CN100376009C - 高密度MgB2超导块材的制备方法 - Google Patents

高密度MgB2超导块材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高密度MgB2超导块材的制备方法。该方法的具体步骤如下：将Mg粉料和B粉料，经研磨后封入钽箔，将钽箔放置于加热管内，并在惰性气氛下，升温至650～950℃，保温0.5～10小时，进行第一次烧结制成MgB2超导材料；将MgB2超导材料研磨成颗粒度为2～3μm的MgB2粉末，再与Mg粉和B粉混合后进行第二次烧结，即得到高密度的MgB2超导块材。本发明方法制得的MgB2超导块材具有细化的晶粒、较大的晶界面积、理想的晶界连接，不存在微裂纹，并且不夹杂有其他的化合物，纯度很高。

Description

高密度MgB2超导块材的制备方法
技术领域
本发明涉及一种MgB2超导材料的制备方法，特别是一种高密度MgB2超导块材的制备方法。
背景技术
2001年，发现金属间化合物MgB2具有超导电性的结果引起了凝聚态物理学界、材料学界的极大轰动。由于其许多独特性能尚未被人们完全认识和理解，在材料、物理、化学等多个学科领域引起了普遍的关注。MgB2的超导临界转换温度为39K，其超导温度仅次于氧化物超导体、掺杂C60固体材料超导体，是迄今为止发现的超导温度最高的、简单、稳定的金属间化合物超导材料。MgB2的结构为类石墨夹层结构，其化学成分及晶体结构都很简单，有高临界温度(Tc)、高电流密度(Jc)、高的相干长度，并且具有易合成、易加工、质量较轻等特点，易制成薄膜或线材，有望成为较大规模应用的超导材料。
然而，在MgB2超导材料尤其是块材、线材和带材的制备过程中，由于Mg和B都是密度较小的原料，Mg的密度是1.74g/cm3，B的密度是2.34g/cm3，即使经过压制达到100％的密实度，烧结过程中其体积会缩小到原来的76％，得到的MgB2的样品中存在大量的缩孔，密度远远低于其理论值2.62g/cm3，况且压制不会达到100％，所以烧结后一般只得到1.1～1.5g/cm3的疏松结构，是限制该材料临界电流密度提高的主要原因，同时对MgB2进行基础研究、性能测试以及生产加工等都有很大影响。
文献中记载可以用热等静压的方法制备了高密度的MgB2块材(Nesterenko VF，Gu Y.Elastic propertles of hot-isostatically-pressed magnesiumdiboride.Appllied physics letters.2003，82(23)：4104-4106)，但是其设备工艺复杂。文献中也记载可以直接使用MgB2粉末压制成型的高密度的MgB2材料(Frederick N A，Li S，Maple M B，et al.Improved superconductingpropertles of MgB2.Physica C，2001，363：1-5.)，但由于所制成的MgB2材料里面存在大量的微裂纹，超导载流能力也受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高密度MgB2超导块材的制备方法。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高密度MgB2超导块材的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
a)将经真空干燥处理过的Mg粉料和B粉料，按物质的量比为：Mg∶B＝0.7～1.3∶2的比例进行配料，将配料进行均匀研磨后，封入钽箔；
b)将上述钽箔放置于加热管内，并在惰性气氛下，将加热管进行加热，升温至650～950℃，保温0.5～10小时；然后将样品随炉冷却，即制成MgB2超导材料；
c)将上述的MgB2超导材料从钽箔中取出后，研磨成颗粒度为2～3μm的MgB2粉末；然后在MgB2粉末中加入Mg粉和B粉的混合物，Mg粉和B粉的混合物与MgB2粉末的质量比为0.01～0.2∶1，所述Mg粉和B粉的混合物中Mg粉和B粉的物质的量比为0.7～1.3∶2；
d)将步骤c得到的混合料进行均匀研磨后，装入低碳钢管，并在一定压力下压实后将另一端封闭；然后将上述低碳钢管放置于加热管内，并在惰性气氛下，将加热管进行加热，升温至650～950℃后保温0.5～10小时；然后随炉冷却，即得到高密度的MgB2超导块材。
与现有技术相比，本发明方法具有以下突出的实质性特点和显著优点：①由于本发明方法采用了混合烧结工艺，是一种简单易行的制备无宏观缺陷、高密度MgB2超导块材工艺；②由于MgB2密度的提高，载流子浓度得到提高，从而提高了临界电流密度。③由于MgB2密度的提高，产生了更多的晶界，晶界连接紧密，加强了晶界的钉扎作用，最终使得总的磁通钉扎力得以提高，从而提高了临界电流密度。由此，本发明方法制得的MgB2超导块材具有细化的晶粒、较大的晶界面积、理想的晶界连接，不存在微裂纹，并且不夹杂有其他的化合物，纯度很高。
