CN101343184A - 一种MgB2基复合元素掺杂超导体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MgB₂基复合元素掺杂超导体的制备方法，制备过程为：首先将干燥的镁粉、硼粉和Ti₃SiC₂粉末按照一定比例充分混合1－2小时，将混合后的粉末压制成型；然后将其置于真空退火炉中，在纯氩气或氩气与氢气的混合气的保护下，在700℃－1000℃的温度下保温1－10小时；最后冷却至室温，便制成高临界电流密度的MgB₂基复合元素掺杂超导体。采用本发明制备MgB₂基超导体，在改变MgB₂基超导体晶体结构的同时引入了第二相粒子作为有效钉扎中心，所获得的MgB₂基超导体在3特斯拉以上的背景磁场中具有高的临界电流密度，可实现MgB₂基超导材料的低成本制备，有效改善了MgB₂基超导体的磁通钉扎。

Description

一种MgB2基复合元素掺杂超导体的制备方法

技术领域

本发明涉及一种超导体的制备方法，特别是涉及一种MgB₂基复合元素掺杂超导体的制备方法。

背景技术

2001年MgB₂的超导电性被发现以后，国际超导界迅速对MgB₂的应用前景达成共识。MgB₂可以在制冷机工作温区(20K-30K)实现应用，无需复杂和昂贵的液氦条件。而低温超导体在这一温区无法工作。综合制冷成本和材料成本，MgB₂超导体在20-30K，1-3T的磁场范围内应用具有很明显的技术优势。

但是MgB₂超导体的实际应用必须解决一个关键问题，即提高MgB₂超导体的磁通钉扎。MgB₂是典型的第II类超导体。第II类超导体内部充满了量子化的磁通，除非以某种方式将磁通钉扎，否则当磁通蠕动时会产生能量耗损。目前的研究结果表明，MgB₂超导体中缺乏有效钉扎中心，磁通钉扎较弱，这就导致在高场下的MgB₂超导体的临界电流密度(J_c)较低，影响了MgB₂超导体在高温(＞20K)高场下(＞4T)的实际应用。提高的途径应是增加有效的磁通钉扎中心。元素掺杂是有效提高超导材料性能的有效方法。元素掺杂可以改变超导材料的晶体结构，从而提高本征超导电性。同时，也可以通过元素掺杂在超导材料中引入弥散分布的第二相粒子和晶体缺陷，或细化超导材料晶粒，提高磁通钉扎特性。通过元素掺杂在MgB₂超导体中引入有效钉扎中心，是有效提高MgB₂超导体临界电流密度的方法。Mg位的Ti元素掺杂可以在MgB₂基体中引入弥散分布的TiB₂粒子做为钉扎中心，提高MgB₂的临界电流密度。B位的SiC元素掺杂可以改变MgB₂的晶体结构，从而提高本征临界电流密度。但是这两种方法需要采用昂贵的纳米级Ti粉和SiC粉作为原料，提高了材料的成本。

探索新的Ti元素和SiC元素掺杂MgB₂超导体的制造方法将大大促进MgB₂超导体的实用化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种制备过程简单并适宜于大规模生产，且在3特斯拉以上的背景磁场中具有高的临界电流密度的MgB₂基超导体的制造方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种MgB₂基复合元素掺杂超导体的制备方法，其特征在于所述制备方法步骤为：

(1)将干燥的镁粉、硼粉和Ti₃SiC₂粉末按照摩尔比Mg∶B∶Ti₃SiC₂＝1-0.3x∶2-0.5x∶x的比例充分混合1-2小时，其中0.05≤x≤0.30；

(2)将步骤(1)中混合后的粉末用油压机压制成片材或块材；然后将所述片材或块材置于真空退火炉中，于室温下对所述真空退火炉抽真空，待所述真空退火炉真空度达到10^-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，所述氩气与氢气的体积百分比为24∶1，然后以60℃/分钟-100℃/分钟的升温速率将所述片或块材加热，在700℃-1000℃的温度下保温1-10小时；最后以25℃/分钟-50℃/分钟的冷却速率将所述片材或块材冷却至室温，便制成MgB₂基复合元素掺杂超导体。

上述步骤(1)中所述镁粉的纯度为99％，所述硼粉的纯度为99％，所述Ti₃SiC₂粉末的纯度为95％。

上述步骤(2)中所述油压机对混合后的粉末的施加压力为20-80Mpa。

上述步骤(2)中所述片材或块材为圆形，且其直径为20mm。

针对本发明的研究发现采用Ti粉、SiC粉、镁粉和硼粉的混合粉末作为原料，在等于大气压条件下制备无法获得在高场下具有高临界电流密度的MgB₂超导体。而采用Ti₃SiC₂粉、镁粉和硼粉的混合粉末作为原料，在等于大气压条件下制备的MgB₂基超导体表现出高临界电流密度的特征。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明采用Ti₃SiC₂粉、镁粉和硼粉的混合粉末作为原料，同时在MgB₂基超导体中引入Mg位的Ti元素掺杂和B位的SiC元素掺杂，在最终获得的MgB₂基超导体中，SiC进入MgB₂晶格，并且基体中弥散分布着TiB₂，在改变MgB₂基超导体晶体结构的同时引入了第二相粒子作为有效钉扎中心，所获得的MgB₂基超导体在3特斯拉以上的背景磁场中具有高临界电流密度；本发明可实现MgB₂基超导材料的低成本制备，有效改善了MgB₂基超导体的磁通钉扎。

