一種二硼化鎂線材或帶材的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種二硼化鎂超導(dǎo)材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自從2001年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達39K的新型超導(dǎo)體二硼化鎂以來，各國科學(xué)家對其進行了深入的研宄。由于其具有超導(dǎo)相干長度較長、較高的上臨界場、晶界不存在弱連接、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點，在超導(dǎo)電力、電子器件、及醫(yī)療儀器，特別是核磁成像磁體等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，在制備高性能二硼化鎂線材或帶材的方法中，原位(in-situ)粉末套管(Powder-1n-Tube)技術(shù)比較簡便實用，但是其臨界電流密度Jc (超導(dǎo)電流除以超導(dǎo)芯的面積)比較低，雖然通過多種途經(jīng)如高能球磨、提高原始粉末質(zhì)量、納米摻雜等技術(shù)來提高釘扎力和臨界場，但是Jc仍然沒有達到實際應(yīng)用水平。
[0003]研宄發(fā)現(xiàn)，粉末套管法制備的超導(dǎo)芯的致密化程度比較低是導(dǎo)致其超導(dǎo)性能低的主要原因。為了解決上述問題，研宄人員又采用中心鎂棒擴散法制備MgB2線材(Giunchi G, Ripamonti G, Perini E, Cavallin T and Bassani E 2007IEEE Trans.Appl.Supercond.172761)，該方法可以使得鎂擴散到硼粉中形成反應(yīng)層，從而有效的提高了二硼化鎂超導(dǎo)反應(yīng)層的致密化程度，進而使得其臨界電流密度得到了顯著提高。然而，該方法的缺點是中心鎂棒擴散到硼層后，鎂棒原來的中心位置會形成很大區(qū)域的孔洞，從而使得其工程臨界電流密度Je，即超導(dǎo)電流除以整根超導(dǎo)線的總面積，大幅下降。只有去除或者盡量縮小孔洞的面積，那么樣品的工程臨界電流密度才會明顯提升，才能滿足實際應(yīng)用的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提出一種二硼化鎂超導(dǎo)線材或帶材的制備方法。本發(fā)明將中心鎂棒擴散法制備的超導(dǎo)線材在保溫階段施加機械壓或者氣壓，消除或者減少鎂棒擴散到硼層后在樣品中心產(chǎn)生的空洞，在提高超導(dǎo)芯致密度的同時減小超導(dǎo)線材或帶材的總面積，從而不僅提高1882超導(dǎo)線材或帶材的臨界電流密度還能顯著提高其工程臨界電流密度。
[0005]本發(fā)明工藝步驟如下:
[0006](I)將鎂棒裝入金屬管中央，在鎂棒和金屬管間隙中填充硼粉或硼粉與摻雜物的混合物，兩端封口后經(jīng)旋鍛、拉拔或孔型軋制成單芯線材；將兩根以上單芯線材裝入金屬管內(nèi)再經(jīng)旋鍛、拉拔或孔型軋制成多芯線材；
[0007](2)在惰性氣氛下加熱，加熱溫度范圍為400_950°C，保溫時間為0.1_100小時。并在保溫階段對線材直接進行機械加壓或者對線材兩端密封后施加氣壓，壓強為lkPa_5Gpa，使得中心鎂棒與其四周的硼粉反應(yīng)，生成二硼化鎂超導(dǎo)線材或帶材。
