CN101607822B - 通过球磨粉末氧化控制并烧结高载流MgB2超导体的方法 - Google Patents
通过球磨粉末氧化控制并烧结高载流MgB2超导体的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及通过球磨粉末氧化控制并烧结高载流MgB2超导体的方法。将Mg粉和B粉按原子比1∶2混合，然后将混合粉末放入球磨机中在惰性气体保护气氛下进行球磨1～10h；然后将球磨后的粉末暴露于空气中进行自然氧化处理1～24h，接着在2～10MPa的压力下制成薄片，将薄片放入高温差示扫描量热仪或者管式烧结炉进行低温烧结，升温速率5～40℃/min，升至600～900℃后，在此温度保温烧结0.5～5个小时，然后以10～40℃/min的冷却速度降至室温。本发明中制备的MgB2超导体在不添加掺杂物的前提下，依然具有比较优异的载流能力，尤其是在高磁场下的载流能力，几乎与目前掺杂MgB2超导体中最佳载流能力相媲美。
Description
技术领域
本发明属于超导技术领域，特别是涉及通过球磨粉末氧化控制并烧结高载流MgB2超导体的方法。
背景技术
自1911年荷兰Leiden大学的H.K.Onnes发现汞的超导性以来，人们一直对这种奇妙的现象进行着不懈的探索和研究。超导材料所特有的零电阻和抗磁性使其在电力能源、超导磁体、生物、医疗科技、通讯和微电子等领域有广阔的应用前景。如今世界各国对超导的研究越来越热，美国、日本和欧盟纷纷将超导技术列为新世纪保持尖端优势的关键。
超导材料按超导电现象出现的温度范围可分为两类：液氦温区的低温超导体和液氮温区的高温超导体。但是由于低温超导体的超导转变温度很低，因此大大限制了其在实际工业中的应用。高温超导材料主要是铜氧化物，但是由于铜氧化物的弱连接和陶瓷性使其临界电流密度随磁场增高而下降很快，且难以成形成高质量的线、带材，同样也阻碍了高温超导体的广泛应用。2001年日本科学家Nagamatsu J等人发现了一种具有39K临界转变温度的新型超导材料——二硼化镁(MgB2)。研究表明它既具有远高于低温超导体的临界转变温度，又不存在高温超导体难以克服的弱连接问题，因而在全世界范围内引发了对其制备方法和实际应用的研究的热潮。
目前具有高载流能力的MgB2超导体大部分都是通过掺杂烧结得到。但是相对少量的掺杂物粉末(掺杂量一般在10％左右)与大量的原始基体粉末很难达到均匀混合。这种不均匀性最终限制了制备块体临界电流密度的进一步提高。此外，大部分掺杂物粉末都是纳米级别尺寸，原材料本身的成本就很高，从而大幅度提高了具有高载流能力MgB2超导体的实际应用成本。从这一角度来讲，通过简单可行的制备工艺改变和控制MgB2超导体本身的结构和组织来获得比较高的载流能力，本身就具有很大的实际应用价值。
发明内容
本发明的目的就是利用球磨和随后的自然氧化对Mg和B原始混合粉末进行共处理，然后烧结，在不使用掺杂物的前提下，获得具有高载流能力MgB2超导体，从而降低MgB2超导体的制备成本，推进其在实际中的应用。
本发明的主旨首先是对原始粉末进行球磨处理以求降低烧结体中MgB2的结晶度，然后在此基础上对球磨后的原始粉末进行自然氧化，从而在烧结过程中自生成均匀纳米氧化镁颗粒，这些颗粒本身可以作为有效的钉扎中心。经过球磨和自然氧化共同处理后的原始粉末，经过烧结最终形成具有均匀纳米氧化镁颗粒钉扎的MgB2纳米多晶结构。具有这种结构的MgB2超导体在高磁场下具有优异的临界电流密度。
本发明通过球磨粉末氧化控制并烧结高载流MgB2超导体的方法，制备方法如下：
将Mg粉和B粉按原子比1∶2混合，然后将混合粉末放入球磨机中在惰性气体保护气氛下进行球磨1～10h；然后将球磨后的粉末暴露于空气中进行自然氧化处理1～24h，接着在2～10MPa的压力下制成薄片，将薄片放入高温差示扫描量热仪或者管式烧结炉进行低温烧结，升温速率5～40℃/min，升至600～900℃后，在此温度保温烧结0.5～5个小时，然后以10～40℃/min的冷却速度降至室温。
