CN101214969A - 杂化微波合成纯的和掺杂的MgB2超导体 - Google Patents

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董�成
杨立红
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Abstract

本发明公开了一种杂化微波合成纯的和掺杂的MgB2超导体的方法，该方法通过将原料混合后压片，在片的周围包裹加热介质，在惰性气氛的保护下微波加热合成块材MgB2超导体，其超导起始转变温度在39K以上。样品的临界电流密度J较高，与高压烧结方法制备样品的J值接近。本发明的方法中，Mg的挥发和氧化可以显著减少，而且避免了封管所带来的材料损耗。此外，本方法不仅可用来制备高质量的MgB2粉末，作为生产MgB2超导带材和线材的原料，而且可以合成单相的碳掺杂以及各种元素或化合物掺杂的MgB2超导体，获得单相性较好的样品。

Description

杂化微波合成纯的和掺杂的MgB2超导体
技术领域
本发明涉及一种微波合成无机超导材料的方法，具体来说涉及一种杂化微波合成纯的和掺杂的MgB2超导体的方法。
背景技术
2001年初，日本Aoyama Gakuin大学的J.Akimitsu等人首先发现了MgB2的超导电性，其超导转变温度39K是迄今为止二元化合物材料中最高的。MgB2的发现引发了新一轮的超导研究热潮。人们从实验和理论两方面对其展开了广泛的研究。作为传统超导体，MgB2的Tc值(40K左右)已达到根据BCS理论估算能达到的最高超导转变温度。与其它超导材料对比，MgB2在电力传输方面具有优势。首先由于MgB2具有较高的超导转变温度，可以使用制冷机制冷而不必使用昂贵的液氦；另外，MgB2具有小的各向异性、较高的临界电流密度高和上临界磁场，从而具有巨大的应用前景。特别是可通过适当掺杂，使得Tc下降不大，但由于引入了新钉扎中心而使超导体的临界电流密度(Jc)和上临界磁场(Hc2)明显提高，从而有利于MgB2的应用。对MgB2的掺杂替代工作目前已有很多报道。对Mg位的掺杂主要有Be、Ca、Al、Li、Na、Zn、Zr、Cu、Ag、Au、Ta、Cr、La、Sc等；对B位的掺杂主要有C和F等；另外还有将化合物掺入到MgB2的晶格中，如硅化物(SiO2、SiC、ZrSi2、WSi2、Si3N4等)和硼化物(TiB2、ZrB2、NbB2等)的掺杂等。
目前，由于高温下Mg具有挥发性且极易被氧化，使得MgB2的块材样品不容易制备。通常MgB2块材样品是通过封在石英管和钽管中合成或者在高压下烧结制备。尽管这些方法能制备出高质量的样品，但仍然存在不少问题，特别是MgB2很难批量生产，制备过程中材料和能源消耗较多等。微波合成具有快速节能等优点，利用微波合成Mg的挥发和氧化可以大大降低，也能避免使用封管方法带来的麻烦和材料消耗。虽然在文献中有人已报道过MgB2的微波合成，但是其实验过程中仍需要封管，而且所制备样品中MgB2相含量不高。  另一方面，MgB2通过掺C可以提高其上临界磁场HC2和临界电流密度Jc，从而更加有利于材料的应用。文献报道的制备超导体MgB2掺杂样品的方法大都需要用Ta片或不锈钢管包裹，然后封在石英管中高温加热，样品制备周期较长。我们通过微波方法来合成高质量的MgB2纯相和掺杂样品，有助于研究MgB2的掺杂效应。本发明将杂化微波合成方法应用于合成纯的和掺杂的MgB2，得到超导电性能令人满意的样品。
发明内容
本发明的目的在于克服已有方法的不足，并发展一种可以改变反应气氛来杂化微波合成纯的和掺杂的MgB2方法。本发明通过使用加热介质并通入惰性气氛，加热速度快，反应时间短，合成反应一般只须加热数分钟。
为了实现本发明的目的，采用了如下的技术方案：
本发明的杂化微波合成MgB2的方法包括以下步骤：将金属镁粉、无定形硼粉为原料，按镁和硼的摩尔比为1∶2进行称量并混匀，压片，片的周围包裹加热介质(SiC和CuO等吸收微波能力较强的物质)，在惰性气氛(例如氩气)的保护下微波加热合成纯的MgB2。
其中，微波加热时间为10-20分钟，加热功率为400-800W。
其中，所述惰性气体为不与原料和产物发生化学反应的气体，例如氩气。
本发明的杂化微波合成掺碳的MgB2的方法，包括以下步骤：
1)首先按照硼粉与碳粉的摩尔比为10∶1称量原料并混匀，并在SiC加热介质中对混合原料在惰性气氛的保护下进行微波加热以合成中间化合物B10C。
2)按照所要获得的Mg(B1-xCx)2的化学计量比称量镁粉、B10C和无定形硼粉并混匀、压片；
3)将片的周围包覆B10C，并在加热介质中对混合好的原料在惰性气氛的保护下进行微波加热以合成掺碳的MgB2。
其中，微波加热时间10-20分钟，加热功率为400-800W。
其中，所述惰性气体为不与原料和产物发生化学反应的气体。
本发明的杂化微波合成掺特定元素或化合物的MgB2的方法，包括以下步骤：
1)首先将原料硼粉、镁粉和欲掺杂的特定元素或化合物按所要获得目标产物的化学剂量比称量、混匀和压片；
3)将片的周围包裹加热介质，在惰性气氛的保护下进行微波加热以合成掺杂的特定元素或化合物的MgB2。
其中，微波加热时间为10-20分钟，加热功率为400-800W。
其中，所述惰性气体为不与原料和产物发生化学反应的气体。
本发明的方法克服了Mg的挥发和氧化，并且避免封管引起的不便和材料消耗，在数分钟内得到与其它合成方法合成的相近性能的样品。微波合成方法能够制备出与用封管法固态反应方法超导性能相当的样品。微波合成方法简便，节省时间和能源，很容易推广应用到工业规模的MgB2超导体块材(和粉料)制备和生产中。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明做更详细地描述。实施例1、微波合成MgB2超导体：
摩尔比为2∶1的无定形B粉和Mg粉作为原料合成MgB2超导体。混合均匀。  混合好的粉末压片，片的周围包裹加热介质。放入微波炉加热数分钟，反应在惰性气氛中进行，冷却到室温后得到样品。对样品晶胞参数进行了计算显示与标准PDF卡片一致。外加磁场为1T时，样品B的Jc为4.5×104A/cm2，该值近似为高压烧结样品Jc的90％。
实施例2、微波合成Mg(B1-xCx)2(0≤x≤0.09)超导体：
样品制备分两步，
10B+C＝B10C                        (1)
Mg+2xB10C+(2-22x)B＝Mg(B1-xCx)2  (2)
首先按B∶C＝10∶1称量、混匀，然后在Ar气氛中微波加热得到B10C。加热媒介为SiC粉末。然后再根据方程式(2)制备超导体Mg(B1-xCx)2(0≤x≤0.09)。Mg粉、B10C和无定形B粉充分混合后压片，片的周围是B10C粉末。外部包裹加热介质，在Ar气氛中微波加热得到样品。我们的晶体结构分析结果与文献报道基本一致。随x增加，Tc逐渐下降，上临界磁场和临界电流密度Jc得到了明显提高，掺杂效果与用别的方法合成的样品非常接近。
实施例3、微波合成SiC掺杂MgB2超导体：
样品制备分两步，首先按B∶SiC＝10∶1称量、混匀，然后在Ar气氛下微波加热得到B10SiC，加热媒介为SiC颗粒，然后再将Mg粉、B粉和B10SiC按比例称量、充分混合压片，片的周围是同成分的粉末。加热媒介为SiC颗粒，在Ar气氛下微波加热得到样品。我们的晶体结构分析结果与文献报道基本一致。
尽管上文对本发明的具体实施方式通过实例进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，本领域的技术人员可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (8)

