射频超导腔用高纯铌材的制取方法及发展
高纯铌制备方法
高纯铌的制备方法调研1.前言铌是一种坚韧、可塑、银灰色的难熔金属，目前铌主要用做钢的添加剂，只有少量以各种高纯铌和合金基体的形势应用。
近年来由于铌的超导性，使其成为高能物理研究所用的材料，广泛用来制作超导微波腔体、射频器，并且引起热导率与纯度成正比，所以提高Nb的纯度是相当有用的。
近年来对高纯铌制备技术研究较多的是美国、日本和德国，特别是美国TWCA公司几十年来一直致力于高纯铌实用化研究，使其相对电阻率（RRR）值从20增加到300，且每年都有数千磅（11b=0.454kg）产品给用户。
德国的MaxPlant金属研究所的高纯铌研究水平已达RRR>104，是世界上最纯的铌。
2 高纯铌的应用铌在功能材料中的应用大致可分为超导材料、原子能结构材料和超耐热合金。
现在应用的纯铌和铌合金按其功能材料分类见表1，铌具有耐热性、耐腐蚀性、热传导性能优良等特点。
表1 金属铌和铌合金的功能、用途铌以前主要用作各种合金的添加剂元素，科学技术的发展要求开发使用与尖端领域的材料，高纯铌的新用途正在开发。
纯铌的临界温度虽然没有Nb-Ti合金和Nb2Sn、Nb3Ga等化合物超导体的临界温度高，但作为功能材料铌本身具有超导特性的最有价值金属，其特性在超导体结构材料中有新用途。
1983年世界著名的铌生产厂家WCH公司为了适应超导结构材料的发展，开始生产剩余电阻率100以上的铌棒、铌管和铌板，用于高能粒子加速器物理学领域的粒子加速用空腔体。
电子加速每米需数百万伏特的电压梯度，以前加速器空腔体用的是Cu材料，而铌材加速器比铜材加速器能量损失少，所以开发了高纯铌加速器。
用超导材料铌加速器壁材，高频电阻小，能够起到防止高频损失的作用。
制作加速器空腔材料，除考虑超导性能外，还必须具有良好的力学性能，高纯铌深冲加工制作半壳体，把多段半壳体焊接制成加速器空腔。
有学者调查了世界各国超导粒子加速器的制作情况，推测超导粒子加速器用高纯铌的消耗量大，20世纪90年代需求高纯铌大30t。
射频超导腔用高纯铌材的制取方法及发展
射频超导腔用高纯铌材的制取方法及发展
由于激光频率传递和精确激光调制等技术已经十分成熟，微波射频超导腔（RF-SQUID）由此引起了越来越多的关注，因为它在大尺實具备高功率和高灵敏度。
因此，高纯铌（99.95%~99.999%）是目前应用于此腔体材料中最为优越的材料之一，具有良好的热稳定性、宽自发射温度范围和良好的超导能力，可以有效地改善腔的性能。
铌是一种金属，具有稳定性和抗热性能，除了运用于造墨管外，多应用于航空、航天、军工等行业，以及用作晶体器件的外壳等。
由于铌的轻质和高强度，使它在零件製造中得
到了廣泛的应用，特=别是除了用于腔管制造，也可用于高精度零件的加工、成型、镀膜
和组装，以及制造冷凝器等冷沸腾器件。
铌材料可以采用多种方法进行制取，例如铝铌熔法、熔咖法、高温膜法等。
其中，由
于咖啡膜法具有高精-度、膜厚小、可控性优良等优点，因此，在微波射频超导腔中广泛
应用。
此外，由于最新的技术已经改善了铌的制取过程，可以提高铌材料的质量，有效地改
善腔密封性和热稳定性。
例如，可以使用电离蒸发法来生产高纯度铌，与典型的熔咖法不
一样，它可以提供更精确的晶体尺寸和结构，使铌作为RF-SQUID的最佳材料更加可靠。
无论如何，高纯铌将会继续在微波射线超导腔的制造中占据重要的位置，今后的发展
方向将会不断延伸至其他应用场合，例如通信、计算机、辐射等领域。
而实施更佳的制取
和加工处理技术，也更加有利于发展了特定的器件应用，具备快速响応功能，并具有良好
的耐久性。
射频超导腔用高纯铌材的制取方法及发展
射频超导腔用高纯铌材的制取方法及发展作者：江铁山来源：《环球市场信息导报》2013年第05期射频超导腔用高纯铌材的制取方法各国的制取方法。
世界上生产高纯铌的厂家有多国，如巴西、日本、美国、德国以及我国等国家都有相关的生产厂家，不同的国家也有各自不同的生产技术。
比如德国海拉斯公司制取高纯铌材的方法是先在市场上买回铌锭，用铌锭来做作为原材料加工，加工的设备采用电子束炉熔炼，其熔炼的过程要进行多次，通过多次的熔炼达到生产出的铌锭的RRR值到300以上的标准，之后再进行锻造开坯、轧制和退火等，从而生产出射频超导腔用的高纯铌板。
