钛锡共掺杂对RHQT法制备Nb3Al超导丝材性能的协同增强效应及其机制研究

为解决Nb3Al超导材料在高场磁体中临界电流密度(Jc)不足的问题，西南交通大学团队通过RHQT（快速加热淬火转变）技术制备Ti-Sn共掺杂Nb3Al丝材。研究发现0.5%Ti-1%Sn掺杂使Jc提升52%（1.1×105A/cm2@4.2K,12T），其机制源于纳米级Ti6Sn5颗粒形成的点钉扎中心。该研究为长线材制备提供了新思路，发表于《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》。

　　

在追求可控核聚变的道路上，超导磁体如同"人造太阳"的骨架，其性能直接决定能量约束效率。国际热核实验堆（ITER）目前采用的Nb₃Sn超导体面临15T以上高场时电流承载能力骤降的困境，而具有A15结构的Nb₃Al因其更高的临界温度（T_c=17.8K）和优异的应变耐受性被视为下一代候选材料。然而传统制备方法难以获得化学计量比的Nb₃Al相，且现有掺杂策略常以牺牲材料加工性能为代价。

西南交通大学研究团队创新性地采用RHQT（快速加热淬火转变）技术结合Ti-Sn共掺杂策略。通过将Nb-Al前驱体丝在2000℃瞬时加热后淬火，形成Nb(Al)_ss过饱和固溶体，再经800℃热处理转化为Nb₃Al超导相。关键技术包括：1）粉末原位封装（PIT）法制备多组分配比前驱体；2）同步辐射XRD分析相变过程；3）临界电流密度测试系统（4.2K-12T）；4）透射电镜观察纳米沉淀相分布。

实验结果

1. 相组成分析：XRD证实所有样品经RHQT处理后均形成单一A15相，未掺杂样品晶格常数为5.189?，Ti-Sn共掺杂样品扩大至5.193?，表明掺杂元素进入晶格。
2. 微观结构：TEM显示样品中均匀分布着10-20nm间距的堆垛层错，Ti-Sn共掺杂样品额外存在5-15nm的Ti₆Sn₅颗粒（原子比Ti:Sn≈1:2）。
3. 超导性能：0.5%Ti-1%Sn组在4.2K,12T下J_c达1.1×10⁵A/cm²，较未掺杂组提升52%；0.25%Ti-0.5%Sn组在10K,8T下J_c提升50%。
4. 钉扎机制：归一化钉扎力曲线峰值向高场区移动（b=B/B_c2从0.33→0.45），符合点钉扎特征。

结论与意义
该研究揭示了Ti-Sn共掺杂通过形成Ti₆Sn₅纳米颗粒（钉扎中心间距≈100nm）与堆垛层错的协同作用，将Nb₃Al的钉扎力提升至"本征缺陷+人工纳米复合"的新高度。特别值得注意的是，这种"溶解-析出"的掺杂策略完美兼容千米级长线材加工需求，避免了传统氧化物掺杂导致的脆性问题。研究为ITER级磁体提供了兼具高J_c与良好加工性的超导材料解决方案，相关技术路线已申请中国发明专利（作者Yuyao Zhang等）。