金管中，進行多道次拉拔，道次加工量為20％，獲得多芯細線。然后以5％的道次壓下量對該細線進行軋制，獲得厚度為0.25mm，寬度為4.2mm的多芯帶材。在7.5％氧含量的氬氧混合氣中，將帶材加熱到825℃，熱處理50h熱處理，隨后以30％的道次壓下量進行單道次軋制，最后在相同的熱處理氣氛下，在828℃進行70h成相熱處理。

將寬度與Bi2223超導帶材相等的Cu帶放入反應腔內(nèi)，并對反應腔抽真空至10^-1Pa。向反應腔中通入氫氣，使反應腔內(nèi)氣壓達到15mbar。將反應腔加熱至900℃，保持3h使銅帶受熱均勻。隨后向反應腔內(nèi)通入甲烷氣體，石墨烯開始在基體帶材上生長，生長時間為30min，獲得石墨烯。最后停止通入甲烷氣體和加熱，待反應腔溫度降低到室溫時，停止通入氫氣，取出生長有石墨烯的帶材。然后在真空環(huán)境下，將具有石墨烯的金屬帶材的金屬一側(cè)通過錫焊接到Bi2223帶材表面兩側(cè)，獲得高強度的Bi2223超導帶材。截取50cm長的高強度Bi2223帶材進行低溫(77K)抗拉強度測試和最小彎曲半徑測試，分別得出臨界電流在無任何應力應變條件下臨界電流的95％時，帶材的抗拉強度和彎曲半徑。

實施例2

按與實施例1相同的方法制得Bi2223多芯超導帶材。將寬度與Bi2223超導帶材相等的鎳帶放入反應腔內(nèi)，并對反應腔抽真空至10^-3Pa。向反應腔中通入氫氣，使反應腔內(nèi)氣壓達到10mbar。將反應腔加熱至1000℃，保持3h使鎳帶受熱均勻。隨后向反應腔內(nèi)通入甲烷氣體，石墨烯開始在基體帶材上生長，生長時間為40min，獲得石墨烯。最后停止通入甲烷氣體和加熱，待反應腔溫度降低到室溫時，停止通入氫氣，取出生長有石墨烯的帶材。然后在真空環(huán)境下，將具有石墨烯的金屬帶材的金屬一側(cè)通過錫焊接到Bi2223帶材表面兩側(cè)，獲得高強度的Bi2223超導帶材。截取50cm長的高強度Bi2223帶材進行低溫(77K)抗拉強度測試和最小彎曲半徑測試，分別得出臨界電流在無任何應力應變條件下臨界電流的95％時，帶材的抗拉強度和彎曲半徑。

實施例3

按與實施例1相同的方法制得Bi2223多芯超導帶材。將寬度與Bi2223超導帶材相等的鎳銅合金帶放入反應腔內(nèi)，并對反應腔抽真空至10^-3Pa。向反應腔中通入氫氣，使反應腔內(nèi)氣壓達到10mbar。將反應腔加熱至1000℃，保持3h使鎳銅帶受熱均勻。隨后向反應腔內(nèi)通入甲烷氣體，石墨烯開始在基體帶材上生長，生長時間為10min，獲得石墨烯。最后停止通入甲烷氣體和加熱，待反應腔溫度降低到室溫時，停止通入氫氣，取出生長有石墨烯的帶材。然后在氬氣環(huán)境下，將具有石墨烯的金屬帶材的金屬一側(cè)通過錫焊接到Bi2223帶材表面兩側(cè)，獲得高強度的Bi2223超導帶材。截取50cm長的高強度Bi2223帶材進行低溫(77K)抗拉強度測試和最小彎曲半徑測試，分別得出臨界電流在無任何應力應變條件下臨界電流的95％時，帶材的抗拉強度和彎曲半徑。

實施例4

按與實施例1相同的方法制得Bi2223多芯超導帶材。將寬度與Bi2223超導帶材相等的銅合金帶放入反應腔內(nèi)，并對反應腔抽真空至10^-2Pa。向反應腔中通入氫氣，使反應腔內(nèi)氣壓達到20mbar。將反應腔加熱至950℃，保持3h使銅帶受熱均勻。隨后向反應腔內(nèi)通入甲烷氣體，石墨烯開始在基體帶材上生長，生長時間為60min，獲得石墨烯。最后停止通入甲烷氣體和加熱，待反應腔溫度降低到室溫時，停止通入氫氣，取出生長有石墨烯的帶材。然后在氬氣環(huán)境下，將具有石墨烯的金屬帶材的金屬一側(cè)通過錫焊接到Bi2223帶材表面兩側(cè)，獲得高強度的Bi2223超導帶材。截取50cm長的高強度Bi2223帶材進行低溫(77K)抗拉強度測試和最小彎曲半徑測試，分別得出臨界電流在無任何應力應變條件下臨界電流的95％時，帶材的抗拉強度和彎曲半徑。

實施例5

按與實施例1相同的方法制得Bi2223多芯超導帶材。將寬度與Bi2223超導帶材相等的，表面鍍銅的不銹鋼帶放入反應腔內(nèi)，并對反應腔抽真空至10^-3Pa。向反應腔中通入氫氣，使反應腔內(nèi)氣壓達到20mbar。將反應腔加熱至1000℃，保持3h使表面鍍銅的不銹鋼帶受熱均勻。隨后向反應腔內(nèi)通入甲烷氣體，石墨烯開始在基體帶材上生長，生長時間為20min，獲得石墨烯。最后停止通入甲烷氣體和加熱，待反應腔溫度降低到室溫時，停止通入氫氣，取出生長有石墨烯的帶材。然后在氬氣環(huán)境下，將具有石墨烯的金屬帶材的金屬一側(cè)通過錫焊接到Bi2223帶材表面兩側(cè)，獲得高強度的Bi2223超導帶材。截取50cm長的高強度Bi2223帶材進行低溫(77K)抗拉強度測試和最小彎曲半徑測試，分別得出臨界電流在無任何應力應變條件下臨界電流的95％時，帶材的抗拉強度和彎曲半徑。

對比普通Bi2223帶材和本發(fā)明實施例中制備得到的高強度Bi2223帶材的抗拉強度和彎曲半徑檢測結(jié)果如下表：

從上表中可以看出，本發(fā)明得到的高強度Bi2223帶材抗拉強度明前增大，遠遠高于普通Bi2223帶材，同時其最小彎曲半徑也明顯減小。說明通過本發(fā)明方法的強化，Bi2223帶材的強度性能有了明顯提升。此外，從實施例1-5可以看出，由于石墨烯的生長時間越短，獲得的石墨烯層數(shù)越少，所以強化效果越明顯，即帶材的抗拉強度越高，最小彎曲半徑越小。