美国以及我国等国家的生产方式是先用化工还原技术，将五氧化二铌还原成粗铌，然后再运用电子束炉来进行熔炼，熔炼的方式同样是要经过多次反复的熔炼生产出RRR值到达300以上的高纯铌锭，之后的加工工艺和德国的工序方式相差不大，都是再对铌锭进行锻造开坯、轧制退火等。
总的来说各国的工艺有一定的差别，但是整体上的工序还是相差不大。
杂质的去除。
铌材料中一般都会有其它的杂质，如果杂质含量过多，那么不仅对腔内射频向外散发热量有影响，而且会降低铌材在液氦温区的导热系数，因为铌材既是超导体也是热导体，是高能粒子运动中产生的能量向外传递的载体，所以在超导性和热导性上超导腔用铌材要具备很好的性能，因此在一般的运用在高梯度超导射频腔中的铌材都要具备很高的纯度。
一般金属铌中含有的杂质比例各不相同，但是其杂质的种类可以规划为四种，第一种是杂质含有铋、砷、锑等元素，第二种是含有钴、镍、锰、铝、镁、铁的蒸汽压高的金属；第三种是含有钽、钼、钨等高熔点金属；第四种是含有氧、氮、氢、碳等非金属元素。
如图所示：通过图1我们可以发现，钨和钽的蒸汽压要低于铌，但是他们的熔点却比铌要高，因此在加工处理上，仅仅一次的加工处理是很难让这些杂质有效分离的，针对的其他杂质还可以通过各种设备来去除降低，比如用电子束区域熔炼、电子束熔炼等方法来进行，但是对于上述第三种杂质要想有效去除，针对这些元素本身熔点高的特征，那么就要采用五氧化二铌为原材料的加工技术。
工业和信息化部关于印发《产业关键共性技术发展指南(2017年)》的通知(工信部科【2017】251号)
产业关键共性技术发展指南（2017年）修订说明产业关键共性技术是制造业创新发展的重要支撑。
2011年，工业和信息化部发布《产业关键共性技术发展指南（2011年）》（工信部科〔2011〕320号）以来，分别于2013年、2015年两次对相关技术内容进行了修订，以引导和支持相关行业和企业围绕国家战略需求，开发应用共性关键技术。
为进一步落实《中国制造2025》，工业和信息化部围绕制造业创新发展的重大需求，组织研究了对行业有重要影响和瓶颈制约、短期内亟待解决并能够取得突破的产业关键共性技术，通过研判国内外产业发展现状和趋势，在广泛征求意见基础上，研究提出了《产业关键共性技术发展指南（2017年）》。
《产业关键共性技术发展指南（2017年）》共提出优先发展的产业关键共性技术174项，其中，原材料工业53项、装备制造业33项、电子信息与通信业36项、消费品工业27项、节能环保与资源综合利用25项。
目录一、原材料工业 (1)二、装备制造业 (24)三、电子信息与通信业 (40)四、消费品工业 (53)五、节能环保与资源综合利用 (64)一、原材料工业（一）钢铁1.基于大数据的钢铁全流程产品工艺质量管控技术主要技术内容：钢铁企业工艺质量大数据平台、全流程工艺质量数据集成技术；高速工艺质量参数采集与存储技术；工艺过程综合监控及预警技术；板坯、钢卷等质量在线评级技术；产品工艺参数追溯分析技术；跨工序产品质量交互分析与异常诊断技术；机械性能在线检测技术；产品晶粒度在线检测技术；表面质量缺陷三维检测技术；全流程工艺产品质量综合评价技术；基于大数据的新产品研发技术。
2.钢铁定制化智能制造关键技术主要技术内容：全流程、定制化的制造系统；钢铁产业供应链智能优化技术；钢铁材料智能化设计与优化技术；钢材组织性能预测、钢种归并和钢铁全流程工艺参数协调优化控制技术；钢铁流程大数据时空追踪同步和大数据与知识混杂的挖掘分析技术；基于生产过程大数据和生产经验的高精度生产模型和知识库；用户定制产品性能参数为牵引的钢种动态归并和钢铁材料组织性能动态预测技术；关键工艺设备的大数据性能预测、智能故障诊断和安全运行调控技术；钢铁全流程泛在无线通讯网络的实现结构、通讯协议和实现装备。
铌表面双频射频等离子体处理的实验研究
铌表面双频射频等离子体处理的实验研究1. 引言1.1 概述铌材料作为一种重要的金属元素，由于其高熔点、良好的化学稳定性和优良的机械性能而具有广泛的应用前景。
