CN101508571A - 一种分步烧结反应制备碳掺杂MgB2超导体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分步烧结反应制备碳掺杂MgB2超导体的方法,首先将原子数比为1∶(4-x)∶x(x=0.05~0.3)的镁、硼、C的混合粉末进行第一次烧结,然后在烧结产物中添加适量金属镁粉进行第二次烧结,最终获得C元素掺杂的MgB2超导体。本发明采用分步烧结反应制备碳掺杂MgB2超导体,可以在低温下使掺杂元素进入晶格中,并且有效地细化了MgB2晶粒,强化了MgB2晶粒连接,提高了磁通钉扎力,同时减少了镁与硼反应生成过程中,由于镁的气化而生成的空洞,有效提高了MgB2超导体的致密度;并且本发明可实现MgB2基超导材料的低成本、大规模制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种MgB2超导体的制备方法,特别是涉及一种分步烧结反应制备碳掺杂MgB2超导体的方法。
背景技术
新型超导体MgB2的发现,在全世界范围内掀起了研究热潮。MgB2超导体的转变温度为39K,可用制冷机冷却;与氧化物超导体相比,MgB2临界电流密度较高,晶界对超导电流是“透明的”,即超导电流不受晶界连通性的限制,研究发现MgB2的相干长度比钙钛矿型结构的氧化物相干长度大,这就意味着MgB2中更易于引入有效磁通钉扎中心。但是由于MgB2超导体的不可逆磁场(Hirr)和上临界磁场(Hc2)相对较低,磁通钉扎性能较差,所以其临界电流密度随外加磁场的增大下降较快,上述不足大大限制了MgB2的应用范围。大量的实验结果表明(W.K.Yeoh,S.X.DouPhysica C 456(2007)170-179),C掺杂是目前发现的较为有效的提高MgB2超导体性能的有效方法,通过人为的在超导体中引入缺陷从而形成钉扎中心,可以阻止磁通线的移动,提高MgB2超导体的不可逆场并改善其超导电性。
目前,通常制备C掺杂MgB2超导体采用的主要是常压烧结工艺,其直接混合Mg、B和C粉末作为起始原料进行烧结。该方法所能到达的C固溶度为1.25%~15%,但是上述方法在制备C掺杂MgB2超导体过程中,由于在较高的热处理温度下(一般高于900℃)进行较长时间的热处理,导致材料中产生较多的非超导的二相粒子,从而严重影响了晶粒间的连接性,同时超导体中孔洞较多(X X Xi et al.,Supercond.Sci.Technol.17(2004)S196-S201),降低了材料的致密度,最终使得材料的工程临界电流密度较低。为了提高MgB2块材的密度,许多研究小组又采用了高压烧结工艺(V.N.Narozhnyi et al.Journal ofSuperconductivity.15(2002)599-601),在高压条件下(>1GPa)、高温下(>900℃)烧结一定时间,卸压降温后,即得到致密的MgB2块材。但是高压的方法存在成本高、无法在MgB2超导线材制备过程中使用等缺点。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足,提供一种工艺简单,在常压条件下分步烧结反应制备碳掺杂MgB2超导体的方法,以提高MgB2超导体的致密度。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种分步烧结反应制备碳掺杂MgB2超导体的方法,其特征在于该方法过程为:
(1)将干燥的镁、硼和C粉末按照原子数比Mg∶B∶C=1∶(4-x)∶x的比例充分混合1~2小时,其中x=0.05~0.3,混合后的粉末用油压机压制成片或块;将压制的片或块置于真空退火炉中进行烧结,于室温下抽真空,然后充入纯氩气或氩气和氢气的混合气,混合气中氩气和氢气的体积百分比为19∶1,然后以50~70℃/分钟的升温速率加热,在600~1000℃的温度下保温1~10小时,最后以20~35℃/分钟的冷却速率冷却至室温;
(2)将步骤(1)中烧结得到的片或块进行破碎,然后向其中添加金属镁粉,得到原子数比Mg∶(B+C)=1∶2的混合粉末,将所述混合粉末用油压机压制成片或块,将压制的片或块置于真空退火炉中进行二次烧结,于室温下抽真空,然后充入纯氩气或氩气和氢气的混合气,混合气中氩气和氢气的体积百分比为19∶1,以50~70℃/分钟的升温速率加热,在600~1000℃的温度下保温1~10小时,最后以20~35℃/分钟冷却速率冷却至室温,便制成碳掺杂MgB2超导体。