具体的实施方式：
实施例一：
本实施例的MgB2超导材料的制备步骤如下：
(1)将纯度为99％的、过325目筛的Mg粉和纯度为99％的B粉分别置于真空干燥箱内于12℃下恒温干燥24小时，随后分别称取Mg和B粉料，按化学计量比Mg∶B＝1∶2进行配料，将配合料进行均匀研磨后，将其封入钽箔；
(2)将上述盛放有Mg、B混合料的钽箔放置于加热管内，用扩散真空泵将加热管内的空气抽去使成真空，随后充入高纯氩气进行洗气，再抽真空，如此反复三次后，持续缓慢充入高纯氩气保证管内的惰性气氛；
(3)将上述的加热管置于管式炉内加热，升温速度为100℃/h；升温至反应温度650℃后保温1小时；然后将样品随炉冷却，取出样品，即为一种原为自生的MgB2超导材料；
(4)将上述原位自生的MgB2超导块材从钽箔中取出后，用球磨机进行研磨，得到颗粒度为2～3μm的MgB2粉末；
(5)将上述粉末进行精确称量，得到一组粉料，然后将按化学计量比为Mg∶B＝1∶2的Mg粉和B粉的加入量与一次烧结样品粉末的比例为0.01∶1重量比加入其中；
(6)将上述混合料分别进行均匀研磨后，装入一端封闭的低碳钢管内，并在一定压力下压实后将另一端封闭；
(7)将上述盛放有Mg粉、B粉和MgB2粉混合料的低碳钢管放置于加热管内，用扩散真空泵将加热管内的空气抽去使成真空，随后充入高纯氩气进行洗气，再抽真空，如此反复三次后，持续缓慢充入高纯氩气保证管内的惰性气氛；
(8)将上述的加热管置于管式炉内加热，升温速度为100℃/h；升温至反应温度650℃后保温1小时；然后将样品随炉冷却，取出样品MgB2，即为一种高密度的MgB2超导块材。
实施例二：本实施例中的制备步骤与上述实施例一完全相同。所不同的是：①Mg粉和B粉是按Mg∶B＝0.7∶2进行称取配料；②将球磨得到的MgB2与按化学计量比为Mg∶B＝0.7∶2的Mg粉和B粉混合时，Mg粉和B粉的加入量与一次烧结样品粉末的比例为0.02∶1；③材料的反应温度都控制在750℃，保温时间都是0.5小时。
实施例三：本实施例中的制备步骤与上述实施例一完全相同。所不同的是：①Mg粉和B粉是按Mg∶B＝0.8∶2进行称取配料；②将球磨得到的MgB2与按化学计量比为Mg∶B＝0.8∶2的Mg粉和B粉混合时，Mg粉和B粉的加入量与一次烧结样品粉末的比例为0.05∶1；③材料的反应温度都控制在800℃，保温时间都是2小时。
实施例四：本实施例中的制备步骤与上述实施例一完全相同。所不同的是：①Mg粉和B粉是按Mg∶B＝1.1∶2进行称取配料；②将球磨得到的MgB2与按化学计量比为Mg∶B＝1.1∶2的Mg粉和B粉混合时，Mg粉和B粉的加入量与一次烧结样品粉末的比例为0.1∶1；③材料的反应温度都控制在850℃，保温时间都是5小时。
实施例五：本实施例中的制备步骤与上述实施例一完全相同。所不同的是：①Mg粉和B粉是按Mg∶B＝1.2∶2进行称取配料；②将球磨得到的MgB2与按化学计量比为Mg∶B＝1.2∶2的Mg粉和B粉混合时，Mg粉和B粉的总重量是15％；③材料的反应温度都控制在900℃，保温时间都是8小时。
实施例六：本实施例中的制备步骤与上述实施例一完全相同。所不同的是：①Mg粉和B粉是按Mg∶B＝1.3∶2进行称取配料；②将球磨得到的MgB2与按化学计量比为Mg∶B＝1.3∶2的Mg粉和B粉混合时，Mg粉和B粉的加入量与一次烧结样品粉末的比例为0.2∶1；③材料的反应温度都控制在950℃，保温时间都是10小时。
实施例七：本实施例中的制备步骤与上述实施例一完全相同。所不同的是：①Mg粉和B粉是按Mg∶B＝1.3∶2进行称取配料；②将一次烧结、球磨得到的MgB2粉末按照步骤6进行；③一次烧结的反应温度为800℃，保温时间为2小时，二次烧结的温度为900℃，保温时间为1小时。

Claims (1)

1.一种高密度MgB2超导块材的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
a、将经真空干燥处理过的Mg粉料和B粉料，按物质的量比为：Mg∶B＝0.7～1.3∶2的比例进行配料，将配料进行均匀研磨后，封入钽箔；
b、将上述钽箔放置于加热管内，并在惰性气氛下，将加热管进行加热，升温至650～950℃，保温0.5～10小时；然后将样品随炉冷却，即制成MgB2超导材料；
c、将上述的MgB2超导材料从钽箔中取出后，研磨成颗粒度为2～3μm的MgB2粉末；然后在MgB2粉末中加入Mg粉和B粉的混合物，Mg粉和B粉的混合物与MgB2粉末的质量比为0.01～0.2∶1，所述Mg粉和B粉的混合物中Mg粉和B粉的物质的量比为0.7～1.3∶2；
d、将步骤c得到的混合料进行均匀研磨后，装入低碳钢管，并在一定压力下压实后将另一端封闭；然后将上述低碳钢管放置于加热管内，并在惰性气氛下，将加热管进行加热，升温至650～950℃后保温0.5～10小时；然后随炉冷却，即得到高密度的MgB2超导块材。
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