在工业领域中，铌常被用于制备高温合金、超导材料、电子器件等。
然而，在应用过程中，铌表面往往容易受到氧化、污染物附着及缺陷形成等问题的影响，进而影响了材料性能和使用寿命。
为了改善铌材料的表面性能，提高其抗氧化、耐腐蚀和润滑等特性，传统的方法通常采用机械加工或者化学处理。
然而，这些方法不仅有可能引入新的缺陷，还会对整体材料造成不均匀处理效果。
因此，开展一种有效且可控的表面处理技术是解决上述问题的关键。
本实验将利用双频射频等离子体技术对铌表面进行处理，并对其进行系统性分析与评价。
相比于传统单频射频等离子体技术，双频射频技术通过调节射频功率和频率，可以更加精确地控制等离子体的性质和能量传输，从而实现对铌表面的高效处理。
1.2 研究背景目前，针对铌表面的处理技术已经涉及到等离子体技术领域。
等离子体技术因其低温、高活性和均匀性好等优势，在材料加工、污染物去除、薄膜沉积等方面具有广泛应用。
然而，当前关于铌表面双频射频等离子体处理的研究还相对较少，并且存在一些问题亟需解决。
首先，由于铌材料表面易于氧化和发生污染物附着，该材料不易在常规条件下直接利用等离子体进行处理。
其次，单频射频等离子体技术在处理上存在局限性，往往无法充分满足特定要求下的铌表面改性。
因此，有必要开展铌表面双频射频等离子体处理的实验研究，以期探索有效的方法来改善铌材料的表面性能，并提供一种新思路来解决相关应用中所遇到的问题。
1.3 目的和意义本文旨在通过实验研究，探索铌表面双频射频等离子体处理的原理和机制，并对处理后的铌表面进行观察、分析和评价。
具体目标如下：1) 分析铌材料的表面特性及其对应的问题，探索采用双频射频等离子体技术处理铌表面的可行性；2) 设计合适的实验方案和操作流程，包括材料准备、实验设备配置等；3) 实施实验过程中，严格控制实验参数并记录相关数据；4) 对处理前后铌材料进行表面形貌观察与分析；5) 进行成分分析及薄膜性能评价，并结合实验结果讨论物理机制；6) 综合总结和归纳实验发现，指出存在的问题并提出未来研究方向。
工业射频超导腔用高纯铌锭制备工艺综述
工业射频超导腔用高纯铌锭制备工艺综述姚修楠;郝小雷;贾志强【摘要】介绍了C、N、H、O和Ta杂质质量分数对金属铌残余电阻率(RRR)的影响关系,认为要获得RRR值大于300的铌锭,C、N、O质量分数需小于20×10-6,H质量分数需小于2×10-6,Ta质量分数需小于500×10-6;对碳热还原法和铝热还原法制备铌坯的工艺进行了比较,认为射频超导腔用高纯铌原料必须以铝热还原法制备.同时,重点介绍了2种精炼铌锭的方式:电子束悬浮区域熔炼有利于制备单晶高纯铌,但由于单晶铌中位错密度较高,因而不易获得高RRR值的高纯铌锭;工业中更常见的熔炼方式为电子束熔炼,并发现熔炼次数越多,N、O、H质量分数越低,但经过2次电子束熔炼后,C质量分数不再降低,而坩埚直径越大,RRR值越大.今后,在工业射频超导腔用铌锭制备方面,越来越倾向于利用电子束熔炼技术获取直径更大、晶粒尺寸也更大的高纯铌锭.【期刊名称】《宁夏工程技术》【年(卷),期】2018(017)002【总页数】5页(P183-187)【关键词】射频超导腔;高纯铌;残余电阻率(RRR);铝热还原;电子束悬浮区域熔炼;电子束熔炼【作者】姚修楠;郝小雷;贾志强【作者单位】西安诺博尔稀贵金属材料有限公司,陕西西安710201;西安诺博尔稀贵金属材料有限公司,陕西西安710201;西安诺博尔稀贵金属材料有限公司,陕西西安710201【正文语种】中文【中图分类】TF841.6超导现象早在20世纪初就被荷兰科学家翁内斯发现，但是利用超导材料制造谐振腔的想法直到20世纪50年代才为科学家提出[1]，射频超导腔以其优异的性能，为加速器技术的发展带来了新的活力。
在原材料的选择上，铌因拥有良好的超导性能已经逐渐代替铜，成为制作电子加速器型腔的首选材料[2-3]。
纯金属铌材料的射频超导谐振腔的加速场理论极限值为50 MV/m，但是由于热失超和长发射，其场强达不到理论极限值，而热失超主要源自超导谐振腔的缺陷和杂质[4]。
07高纯铌母合金的生产
ProzeBtechnik und Recycling, Juni 2001.
