專利名稱：一種 MgB₂ 基復(fù)合元素?fù)诫s超導(dǎo)體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)體的制備方法，特別是涉及一種MgB2基復(fù)合元素 摻雜超導(dǎo)體的制備方法。
背景技術(shù)：
2001年MgB2的超導(dǎo)電性被發(fā)現(xiàn)以后，國(guó)際超導(dǎo)界迅速對(duì)MgB2的應(yīng)用 前景達(dá)成共識(shí)。MgB2可以在制冷機(jī)工作溫區(qū)(20K-30K)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，無(wú)需 復(fù)雜和昂貴的液氦條件。而低溫超導(dǎo)體在這一溫區(qū)無(wú)法工作。綜合制冷成 本和材料成本，MgB2超導(dǎo)體在20-30K, 1-3T的磁場(chǎng)范圍內(nèi)應(yīng)用具有很明
顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
但是MgB2超導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用必須解決一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，即提高M(jìn)gB2超導(dǎo) 體的磁通釘扎。MgB2是典型的第II類超導(dǎo)體。第II類超導(dǎo)體內(nèi)部充滿了量 子化的磁通，除非以某種方式將磁通釘扎，否則當(dāng)磁通蠕動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量 耗損。目前的研究結(jié)果表明，MgB2超導(dǎo)體中缺乏有效釘扎中心，磁通釘扎 較弱，這就導(dǎo)致在高場(chǎng)下的MgB2超導(dǎo)體的臨界電流密度(J。)較低，影響了 MgB2超導(dǎo)體在高溫(>20K)高場(chǎng)下(>4T)的實(shí)際應(yīng)用。提高的途徑應(yīng)是增加 有效的磁通釘扎中心。元素?fù)诫s是有效提高超導(dǎo)材料性能的有效方法。元 素?fù)诫s可以改變超導(dǎo)材料的晶體結(jié)構(gòu)，從而提高本征超導(dǎo)電性。同時(shí)，也 可以通過(guò)元素?fù)诫s在超導(dǎo)材料中引入彌散分布的第二相粒子和晶體缺陷， 或細(xì)化超導(dǎo)材料晶粒，提高磁通釘扎特性。通過(guò)元素?fù)诫s在MgB2超導(dǎo)體中 引入有效釘扎中心，是有效提高M(jìn)gB2超導(dǎo)體臨界電流密度的方法。Mg位 的Ti元素?fù)诫s可以在MgB2基體中引入彌散分布的TiB2粒子做為釘扎中心， 提高M(jìn)gB2的臨界電流密度。B位的SiC元素?fù)诫s可以改變MgB2的晶體結(jié)構(gòu)， 從而提高本征臨界電流密度。但是這兩種方法需要釆用昂貴的納米級(jí)Ti
粉和SiC粉作為原料，提高了材料的成本。
探索新的Ti元素和SiC元素?fù)诫sMgB2超導(dǎo)體的制造方法將大大促進(jìn) MgB2超導(dǎo)體的實(shí)用化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一 種制備過(guò)程簡(jiǎn)單并適宜于大規(guī)模生產(chǎn)，且在3特斯拉以上的背景磁場(chǎng)中具 有高的臨界電流密度的MgB2基超導(dǎo)體的制造方法。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種MgB2基復(fù)合元 素?fù)诫s超導(dǎo)體的制備方法，其特征在于所述制備方法步驟為
(1) 將干燥的鎂粉、硼粉和Ti3SiC2粉末按照摩爾比Mg : B : Ti3SiC2 =1-0. 3x : 2-0. 5x : x的比例充分混合1-2小時(shí)，其中0. 05《x《0. 30;
(2) 將步驟(1)中混合后的粉末用油壓機(jī)壓制成片材或塊材；然后 將所述片材或塊材置于真空退火爐中，于室溫下對(duì)所述真空退火爐抽真 空，待所述真空退火爐真空度達(dá)到10—3Pa后充入純氬氣或氬氣與氫氣的混 合氣，所述氬氣與氫氣的體積百分比為24 : 1，然后以6(TC/分鐘-10(TC/ 分鐘的升溫速率將所述片或塊材加熱，在70(rC-100(TC的溫度下保溫l-10 小時(shí)；最后以25'C/分鐘-5(TC/分鐘的冷卻速率將所述片材或塊材冷卻至 室溫，便制成MgB2基復(fù)合元素?fù)诫s超導(dǎo)體。
