通過自反應(yīng)提高先位二硼化鎂塊材超導(dǎo)臨界電流密度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通過自反應(yīng)提高先位二硼化鎂塊材超導(dǎo)臨界電流密度的方法;將先位 法和兩步法結(jié)合的方法制備更高臨界電流密度的MgB2塊材，其中高溫下產(chǎn)生的MgB 4可以作 為磁通釘扎提高高場(chǎng)下的臨界電流密度，并且塊材內(nèi)部自反應(yīng)提高了顆粒之間的連接性， 有利于超導(dǎo)臨界電流密度的提高，屬于超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 2001年1月，日本青山學(xué)院大學(xué)的Akimitsu教授宣布，他領(lǐng)導(dǎo)的研究小組測(cè)得的金 屬間化合物二硼化鎂(MgB 2)在溫度降低至39K(-237.14K)時(shí)電阻突然變?yōu)榱?。該溫度在?dāng) 時(shí)打破了非銅氧化物超導(dǎo)體臨界溫度的記錄，故人們的目光再次聚集到金屬間化合物超導(dǎo) 體上，世界范圍內(nèi)的低溫物理學(xué)家開始通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)對(duì)MgB 2的超導(dǎo)現(xiàn)象進(jìn)行重復(fù)證 明和進(jìn)一步探索，致使這一研究領(lǐng)域日臻完善。
[0003] 二硼化鎂超導(dǎo)體有著較長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度(3.7~12.8nm)，有利于增加超導(dǎo)體內(nèi)的磁 通釘扎(包括非超導(dǎo)相、位錯(cuò)、空位和夾層等），從而提高臨界電流密度，尤其是在高場(chǎng)下的 臨界電流密度。在高溫超導(dǎo)中，晶界弱連接和磁通蠕動(dòng)(材料的磁化強(qiáng)度明顯隨時(shí)間變化） 會(huì)惡化性能。而有實(shí)驗(yàn)表明，致密的MgB 2塊材樣品的微觀電流密度和分散的MgB2粉末的晶內(nèi) 電流密度值是相同的，這說明MgB 2的臨界電流密度取決于自身的釘扎作用，不會(huì)被晶界弱 連接所抑制。根據(jù)制成MgB2塊材的原料的不同，將Mg粉和B粉按比例混合壓制并燒結(jié)的方法 稱為原位法（in situ)，將實(shí)驗(yàn)室制得的或者商用的MgB2粉末壓制并燒結(jié)的方法稱為先位 法(ex situ)。其中先位法可以提高二硼化鎂的壓縮系數(shù)，但是連接性比較差，從而限制了 臨界電流密度的提高。因此探索深刻的燒結(jié)機(jī)理和采用更加合理的燒結(jié)方案來(lái)提高先位法 制備的塊材的臨界電流密度很關(guān)鍵。這也是目前MgB 2領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明通過結(jié)合先位法和兩步燒結(jié)法，提高了顆粒之間的連接性，增加量二硼化 鎂超導(dǎo)塊材的有效磁通釘扎MgB4,從而提高了高場(chǎng)臨界電流密度，并且塊材內(nèi)部自反應(yīng)提 高了顆粒之間的連接性，有利于超導(dǎo)臨界電流密度的提高。此發(fā)明中兩步法指的是在燒結(jié) 的高溫階段，超導(dǎo)塊材內(nèi)部的自反應(yīng)加劇，形成并增加新的晶界，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生少量雜質(zhì)MgB 4 (MgB2 <- MgB4+Mg·處于程序高溫時(shí)反應(yīng)主要向右進(jìn)行，當(dāng)處于程序低溫時(shí)反應(yīng)主要向 左進(jìn)行）。當(dāng)程序進(jìn)入低溫保溫階段時(shí)，一方面上述反應(yīng)向左進(jìn)行，雜質(zhì)MgB 4的含量減少，對(duì) 提尚臨界電流密度有利，此外剩余的少量MgEk可以作為有效的磁通釘扎提尚在尚場(chǎng)下的臨 界電流密度。上述可逆反應(yīng)在不同溫度下進(jìn)行，一來(lái)一回促進(jìn)了塊材內(nèi)部物質(zhì)的移動(dòng)，比單 步法燒結(jié)過程中的物質(zhì)移動(dòng)速率快，從而能更快的生成有效的晶界，利于提高超導(dǎo)臨界電 流密度。
[0005] 具體技術(shù)方案如下：
[0006] -種通過自反應(yīng)提高先位二硼化鎂塊材超導(dǎo)臨界電流密度的方法;通過先位法和 兩步燒結(jié)法，在燒結(jié)的高溫階段，超導(dǎo)塊材內(nèi)部的自反應(yīng)加劇，形成并增加新的晶界，同時(shí) 產(chǎn)生少量雜質(zhì)MgB4;當(dāng)處于低溫時(shí)反應(yīng)主要形成MgB2，雜質(zhì)MgB4的含量減少，剩余的少量 MgB4作為有效的磁通釘扎提高在高場(chǎng)下的臨界電流密度。