[0008]所述機械加壓方式為兩面或四面加壓，加壓模具材質(zhì)為石墨、金屬或者金剛石。
[0009]所述的鎂棒純度為90-99.99999% ;硼粉純度范圍為90% -99.9999%，硼粉粒徑為10納米-50微米；摻雜物種類為金屬材料、無機非金屬材料或有機物中的一種或兩種以上，摻雜物純度范圍為90 % -99.9999 %，無機摻雜物質(zhì)的粒徑范圍為10納米-50微米，摻雜物與硼粉的重量比不超過50%，兩種以上摻雜物之間的比例為任意配比。
[0010]所述的摻雜物中金屬材料包括Mg、Cu、Ag、Sn、T1、Zr、Pb、In、Fe ;無機非金屬材料包括 SiC、MgO、MgB2、MgB4,ZrSi2, ZrB2、WSi2、S12、S1、TiC、NbC、TaC、HfC、Y2O3、Dy2O3、Ho2O3、B4C ;有機物包括碳單質(zhì)、碳氫化合物和碳水化合物。
[0011]所述的金屬管種類為金屬單質(zhì)或合金，且金屬管為單層或者雙層以上的復(fù)合管。
[0012]所述步驟(2)中采用機械加壓燒結(jié)后生成二硼化鎂超導(dǎo)帶材，采用氣體加壓燒結(jié)后生成二硼化鎂超導(dǎo)線材。
【附圖說明】
[0013]圖1常壓燒結(jié)二硼化鎂超導(dǎo)線材的截面圖；
[0014]圖2氣體加壓燒結(jié)二硼化鎂超導(dǎo)線材的截面圖；
[0015]圖3機械加壓燒結(jié)二硼化鎂超導(dǎo)帶材的截面圖；
[0016]圖4機械加壓和常壓燒結(jié)二硼化鎂超導(dǎo)樣品的工程臨界電流密度曲線圖；
[0017]圖5氣體加壓和常壓燒結(jié)二硼化鎂超導(dǎo)樣品的工程臨界電流密度曲線圖。
【具體實施方式】
[0018]實施例1
[0019]將純度90%的鎂棒裝入鐵管的中心，并在鎂棒和鐵管之間的間隙填充硼粉，所述硼粉的純度為90%，粒徑為50微米。鐵管兩端封口后經(jīng)旋鍛、拉拔成單芯線材。在Ar氣氛下對單芯線材加熱，加熱溫度為400°C，保溫時間為100小時，并在保溫階段將單芯線材直接放在金剛石模具中進行四面加壓，壓強為5GPa，得到二硼化鎂超導(dǎo)帶材。
[0020]實施例2
[0021]將純度99.99999%的鎂棒裝入鉭管的中心，并在鎂棒和鉭管之間的間隙填充硼粉和納米碳及丙酮的混合物。所述硼粉的純度為99.99999%，且粒徑為10納米；所述納米碳的純度為99.99999%，粒徑為5nm ;所述丙酮的純度為分析純；納米碳和丙酮的質(zhì)量比為1:1 ;納米碳和丙酮的混合物占硼粉質(zhì)量的50%。鉭管兩端封口后再裝入銅管中，經(jīng)孔型軋制成單芯線材。然后將該單芯線材截成等長的7段，裝入蒙乃爾合金管中經(jīng)孔型軋制成7芯線材，將7芯線材兩端完全焊接密封，在He氣氛下加熱，加熱溫度為950°C，保溫時間為0.1小時。并在保溫階段對7芯線材進行氣體加壓，壓強為lkPa，得到二硼化鎂超導(dǎo)線材。
[0022]實施例3