上述步骤(1)和(2)中所述片或块的直径为Φ20mm。
上述步骤(2)中所述碳掺杂MgB2超导体的超导转变温度不低于38K。
本发明与现有技术相比具有以下优点:本发明采用分步烧结反应制备碳掺杂MgB2超导体,可以在低温下使掺杂元素进入晶格中,并且有效地细化了MgB2晶粒,强化了MgB2晶粒连接,提高了磁通钉扎力,同时减少了镁与硼反应生成过程中,由于镁的气化而生成的空洞,有效提高了MgB2超导体的致密度;并且本发明可实现MgB2基超导材料的低成本、大规模制备。
下面通过实施例,对本发明做进一步的详细描述。
具体实施方式
本发明一种分步烧结反应制备碳掺杂MgB2超导体的方法,该方法过程为:
(1)将干燥的镁、硼和C粉末按照原子数比Mg∶B∶C=1∶(4-x)∶x的比例充分混合1~2小时,其中x=0.05~0.3,混合后的粉末用油压机压制成直径为Φ20mm的片或块;将压制的片或块置于真空退火炉中进行烧结,于室温下抽真空,然后充入纯氩气或氩气和氢气的混合气,混合气中氩气和氢气的体积百分比为19∶1,然后以50~70℃/分钟的升温速率加热,在600~1000℃的温度下保温1~10小时,最后以20~35℃/分钟的冷却速率冷却至室温;
(2)将步骤(1)中烧结得到的片或块进行破碎,然后向其中添加金属镁粉,得到原子数比Mg∶(B+C)=1∶2的混合粉末,将所述混合粉末用油压机压制成直径为Φ20mm的片或块,将压制的片或块置于真空退火炉中进行二次烧结,于室温下抽真空,然后充入纯氩气或氩气和氢气的混合气,混合气中氩气和氢气的体积百分比为19∶1,以50~70℃/分钟的升温速率加热,在600~1000℃的温度下保温1~10小时,最后以20~35℃/分钟冷却速率冷却至室温,便制成超导转变温度不低于38K、高致密度的碳掺杂MgB2超导体。
实施例1
将干燥的镁(99%)、硼(99%)、纳米C粉末按照原子比Mg:B:C=1:3.9:0.1的比例充分混合1小时。混合后的粉末用油压机压制成直径Φ20mm的片,施加压力为30MPa,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,然后以60℃/分钟的升温速率将片或块加热,在900℃的温度下保温2小时,最后以25℃/分钟冷却速率将片冷却至室温。然后将片破碎成微米级粉末,向其中添加适量金属镁粉,得到镁和(硼+C)的原子配比为1:2的混合粉末。混合粉末用油压机压制成直径Φ20mm的片,施加压力为30MPa,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,然后以60℃/分钟的升温速率加热,在700℃的温度下保温2小时,最后以25℃/分钟冷却速率冷却至室温,便制成超导转变温度为38.4K,表观密度为1.923g/cm3的MgB2基超导体。
实施例2
将干燥的镁(99%)、硼(99%)、纳米C粉末按照原子比Mg:B:C=1:3.9:0.1的比例充分混合1小时。混合后的粉末用油压机压制成直径Φ20mm的片,施加压力为30MPa,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,然后以60℃/分钟的升温速率将片或块加热,在900℃的温度下保温2小时,最后以25℃/分钟冷却速率将片冷却至室温。然后将片破碎成微米级粉末,向其中添加适量金属镁粉,得到镁和(硼+C)的原子配比为1:2的混合粉末。混合粉末用油压机压制成直径Φ20mm的片,施加压力为30MPa,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,然后以60℃/分钟的升温速率加热,在750℃的温度下保温2小时,最后以25℃/分钟冷却速率冷却至室温,便制成超导转变温度为38.6K,表观密度为1.935g/cm3的MgB2基超导体。
实施例3
