NbTi (NbTi) supraleitend ist ein typisches Quantenmaterial. Seine überragenden Eigenschaften sind für über 80 % des weltweiten Verbrauchs supraleitender Materialien verantwortlich. Lange Zeit waren die in China für viele High-End-Anwendungen wie Magnetresonanztomographie (MRT), Großforschungsprojekte usw. benötigten NbTi-Materialien ausschließlich auf Importe angewiesen, was mit sehr hohen Preisen verbunden war. Gleichzeitig steigen mit der rasanten Entwicklung fortschrittlicher neuer supraleitender Anwendungen wie der modernen medizinischen Hochfeld-MRT, Hochenergie-Beschleunigern mit schnellen Impulsen, fortschrittlichen Lichtquellen, Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebetechnik, Quantencomputern usw. die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und die industrielle Verarbeitbarkeit von NbTi-Materialien stetig. Die Herstellung von NbTi-Supraleiterdrähten mit hoher kritischer Stromdichte (J), hoher thermischer Stabilität und geringen Wechselstromverlusten sowie deren Massenproduktion hat sich zu einem zentralen Wettbewerbsthema im internationalen Supraleitungsbereich entwickelt. Neue Technologien müssen entwickelt und industrialisiert werden.
Dieses Projekt blickt auf über zwanzig Jahre Forschung und Entwicklung zurück und hat systematisch die Flussverankerungssteuerungstechnologie für NbTi-Drähte sowie die umfassende Kraft-, Wärme- und elektromagnetische Stabilisierungstechnologie für Drähte erforscht. Hochleistungsfähige NbTi-Supraleitermaterialien wurden mithilfe dieser Technologie entwickelt, in Serie gefertigt und in großem Maßstab realisiert, wodurch eine Lücke im heimischen Markt geschlossen wurde. Hochleistungsfähige NbTi-Supraleiterdrähte finden weltweit breite Anwendung und werden 2024 einen globalen Marktanteil von über 55 % erreichen – weltweit führend. Zu den wichtigsten wissenschaftlichen Innovationen zählt die Entwicklung einer speziellen Technologie zur Flussverankerungssteuerung von Drähten mit hoher kritischer Stromdichte, die auf einer Kombination aus Alterungswärmebehandlung und Kaltverformung basiert. Nanostrukturierte, blattartige a-Ti-Ausscheidungsphasen und hochdichte Versetzungen dienten als effektive Pinningzentren. Mitteltemperatur-, Langzeit- und mehrfache (385 °C x 40 h x 5) Wärmebehandlung sowie Kaltverformung mit hoher Dehnung wurden eingesetzt, um Größe und Verteilung der Flusspinningzentren zu steuern. Dadurch konnte die Stromdichte J bei 4,2 K und 5 T im Vergleich zum im internationalen Tokamak-Fusionsreaktor (ITER) verwendeten Draht um 13 % auf 3251 A/mm² erhöht werden.
Die Nb-Technologie zur künstlichen Pinningbildung wurde entwickelt, um die Dichte effektiver Pinningzentren zu erhöhen. Erstmals wurde ein mehrkerniger NbTi-Supraleiterdraht mit einem Gehalt von bis zu ~30 % und gleichmäßig verteilten Pinningzentren hergestellt. Der Anteil des magnetischen Flussverankerungszentrums (a-Ti + Nb) wurde auf ca. 50 % erhöht, und die kritische Stromdichte J bei 4,2 K und 2 T stieg um 67 % auf 8778 A/mm². Die Ta-Dotierungstechnologie wurde entwickelt, um das obere kritische Magnetfeld zu erhöhen und dadurch die kritische Stromdichte zu steigern. Die erste hochhomogene NbTiTa-Legierung mit hohem Ta-Gehalt (10 Gew.-%) wurde hergestellt und ein Wärmebehandlungsverfahren für mittlere Temperaturen, kurze Zeit und wenige Zyklen (385 °C × 5 h × 3) entwickelt. Die Stromdichte J bei 4,2 K und 9 T wurde um 47 % auf 787 A/mm² erhöht. Der erfolgreiche Durchbruch dieser Technologie legte den Grundstein dafür, dass NbTi-Supraleitermaterialien neue Anwendungsbereiche vollständig abdecken können.