下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

具体实施方式

实施例1

将干燥的镁(99％)、硼(99％)、Ti₃SiC₂(95％)粉末按照摩尔比Mg∶B∶Ti₃SiC₂＝1-0.3x∶2-0.5x∶x的比例充分混合1小时，其中x＝0.05。混合后的粉末用油压机压制成直径20mm的片或块，施加压力为20MPa，然后置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10^-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，氩气与氢气的体积百分比为24∶1，然后以70℃/分钟的升温速率将片或块材加热，在700℃保温2小时，最后以30℃/分钟冷却速率将片或块材冷却至室温，便制成超导转变温度为38K，临界电流密度为6.5x10⁴A/cm²(20K，3T)的MgB₂基超导体。

实施例2

将干燥的镁(99％)、硼(99％)、Ti₃SiC₂(95％)粉末按照摩尔比Mg∶B∶Ti₃SiC₂＝1-0.3x∶2-0.5x∶x的比例充分混合2小时，其中x＝0.1。混合后的粉末用油压机压制成直径20mm的片或块，施加压力为80MPa，然后置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10^-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，氩气与氢气的体积百分比为24∶1，然后以80℃/分钟的升温速率将片或块材加热，在800℃保温2小时，最后以35℃/分钟冷却速率将片或块材冷却至室温，便制成超导转变温度为37.5K，临界电流密度为5.8x10⁴A/cm²(20K，3T)的MgB₂基超导体。

实施例3

将干燥的镁(99％)、硼(99％)、Ti₃SiC₂(95％)粉末按照摩尔比Mg∶B∶Ti₃SiC₂＝1-0.3x∶2-0.5x∶x的比例充分混合2小时，其中x＝0.2。混合后的粉末用油压机压制成直径20mm的片或块，施加压力为40MPa，然后置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10^-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，氩气与氢气的体积百分比为24∶1，然后以80℃/分钟的升温速率将片或块材加热，在900℃保温2小时，最后以不低于40℃/分钟冷却速率将片或块材冷却至室温，便制成超导转变温度为37K，临界电流密度为5.2x10⁴A/cm²(20K，3T)的MgB₂基超导体。

实施例4

将干燥的镁(99％)、硼(99％)、Ti₃SiC₂(95％)粉末按照摩尔比Mg∶B∶Ti₃SiC₂＝1-0.3x∶2-0.5x∶x的比例充分混合1小时，其中x＝0.3。混合后的粉末用油压机压制成直径20mm的片或块，施加压力为60MPa，然后置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10^-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，氩气与氢气的体积百分比为24∶1，然后以90℃/分钟的升温速率将片或块材加热，在1000℃保温2小时，最后以50℃/分钟冷却速率将片或块材冷却至室温，便制成超导转变温度为36.8K，临界电流密度为5.0x10⁴A/cm²(20K，3T)的MgB₂基超导体。

Claims (4)

1.一种MgB₂基复合元素掺杂超导体的制备方法，其特征在于所述制备方法步骤为：

(1)将干燥的镁粉、硼粉和Ti₃SiC₂粉末按照摩尔比Mg∶B∶Ti₃SiC₂＝1-0.3x∶2-0.5x∶x的比例充分混合1-2小时，其中0.05≤x≤0.30；

(2)将步骤(1)中混合后的粉末用油压机压制成片材或块材；然后将所述片材或块材置于真空退火炉中，于室温下对所述真空退火炉抽真空，待所述真空退火炉真空度达到10^-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，所述氩气与氢气的体积百分比为24∶1，然后以60℃/分钟-100℃/分钟的升温速率将所述片或块材加热，在700℃-1000℃的温度下保温1-10小时；最后以25℃/分钟-50℃/分钟的冷却速率将所述片材或块材冷却至室温，便制成MgB₂基复合元素掺杂超导体。

2.按照权利要求1所述的一种MgB₂基复合元素掺杂超导体的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述镁粉的纯度为99％，所述硼粉的纯度为99％，所述Ti₃SiC₂粉末的纯度为95％。

3.按照权利要求1所述的一种MgB₂基复合元素掺杂超导体的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述油压机对混合后的粉末的施加压力为20-80Mpa。

4.按照权利要求1所述的一种MgB₂基复合元素掺杂超导体的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述片材或块材为圆形，且其直径为20mm。