将干燥的镁(99%)、硼(99%)、纳米C粉末按照原子比Mg:B:C=1:3.9:0.1的比例充分混合1小时。混合后的粉末用油压机压制成直径Φ20mm的片,施加压力为30MPa,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,然后以60℃/分钟的升温速率将片或块加热,在900℃的温度下保温2小时,最后以25℃/分钟冷却速率将片冷却至室温。然后将片破碎成微米级粉末,向其中添加适量金属镁粉,得到镁和(硼+C)的原子配比为1:2的混合粉末。混合粉末用油压机压制成直径Φ20mm的片,施加压力为30MPa,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,然后以60℃/分钟的升温速率加热,在800℃的温度下保温2小时,最后以25℃/分钟冷却速率冷却至室温,便制成超导转变温度为38.8K,表观密度为1.947g/cm3的MgB2基超导体。
实施例4
将干燥的镁(99%)、硼(99%)、纳米C粉末按照原子比Mg:B:C=1:3.9:0.1的比例充分混合1小时。混合后的粉末用油压机压制成直径Φ20mm的片,施加压力为30MPa,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,然后以60℃/分钟的升温速率将片或块加热,在900℃的温度下保温2小时,最后以25℃/分钟冷却速率将片冷却至室温。然后将片破碎成微米级粉末,向其中添加适量金属镁粉,得到镁和(硼+C)的原子配比为1:2的混合粉末。混合粉末用油压机压制成直径Φ20mm的片,施加压力为30MPa,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,然后以60℃/分钟的升温速率加热,在850℃的温度下保温2小时,最后以25℃/分钟冷却速率冷却至室温,便制成超导转变温度为38.3K,表观密度为1.912g/cm3的MgB2基超导体。
实施例5
将干燥的镁(99%)、硼(99%)、纳米C粉末按照原子比Mg:B:C=1:3.9:0.1的比例充分混合1小时。混合后的粉末用油压机压制成直径Φ20mm的片,施加压力为30MPa,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,然后以60℃/分钟的升温速率将片或块加热,在900℃的温度下保温2小时,最后以25℃/分钟冷却速率将片冷却至室温。然后将片破碎成微米级粉末,向其中添加适量金属镁粉,得到镁和(硼+C)的原子配比为1:2的混合粉末。混合粉末用油压机压制成直径Φ20mm的片,施加压力为30MPa,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,然后以60℃/分钟的升温速率加热,在900℃的温度下保温2小时,最后以25℃/分钟冷却速率冷却至室温,便制成超导转变温度为38.1K,表观密度为1.878g/cm3的MgB2基超导体。
Claims (3)
1.一种分步烧结反应制备碳掺杂MgB2超导体的方法,其特征在于该方法过程为:
(1)将干燥的镁、硼和C粉末按照原子数比Mg∶B∶C=1∶(4-x)∶x的比例充分混合1~2小时,其中x=0.05~0.3,混合后的粉末用油压机压制成片或块;将压制的片或块置于真空退火炉中进行烧结,于室温下抽真空,然后充入纯氩气或氩气和氢气的混合气,混合气中氩气和氢气的体积百分比为19∶1,然后以50~70℃/分钟的升温速率加热,在600~1000℃的温度下保温1~10小时,最后以20~35℃/分钟的冷却速率冷却至室温;
(2)将步骤(1)中烧结得到的片或块进行破碎,然后向其中添加金属镁粉,得到原子数比Mg∶(B+C)=1∶2的混合粉末,将所述混合粉末用油压机压制成片或块,将压制的片或块置于真空退火炉中进行二次烧结,于室温下抽真空,然后充入纯氩气或氩气和氢气的混合气,混合气中氩气和氢气的体积百分比为19∶1,以50~70℃/分钟的升温速率加热,在600~1000℃的温度下保温1~10小时,最后以20~35℃/分钟冷却速率冷却至室温,便制成碳掺杂MgB2超导体。
2.根据权利要求1所述的一种分步烧结反应制备碳掺杂MgB2超导体的方法,其特征在于步骤(1)和(2)中所述片或块的直径为Φ20mm。
3.根据权利要求1所述的一种分步烧结反应制备碳掺杂MgB2超导体的方法,其特征在于步骤(2)中所述碳掺杂MgB2超导体的超导转变温度不低于38K。
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