[0007] 本發(fā)明是取MgB2粉末制成圓柱形塊材，然后將圓柱形塊材放入高溫差示掃描量熱 儀或者管式燒結(jié)爐進(jìn)行氬氣保護(hù)氣氛燒結(jié)，升溫速率10~40°C/min，升至850~1000°C后， 在此溫度保溫?zé)Y(jié)0~20min，然后以10~40°C/min的冷卻速度降至500~700°C，保溫0.5~ 5小時(shí)，然后以10~40°C/min的冷卻速度降至室溫得到燒結(jié)樣品。
[0008] 將圓柱形塊材放入高溫差示掃描量熱儀或者管式燒結(jié)爐后，先抽真空，再充氬氣， 這個(gè)過程過程反復(fù)進(jìn)行3~4次，使高溫差示掃描量熱儀或者管式燒結(jié)內(nèi)殘留的氧氣含量達(dá) 到最低。在整個(gè)燒結(jié)過程中，保持氬氣流通狀態(tài)，直至燒結(jié)完后降溫至室溫。
[0009] 取MgB2粉末為商用MgB2或者實(shí)驗(yàn)室自制的MgB2粉末;粉末制成圓柱形塊材可以采 用將粉末置于模具_(dá)(;0=5 mm、6mm、IOmm)中并施加壓力為3~lOMPa，制成薄片。
[0010]燒結(jié)完后將樣品制成的塊材進(jìn)行測(cè)試使用。
[0011]本發(fā)明的主旨是通過高溫生成少量的MgB4,同時(shí)促進(jìn)二硼化鎂超導(dǎo)塊材的自反應(yīng) 生成和增加新晶界。由圖1中給出的XRD圖譜可以看出在高溫階段，二硼化鎂超導(dǎo)塊材中有 少量的MgB4生成，并且隨著保溫時(shí)間的增加，反應(yīng)進(jìn)行得越深刻，MgB4的含量越多，表明高溫 有利于反應(yīng)向右進(jìn)行。同時(shí)我們也可以從圖2中看到，經(jīng)歷高溫階段再低溫保溫一段時(shí)間后 MgB4的含量明顯降低，可以驗(yàn)證低溫有利于反應(yīng)是向左進(jìn)行。圖3中是各樣品的SEM圖，可以 看出兩步法樣品的顆粒連接性比單步法的優(yōu)越（圖3a與b、c、d)，而且隨著高溫保溫時(shí)間的 增加，反應(yīng)進(jìn)行得越深刻，更有利于物質(zhì)移動(dòng)，其顆粒間的連接性也越緊密（圖3中b、c、d)。 圖4是各燒結(jié)樣品的臨界電流密度比較。從該圖中我們可以看出隨著高溫階段保溫時(shí)間的 延長(zhǎng)，臨界電流密度不論在高場(chǎng)還是低場(chǎng)都有所增加。同時(shí)對(duì)比兩步燒結(jié)和低溫單步燒結(jié)， 我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在高場(chǎng)下兩步燒結(jié)的樣品的臨界電流密度比低溫單步燒結(jié)的要高，這是因?yàn)閮?步燒結(jié)的樣品中有少量的MgB 4可以作為有效磁通釘扎。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
[0013] 1、本發(fā)明技術(shù)操作簡(jiǎn)單，無(wú)需添加其他物質(zhì)，簡(jiǎn)化了制備工藝，而且原料的來(lái)源也 方便。能解決先位法引入釘扎困難的難題，并且通過控制燒結(jié)程序可以控制釘扎雜質(zhì)的含 量和顆粒的大小。
[0014] 2、本發(fā)明充分利用了反應(yīng)式MgB2 e MgB4 + Mg來(lái)促進(jìn)超導(dǎo)塊材內(nèi)部的自反應(yīng)， 從而提高顆粒之間的連接度。通過控制溫度來(lái)利用上述反應(yīng)式可以有效解決較短時(shí)間燒結(jié) 來(lái)提高晶間連接性的問題。
【附圖說明】
[0015]圖1單步法燒結(jié)不同高溫保溫時(shí)間樣品的XRD圖；
[0016] 圖2單步法保溫?zé)Y(jié)以及兩步法不同高溫保溫時(shí)間燒結(jié)樣品的XRD圖；
[0017] 圖3單步法保溫?zé)Y(jié)以及兩步法不同高溫保溫時(shí)間燒結(jié)樣品的SEM圖：a為650°C， Ih樣；b為900°C，Omin-650°C，Ih樣；c為900°C，Omin-650°C，Ih樣；d為900°C，Omin-650 0C，Ih 樣；
[0018] 圖4不同保溫時(shí)間樣品的臨界電流密度圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 具體方案如下：
[0020] 本發(fā)明是取MgB2粉末制成圓柱形塊材，然后將圓柱形塊材放入高溫差示掃描量熱 儀或者管式燒結(jié)爐進(jìn)行氬氣保護(hù)氣氛燒結(jié)，升溫速率10~40°C/min，升至850~1000°C后， 在此溫度保溫?zé)Y(jié)0~20min，然后以10~40°C/min的冷卻速度降至500~700°C，保溫0.5~ 5小時(shí)，然后以10~40°C/min的冷卻速度降至室溫得到燒結(jié)樣品。
[0021] 將圓柱形塊材放入高溫差示掃描量熱儀或者管式燒結(jié)爐后，先抽真空，再充氬氣， 這個(gè)過程過程反復(fù)進(jìn)行3~4次，使高溫差示掃描量熱儀或者管式燒結(jié)內(nèi)殘留的氧氣含量達(dá) 到最低。在整個(gè)燒結(jié)過程中，保