Die Entwicklung einer neuen Struktur für hochtemperaturstabile NbTi-Supraleiterdrähte und die zugehörige Herstellungstechnologie führten zur Entwicklung eines neuen NbTi/Cu-Supraleiterdrahts mit hohem Kupferanteil und exzellenter thermischer Stabilität. Das Design und die Herstellungstechnologie für kontinuierlich eingebettete Schweißleiter mit „Supraleiterkern + U-förmigem Kupferschlitzdraht“ wurden erfunden. Ein eigens entwickeltes Verfahren zur internen Kupferlotbeschichtung des Kupferschlitzes mit geringer Bearbeitungsrate und hochpräzisen Spezialwerkzeugen ermöglicht das fehlerfreie Verschweißen von Kerndraht und U-förmigem Kupferschlitzdraht. Die erste Anlage zum Online-Einbetten und Einbetten von kupferummantelten Drähten wurde entwickelt und eine Produktionslinie aufgebaut, die Oberflächenaktivierung, Einbetten und zerstörungsfreie Online-Prüfung integriert. Ein supraleitender Kupferdraht mit einer Länge von 10.000 Metern, einem Kupferanteil von bis zu 55 und einem Restwiderstandsverhältnis von bis zu 263 wurde in Serie gefertigt. Die Technologie zur Entwicklung einer Polyesterfilament-Webisolierung und der dazugehörigen Anlagen wurde entwickelt. Diese verbessert die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Drahtes bei gleichbleibender Isolationsfestigkeit. Eine Produktionslinie mit einer Jahreskapazität von 5.000 Tonnen hochtemperaturstabilem NbTi-Supraleiterdraht für MRT-Anwendungen wurde errichtet. Die Leiterstruktur und das Verarbeitungsverfahren für NbTi-Supraleiterdrähte mit mikrofeinen Kernen wurden entwickelt. Diese Leiterstruktur und dieses Verfahren basieren auf einer Cu5Ni-Legierung und ermöglichen eine gute plastische Verformbarkeit mit dem gealterten NbTi-Kerndraht. Gleichzeitig reduzieren die hohen Widerstandseigenschaften die Wirbelstromverluste des Drahtes effektiv. Es wurde eine Technologie zur Kaltverdrillung und -verarbeitung von Verbundkörpern mit ultrafeinem Kern entwickelt, die das Problem der Vierkomponenten-Kooperationsverformung bei einem Verarbeitungsvolumen von 99,999 % plastischer Verformung vollständig löst. Die 360°-Kurztorsion und die hochpräzise Verdrillungstechnologie sowie die dazugehörige Ausrüstung wurden entwickelt. Durch hohe Verdrillungsgeschwindigkeit, niedrige Abwickelgeschwindigkeit und hochpräzise Koordination konnte erstmals ein ultrafeiner NbTi-Supraleiterdraht mit einem Durchmesser von 1,9 µm und einem Drehmoment von 6 mm verdrillt werden. Dadurch wurden die Probleme des Drahtbruchs unter hoher Scherspannung und der starken J-Wert-Degradation gelöst.
Schließlich wurde die weltweit erste NbTi-Supraleiter-Langleitung mit der größten Anzahl an Kernen (75.276 Kerne) und den dünnsten Kerndrähten (1,9 µm) erfolgreich hergestellt. Im Vergleich zu dem im ITER bei 4,2 K und ±3 T verwendeten Drahtmaterial wurden die Wechselstromverluste um 68 % reduziert (auf 19,9 mJ/cm2), was eine Garantie für die Eignung des Kernmaterials für Anwendungen wie Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahnen und schnelle Pulsbeschleuniger in alternierenden Magnetfeldern bietet. 4. Supraleitende Koaxialkabel-Montagetechnologie für Quantencomputer: In diesem Projekt wurde die Walztechnologie mit automatischer Zentrierung entwickelt. Diese ermöglicht die automatische Zentrierung von NbTi-Rohren während des Walzprozesses und führt zu hochgradig gleichmäßigen Rohren mit einem Durchmesser von 0,86 mm und einer Wandstärke von 0,10 mm bei einer Wandstärketoleranz von nur ±3 µm. Damit wurde das technische Problem der hochpräzisen Bearbeitung von NbTi-Rohren vollständig gelöst.
Durch die Entwicklung einer hochpräzisen Verschachtelungstechnologie und spezieller Ausrüstung zum Einbetten des Innenleiters nach der Isolierung in das Kapillarrohr wurde die Kabelfertigungstechnologie „Selbstkoaxialisierung“ entwickelt. Dabei wird das Koaxialkabel mit einer geringen Bearbeitungsrate von 2 % gezogen, um eine gleichmäßige plastische Verformung des NbTi-Kapillarrohrs zu erreichen. Die Exzentrizität der Innen- und Außenleiter beträgt lediglich 5 µm. Damit ist das Problem der Kontrolle der Konzentrizität der drei Komponenten (Innenleiter, Außenleiter und Isolierschicht) vollständig gelöst. Schließlich wurde eine Serie von NbTi-Koaxialkabeln mit einem Durchmesser von 0,86 mm (Außenleiterwandstärke 0,10 mm, Innenleiterdurchmesser 0,20 mm) in Serie gefertigt. Bei 5 GHz betrug die Signaldämpfung ≤ 0,2 dB/m und war damit besser als die japanischer Konkurrenzprodukte (≤ 0,5 dB/m). Dies schloss eine Lücke im chinesischen Markt und überwand die bisherigen Einschränkungen für supraleitende Koaxialkabel. Sie werden in China bereits im Bereich supraleitender Quantencomputer eingesetzt.