上述步驟(1)中所述鎂粉的純度為99%,所述硼粉的純度為99%,所 述ThSiC2粉末的純度為95%。
上述步驟(2)中所述油壓機(jī)對(duì)混合后的粉末的施加壓力為20-80Mpa。 上述步驟(2)中所述片材或塊材為圓形，且其直徑為20mm。 針對(duì)本發(fā)明的研究發(fā)現(xiàn)釆用Ti粉、SiC粉、鎂粉和硼粉的混合粉末作 為原料，在等于大氣壓條件下制備無(wú)法獲得在高場(chǎng)下具有高臨界電流密度 的MgB,超導(dǎo)體。而釆用ThSiC2粉、鎂粉和硼粉的混合粉末作為原料，在 等于大氣壓條件下制備的MgB2基超導(dǎo)體表現(xiàn)出高臨界電流密度的特征。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明釆用T"SiC2粉、鎂粉和 硼粉的混合粉末作為原料，同時(shí)在MgB2基超導(dǎo)體中引入Mg位的T i元素?fù)诫s 和B位的SiC元素?fù)诫s，在最終獲得的MgB2基超導(dǎo)體中，SiC進(jìn)入MgB2晶格， 并且基體中彌散分布著TiB2，在改變MgB2基超導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)的同時(shí)引入了 第二相粒子作為有效釘扎中心，所獲得的MgB2基超導(dǎo)體在3特斯拉以上的背 景磁場(chǎng)中具有高臨界電流密度；本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)MgB2基超導(dǎo)材料的低成本制 備，有效改善了MgB2基超導(dǎo)體的磁通釘扎。
下面通過(guò)實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
將干燥的鎂(99%)、硼(99%) 、 Ti3SiC2 (95%)粉末按照摩爾比 Mg:B:Ti3SiC2 =1-0. 3x : 2-0. 5x: x的比例充分混合1小時(shí),其中x=0. 05。 混合后的粉末用油壓機(jī)壓制成直徑20mm的片或塊，施加壓力為20MPa，然 后置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到1(T3Pa后充入純氬 氣或氬氣與氫氣的混合氣，氬氣與氫氣的體積百分比為24 : 1,然后以70 "C/分鐘的升溫速率將片或塊材加熱，在70(TC保溫2小時(shí)，最后以3(TC/ 分鐘冷卻速率將片或塊材冷卻至室溫，便制成超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為38K,臨界 電流密度為6. 5xl04A/cm2(20K, 3T)的MgB2基超導(dǎo)體。
實(shí)施例2
將干燥的鎂(99%)、硼(99%) 、 Ti3SiC2 ( 95%)粉末按照摩爾比 Mg: B: Ti3SiC2 =1-0. 3x : 2-0. 5x: x的比例充分混合2小時(shí)，其中x=0. 1。 混合后的粉末用油壓機(jī)壓制成直徑20mm的片或塊，施加壓力為80MPa,然 后置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10—3Pa后充入純氬 氣或氬氣與氫氣的混合氣，氬氣與氫氣的體積百分比為24 : 1,然后以80 'C/分鐘的升溫速率將片或塊材加熱，在800。C保溫2小時(shí)，最后以35X:/ 分鐘冷卻速率將片或塊材冷卻至室溫，便制成超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為37. 5K,臨
界電流密度為5. 8xl04A/cm2(20K， 3T)的MgB2基超導(dǎo)體。
實(shí)施例3
將干燥的鎂(99%)、硼(99%) 、 Ti3SiC2 ( 95%)粉末按照摩爾比 Mg:B:Ti3SiC2 =1-0. 3x : 2-0. 5x: x的比例充分混合2小時(shí)，其中x-O. 2。 混合后的粉末用油壓機(jī)壓制成直徑20mm的片或塊，施加壓力為40MPa，然 后置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10—3Pa后充入純氬 氣或氬氣與氫氣的混合氣，氬氣與氫氣的體積百分比為24 : 1,然后以80 。C/分鐘的升溫速率將片或塊材加熱，在90(TC保溫2小時(shí)，最后以不低于 4(TC/分鐘冷卻速率將片或塊材冷卻至室溫，便制成超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為37K， 臨界電流密度為5. 2xl04A/cm2(20K, 3T)的MgB2基超導(dǎo)體。