[0023]將純度99.99999%的鎂棒裝入鈮管的中心，在鎂棒和鈮管之間的間隙填充上硼粉和納米SiC的混合物。所述硼粉純度為99.99999%，且粒徑為10納米。所述納米SiC的純度為99.9999%，粒徑為5nm。所述納米SiC占硼粉質(zhì)量的0.1%。鈮管兩端封口后經(jīng)拉拔成單芯線材。然后將該單芯線材截成等長的6段，將6段單芯線材和一根與截短后的單芯線材直徑相等、長度相等的銅棒一起裝入銅管中，銅棒位于銅管的中心。將銅管拉拔，制成6芯線材。再將所述的6芯線材截成等長的6段，再和一根與截短后的6芯線材直徑相等、長度相等的銅棒一起裝入銅管中，銅棒位于中心位置。繼續(xù)將銅管拉拔成36芯線材。之后，再將36芯線材截成等長的6段，和一根與截短后的36芯線材直徑相等、長度相等的銅棒一起裝入銅管中，銅棒位于最中央。繼續(xù)將銅管拉拔成216芯線材。然后將216芯線材截成等長的6段，和一根與截短后的216芯線材直徑相等、長度相等的銅棒一起再裝入銅管中，銅棒位于中心。將銅管繼續(xù)拉拔成1296芯線材。將1296芯線材在Ne氣氛下加熱，加熱溫度為950°C，保溫時間為0.1小時，并在保溫階段將1296芯線材直接放在耐高溫金屬模具中進行四面加壓，壓強為lkPa，得到二硼化鎂超導(dǎo)帶材。
[0024]實施例4
[0025]將純度99%的鎂棒裝入銀錳鎳合金管的中心，并在鎂棒和銀錳鎳合金管之間的間隙填充硼粉和甲苯的混合物。所述硼粉的純度為99%，粒徑為50微米。所述甲苯的純度為分析純，甲苯占硼粉質(zhì)量的0.1%。將銀錳鎳合金管兩端封口后經(jīng)孔型軋制成單芯線材，然后將該線材截成等長的19段，繼續(xù)裝入銀錳鎳合金管中，經(jīng)孔型軋制成19芯線材。再將19芯線材截成等長的19段，裝入銀錳鎳合金管中孔型軋制成361芯線材。再將該361芯線材截成等長的19段，裝入銀錳鎳合金管中孔型軋制成6859芯線材。將該6859芯線材兩端焊接密封，在N2氣氛下加熱，加熱溫度為400°C，保溫時間為100小時，并在保溫階段對6859芯線材進行氣體加壓，壓強為5GPa，得到二硼化鎂超導(dǎo)線材。
[0026]實施例5
[0027]將純度99.5%的鎂棒裝入不銹鋼管的中心，并在鎂棒和不銹鋼管之間的間隙填充硼粉和鎂粉的混合物。所述硼粉的純度為99.5%，粒徑為I微米。所述鎂粉的純度為99.5%，粒徑為I微米。鎂粉占硼粉質(zhì)量的15%。不銹鋼管的兩端封口后經(jīng)孔型軋制、拉拔成單芯線材。然后將該單芯線材截成等長的19段，裝入銅管中經(jīng)孔型軋制、拉拔成19芯線材。將該19芯線材兩端焊接密封，在Ar氣氛下加熱，加熱溫度為700°C，保溫時間為0.5小時，并在保溫階段對19芯線材進行氣體加壓，壓強為2GPa，得到二硼化鎂超導(dǎo)線材。
[0028]實施例6
[0029]將純度99.95%的鎂棒裝入鐵管的中心，并在鎂棒和鐵管之間的間隙填充硼粉和納米碳的混合物。所述的硼粉純度為98.5%，粒徑為30納米；所述的納米碳純度為99.95%，粒徑為20納米；所述的納米碳占硼粉質(zhì)量的4.8%。將鐵管兩端封口后經(jīng)拉拔成單芯線材。然后將該線材截成等長的7段，裝入蒙乃爾合金管中經(jīng)拉拔成7芯線材，將該7芯線材兩端完全焊接密封，在Ar氣氛下加熱，加熱溫度為650°C，保溫時間為5小時，并在保溫階段將7芯線材進行氣體加壓，壓強為200MPa，得到二硼化鎂超導(dǎo)線材。
[0030]實施例7
[0031]將純度99.95%的鎂棒裝入鐵管的中心，并在鎂棒和鐵管之間的間隙填充上硼粉和納米碳的混合物。所述的硼粉純度為98.5%，粒徑為30納米；所述的納米碳純度為99.95%，粒徑為20納米。納米碳占硼粉質(zhì)量的2.9%。鐵管兩端封口后經(jīng)拉拔成單芯線材，在Ar氣氛下熱處理該單芯線材，加熱溫度為650°C，保溫時間為5小時。并在保溫階段將單芯線材直接放在石墨模具中進行兩面加壓，壓強為lOOMPa