1.一种杂化微波合成MgB2的方法，其特征在于包括以下步骤：1)将金属镁粉、硼粉为原料，按镁和硼的摩尔比为1∶2进行称量并混匀，压片；2)将片的周围包裹加热介质，在惰性气氛的保护下微波加热合成纯的MgB2。
2.一种杂化微波合成掺碳的MgB2的方法，其特征在于包括以下步骤：1)首先按照硼粉与碳粉的摩尔比为10∶1称量原料并混匀，压片；2)片的周围包裹加热介质，在惰性气氛的保护下进行微波加热以合成中间化合物B10C；3)按照所要获得的Mg(B1-xCx)2的化学计量比称量镁粉、B10C和无定形硼粉并混匀、压片；4)将片的周围包覆B10C，外部包裹加热介质在惰性气氛的保护下进行微波加热以合成掺碳的MgB2。
3.一种杂化微波合成掺杂特定元素或化合物的MgB2的方法，其特征在于包括以下步骤：1)首先将原料硼粉、镁粉和欲掺杂的特定元素单质或化合物按所要获得目标产物的化学剂量比称量、混匀和压片，2)在片的周围包裹加热介质，在惰性气氛的保护下进行微波加热以合成掺特定元素或化合物的MgB2。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其中，所述微波加热时间为10-20分钟，加热功率为400-800W。
5.如权利要求1-3任一项所述的方法，其中，所述惰性气体为不与原料和产物发生化学反应的气体。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述惰性气体为不与原料和产物发生化学反应的气体。
7.如权利要求1-3任一项所述的方法，其中，所述加热介质为吸收微波能力强的化合物。
8.如权利要求3所述的方法，其中，所述欲掺杂的为特定元素为可以在Mg原子位置或B原子位置掺杂的元素，化合物为碳化硅和含碳多的有机化合物。
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