實(shí)施例4
將干燥的鎂(99%)、硼(99%) 、 Ti3SiC2 (95%)粉末按照摩爾比 Mg:B:Ti3SiC2 =1-0. 3x : 2-0. 5x: x的比例充分混合1小時(shí)，其中x=0. 3。 混合后的粉末用油壓機(jī)壓制成直徑20mm的片或塊，施加壓力為6畫Pa,然 后置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10—3Pa后充入純氬 氣或氬氣與氫氣的混合氣，氬氣與氫氣的體積百分比為24 : 1,然后以90 'C/分鐘的升溫速率將片或塊材加熱，在IOO(TC保溫2小時(shí)，最后以5(TC /分鐘冷卻速率將片或塊材冷卻至室溫，便制成超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為36.8K,臨 界電流密度為5. 0xl04A/cm2(20K， 3T)的MgB2基超導(dǎo)體。
權(quán)利要求
1.一種MgB2基復(fù)合元素?fù)诫s超導(dǎo)體的制備方法，其特征在于所述制備方法步驟為(1)將干燥的鎂粉、硼粉和Ti3SiC2粉末按照摩爾比Mg∶B∶Ti3SiC2＝1-0.3x∶2-0.5x∶x的比例充分混合1-2小時(shí)，其中0.05≤x≤0.30；(2)將步驟(1)中混合后的粉末用油壓機(jī)壓制成片材或塊材；然后將所述片材或塊材置于真空退火爐中，于室溫下對(duì)所述真空退火爐抽真空，待所述真空退火爐真空度達(dá)到10-3Pa后充入純氬氣或氬氣與氫氣的混合氣，所述氬氣與氫氣的體積百分比為24∶1，然后以60℃/分鐘-100℃/分鐘的升溫速率將所述片或塊材加熱，在700℃-1000℃的溫度下保溫1-10小時(shí)；最后以25℃/分鐘-50℃/分鐘的冷卻速率將所述片材或塊材冷卻至室溫，便制成MgB2基復(fù)合元素?fù)诫s超導(dǎo)體。
2. 按照權(quán)利要求1所述的一種MgB2基復(fù)合元素?fù)诫s超導(dǎo)體的制備方 法，其特征在于步驟(l)中所述鎂粉的純度為99%，所述硼粉的純度為 99%,所述Ti3SiC4分末的純度為95%。
3. 按照權(quán)利要求1所述的一種MgB2基復(fù)合元素?fù)诫s超導(dǎo)體的制備方 法，其特征在于步驟(2)中所述油壓機(jī)對(duì)混合后的粉末的施加壓力為 20-80Mpa。
4. 按照權(quán)利要求1所述的一種MgB2基復(fù)合元素?fù)诫s超導(dǎo)體的制備方 法，其特征在于步驟(2)中所述片材或塊材為圓形，且其直徑為20mm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種MgB₂基復(fù)合元素?fù)诫s超導(dǎo)體的制備方法，制備過(guò)程為首先將干燥的鎂粉、硼粉和Ti₃SiC₂粉末按照一定比例充分混合1-2小時(shí)，將混合后的粉末壓制成型；然后將其置于真空退火爐中，在純氬氣或氬氣與氫氣的混合氣的保護(hù)下，在700℃-1000℃的溫度下保溫1-10小時(shí)；最后冷卻至室溫，便制成高臨界電流密度的MgB₂基復(fù)合元素?fù)诫s超導(dǎo)體。采用本發(fā)明制備MgB₂基超導(dǎo)體，在改變MgB₂基超導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)的同時(shí)引入了第二相粒子作為有效釘扎中心，所獲得的MgB₂基超導(dǎo)體在3特斯拉以上的背景磁場(chǎng)中具有高的臨界電流密度，可實(shí)現(xiàn)MgB₂基超導(dǎo)材料的低成本制備，有效改善了MgB₂基超導(dǎo)體的磁通釘扎。
文檔編號(hào)H01B12/00GK101343184SQ20081015089
公開日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月10日
發(fā)明者劉國(guó)慶, 李成山, 熊曉梅, 王慶陽(yáng), 果 閆 申請(qǐng)人:西北有色金屬研究院