通过球磨和自然氧化共同处理后的原始粉末，经过烧结制备出的试样仍还是以MgB2相为主相，虽然氧化镁相与传统烧结试样相比明显增加，但是试样并没有被过度氧化，如图1所示试样中主相仍为六边形的MgB2晶粒。制备出来的超导体不仅具有比较细小的MgB2晶粒(100～250nm)，而且还在MgB2晶体中引入了均匀的氧化镁纳米钉扎(如图2中箭头所示为氧化镁颗粒)。与传统烧结法制备出的MgB2超导体相比，拥有更多的有效钉扎中心，因此在高临界磁场下具有比较优异的临界电流密度，如图3所示，实心黑点表示的是球磨后试样的临界电流密度，它比实心方块表示的没有球磨的试样的临界电流密度值在外加磁场大于15000oe(1T＝10000oe)时显著提高。
本发明中制备的MgB2超导体在不添加掺杂物的前提下，依然具有比较优异的载流能力，尤其是在高磁场下的载流能力，几乎与目前掺杂MgB2超导体中最佳载流能力相媲美。
附图说明
图1：本发明中制备的球磨试样与传统烧结试样X-射线衍射图谱比较；
图2(a)：传统烧结试样显微组织形貌；
图2(b)：本发明中制备的试样；
图3：本发明中制备的球磨试样与传统烧结试样的临界电流密度与外加磁场在20K下的关系曲线。
具体实施方式
实施例1：
选用将Mg粉(纯度为99.9％)和B粉(无定形，纯度为99％)，以原子量比1∶2进行混合，然后将该混合粉末放入球磨机中进行球磨1h，整个球磨过程在高纯氩气保护气氛下进行。然后将该球磨后的粉末暴露于空气中进行自然氧化处理24h，接着在2MPa的压力下制成薄片，最后将薄片放入高温差示扫描量热仪或者管式烧结炉进行低温烧结，升温速率5℃/min，升至600℃后，在此温度保温烧结5个小时，然后以10℃/min的冷却速度降至室温。
实施例2：
选用将Mg粉(纯度为99.9％)和B粉(无定形，纯度为99％)，以原子量比1∶2进行混合，然后将该混合粉末放入球磨机中进行球磨1h，整个球磨过程在高纯氩气保护气氛下进行。然后将该球磨后的粉末暴露于空气中进行自然氧化处理10h，接着在5MPa的压力下制成薄片，最后将薄片放入高温差示扫描量热仪或者管式烧结炉进行低温烧结，升温速率40℃/min，升至900℃后，在此温度保温烧结0.5个小时，然后以40℃/min的冷却速度降至室温。
实施例3：
选用将Mg粉(纯度为99.9％)和B粉(无定形，纯度为99％)，以原子量比1∶2进行混合，然后将该混合粉末放入球磨机中进行球磨5h，整个球磨过程在高纯氩气保护气氛下进行。然后将该球磨后的粉末暴露于空气中进行自然氧化处理10h，接着在10MPa的压力下制成薄片，最后将薄片放入高温差示扫描量热仪或者管式烧结炉进行低温烧结，升温速率20℃/min，升至850℃后，在此温度保温烧结2个小时，然后以20℃/min的冷却速度降至室温。
实施例4：
选用将Mg粉(纯度为99.9％)和B粉(无定形，纯度为99％)，以原子量比1∶2进行混合，然后将该混合粉末放入球磨机中进行球磨10h，整个球磨过程在高纯氦气保护气氛下进行。然后将该球磨后的粉末暴露于空气中进行自然氧化处理1h，接着在5MPa的压力下制成薄片，最后将薄片放入高温差示扫描量热仪或者管式烧结炉进行低温烧结，升温速率20℃/min，升至600℃后，在此温度保温烧结0.5个小时，然后以40℃/min的冷却速度降至室温。
本发明提出的通过球磨粉末氧化控制并烧结高载流MgB2超导体的方法，已通过实施例进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明的内容、精神和范围内对本文所述的制作方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明的技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
Claims (1)
1.通过球磨粉末氧化控制并烧结高载流MgB2超导体的方法，其特征是首先是对原始粉末进行球磨处理以求降低烧结体中MgB2的结晶度，然后在此基础上对球磨后的原始粉末进行自然氧化，从而在烧结过程中自生成均匀纳米氧化镁颗粒，这些颗粒本身作为有效的钉扎中心；制备方法如下：将Mg粉和B粉按原子比1∶2混合，然后将混合粉末放入球磨机中在惰性气体保护气氛下进行球磨1～10h；然后将球磨后的粉末暴露于空气中进行自然氧化处理1～24h，接着在2～10MPa的压力下制成薄片，将薄片放入高温差示扫描量热仪或者管式烧结炉进行低温烧结，升温速率5～40℃/min，升至600～900℃后，在此温度保温烧结0.5～5个小时，然后以10～40℃/min的冷却速度降至室温。
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