（中信金属公司 曹铁柱 译）
在Ⅰ设计方案中，反应炉由陶瓷制造（主要是纯氧化铝），用于混合物强烈还原反应。通 常，反应炉只能用一次，反应发生之后分离残渣和金属时会毁坏炉子。每一次热还原都需要 一个新的反应炉。
第Ⅰ种方案的主要优点是可生产大规格的金属锭。一个锭的重量根据需要在 2000kg 至 3000kg 之间。大规格锭的优点是，金属锭（和残渣）冷却非常慢，需要几个小时，这样 可以使金属和残渣非常好的分离。降低了残渣夹杂到母合金中的危险。随着陶瓷炉制造技术 的发展,特别陶瓷炉表面的完善使金属表面非常光滑,进一步降低了形成残渣夹杂的危险.陶 瓷炉的制造基本上是自动化,成本很低.
1630℃
8.2g/cm3
58 min Ni 1.0 max 0.05 max 1.0 max 0.03 max 0.002 max 0.01 max 0.25 max 0.1 max 0.005 max 0.0002 max 0.001 max 0.006 max 0.001 max 0.0005 max 0.003 max 0.003 max 0.001 max 0.05 max 0.10 max
一个结合点。
为了制造 FeNb hp 和 NiNb hp , 除 Nb2O5 之外，反应中需要含 Fe 和 Ni 化合物。在生 产 FeNb 时，需要氧化铁（Fe2O3）, 在生产 NiNb 时，需要氧化镍（NiO）。金属的形成遵循 （8）－（9）方程式：
Fe2O3 ＋ 2Al = 2Fe + Al2O3
2000K
2100K
2200K
2300K
1
1961
1899
直接电化学法生产铌粉工艺研究
直接电化学法生产铌粉工艺研究摘要：采用电脱氧法将固态Nb2O5在CaCl2-NaCl共晶熔体中还原为金属铌，需要Nb2O5在1123 K和1173 K的共晶熔体中进行直接电化学还原，控制电势以低于盐的分解电势，为3.1 V。
分析了由干燥的高纯氩气流动所携带的阳极反应气体，确认了阴极的首选阴极反应是氧电离形成氧离子，氧离子依次溶解在氯化物熔体中，然后在石墨棒阳极放电（氯离子不太可能在阳极上放电）。
所制备的金属铌粉中氧含量低至2311ppm的质量，说明电脱氧法适用于在氯化物熔体中还原固体Nb2O5。
根据测定的电流-时间行为，分析Nb2O5多孔球团的还原动力学和机理，并对烧结后的Nb2O5球团进行了显微组织分析和不同还原时间下部分还原样品中存在的相进行了分析。
关键词：金属铌；电化学；化工1.铌的基本特点铌主要用作建筑用钢的添加剂，以及耐热合金和许多高强度低合金钢的合金成分，特别是高温合金和不锈钢。
高纯度铌材料具有良好的延展性和高导热性，用于制造用于量子物理中加速电子的射频腔。
它还应用于超导领域，主要包括与能源相关的应用、交通、超导计算机和仪器仪表。
铌合金，如NbTi合金和Nb3Sn金属化合物，已成为商用超导材料。
金属铌的生产主要是通过在高温下还原其化合物，包括氧化物、氯化物和氟化物。
与传统的金属铌粉生产方法相比，主要工艺特点如下：（1）Nb2O5的多步碳热还原在此过程中，Nb2O5和碳反应生成碳化铌，碳化铌与未反应的氧化物紧密混合。
这种混合物被压成粉盒。
然后这些小材料被放在一个熔炉里，在1873 K以上的真空温度下加热，产生金属铌粉末和一氧化碳气体。
反应发生在NbC、Nb2C、NbO2和NbO的形成过程中。
然而，产生的产物含有氧和碳，必须在进一步的高温过程中精炼。
在1793 K氨水中处理Nb2O5和炭黑形成氮化铌，氮化铌在2373 K分解。
（2）用氢还原NbCl5NbCl5氢还原的过程有两个简化步骤组成。