CN101880165B - 一种短时间固相烧结技术制备铁基超导体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种短时间固相烧结技术制备铁基超导体的方法,步骤包括:在高纯Ar保护气氛下,将Ln和As粉按摩尔比1∶(1~1.1)混合,封装在高真空石英管内进行热处理,最后炉冷至室温,得到LnAs粉末;在高纯氩气保护的手套箱内,粉末LnAs和Fe粉、Fe2O3粉、FeF3粉按摩尔比3∶(1+x)∶(1-x)∶(1.1~1.5)x进行配比、研磨、压制成片,然后在高真空下进行退火处理,炉冷至室温,最终制备出LnO1-xFxFeAs超导体,其中Ln=La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu,0<x<0.6。本发明方法提高铁基超导体性能的同时,提高铁基超导体的制备效率。

Description

一种短时间固相烧结技术制备铁基超导体的方法
技术领域
本发明涉及一种铁基超导体的制备方法,尤其涉及一种短时间固相烧结技术制备LnO1-xFxFeAs(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu等)铁基超导体的方法,属于铁基超导材料的制备技术领域。
背景技术
铁基超导体具有许多优越的性能,在40~50K温度区间、高场使用情况下,其超导性能已经达到并超过现已成熟使用的传统低温超导材料Nb3Sn和高温YBCO涂层超导材料及Bi系超导线带材。另外,Nb3Sn的使用温度需要使用昂贵的液氦来维持,运行费用高昂,而铁基超导体可以使用制冷机达到其超导转变温度,运行费用相对低廉;而传统的铜氧化合物高温超导体由于制备过程复杂,成本居高不下,而铁基超导体的制备过程简单,成本相对低廉;因此,铁基超导体在运行费用上要较传统NbTi、Nb3Sn超导体和氧化物高温超导体YBCO和Bi2212具有很好的性价比。
但是,传统的固相烧结技术在制备铁基超导体时通常需要至少40个小时的保温时间,这使得利用这一方法制备铁基超导体时效率非常低下。
鉴于这两种技术存在的缺点,需要开发出一种短时间固相烧结技术制备铁基超导体的新方法,提高铁基超导体的生产效率。
发明内容
本发明的目的是通过缩短固相烧结时间,在不降低甚至提高铁基超导体性能的同时,提高铁基超导体的制备效率。
本发明所使用的初始原料:稀土元素(镧La、锶Ce、镨Pr、钕Nd、钐Sm、铕Eu、等)、砷粉(As)、铁粉(Fe)、氧化铁粉末(Fe2O3)、氟化钐粉末(SmF3)。
本发明所提供的短时间固相烧结技术制备LnO1-xFxFeAs(Ln=La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu,0<x<0.6)铁基超导体的方法,主要包括以下步骤:
(1)初始粉末LnAs的制备:
在高纯Ar保护气氛下,将需要的稀土粉末(Ln)和As粉按摩尔比1∶(1~1.1)的比例进行称量,充分混合;将混合均匀的原料封装在高真空10-4~10-6Pa的石英管内,然后进行热处理,热处理过程依次为:室温~400℃,升温速率为1~5℃/min;400℃~600℃升温速率为1~5℃/min;600℃保温3~10小时;600℃~900℃升温速率为1~5℃/min;900℃保温10~25小时;最后炉冷至室温。
(2)铁基超导体LnO1-xFxFeAs(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu等)的制备:
在高纯氩气保护的手套箱内,将第一步中制备好的初始粉末LnAs和Fe粉、Fe2O3粉、FeF3粉按摩尔比3∶(1+x)∶(1-x)∶(1.1~1.5)x进行配比(0<x<0.6);将其充分研磨,压制成片状;然后将其在高真空10-4~10-6Pa环境下进行退火处理;其中热处理过程依次为:首先0~600℃,升温速率为1~5℃/min;600℃~900℃,升温速率为1~3℃/min;然后在900℃保温5~15小时;900℃~(1100℃~1200℃),升温速率为1~3℃/min;最后在1100℃~1200℃保温20~30小时;炉冷至室温。最终制备出LnO1-xFxFeAs超导体。
本发明利用一种短时间固相烧结技术制备出铁基超导体,本发明技术关键在于通过先制备出初始粉末,使得在制备铁基超导体时原料可以充分参与反应,减小杂质相的生成,提高样品的纯度,缩短二次热处理的保温时间。同时本发明在对铁基超导体进行配比时,通过加入过量的F元素,以便在热处理过程中在较短的时间内F元素可以融入样品内部,得到所需要的铁基超导体产品的超导相,从而缩短热处理过程中的保温时间。
附图说明
图1实施例1制备的SmO0.8F0.2FeAs超导体的X射线衍射图像(XRD)
图2实施例1制备的SmO0.8F0.2FeAs超导体的电阻随温度(T)的变化曲线
图3实施例1制备的SmO0.8F0.2FeAs超导体的临界电流密度(Jc)随温度(T)变化的曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1:SmO0.8F0.2FeAs超导体的制备
步骤一:初始粉末的制备
将Sm粉与As粉按照摩尔比1∶1.03进行称量并在Ar保护气氛下混和。将混合好的Sm粉与As粉封装在石英管中进行烧结,真空度为10-6Pa,热处理过程依次为:室温~400℃,升温速率为5℃/min;400℃~600℃,升温速率为1℃/min;600℃保温5小时;600℃~900℃升温速率为1℃/min;900℃保温10小时;最后炉冷至室温。
步骤二:SmO0.8F0.2FeAs超导体的制备
在高纯氩气保护的手套箱内,将SmAs粉、Fe粉、Fe2O3粉、FeF3粉按比例30∶12∶8∶2.4配比;然后充分研磨;通过液压机压成片状,使用压力为15Mpa,时间为1分钟;封装在高真空石英管中,真空度为10-6Pa;进行热处理。热处理过程依次为:0-600℃,升温速率为5℃/min;600℃-900℃,升温速率为1℃/min,然后在900℃保温5小时;900℃-1150℃,升温速率为1℃/min;在1150℃下保温20小时;最后炉冷至室温。最终制备出SmO0.8F0.2FeAs超导体。图1为此实施例制备的SmO0.8F0.2FeAs超导体的X射线衍射图像,从图中可以看出利用本发明的方法制备的SmO0.8F0.2FeAs样品仅含有少量的SmAs、As2O3和SmFO杂质。图2为此实施例制备的SmO0.8F0.2FeAs超导体的电阻随温度T的变化曲线,由SmO0.8F0.2FeAs的电阻随温度T的变化曲线中可以看出,其临界转变温度的起始点为53.8K,零电阻的温度为48K,此方法制备出的样品具有SmO0.8F0.2FeAs体系中较高的临界转变温度,其窄的转变宽度表明样品中具有较高的纯度。图3为此实施例制备的SmO0.8F0.2FeAs超导体在10K和30K温度下临界电流密度(Jc)随温度变化的曲线。由图可以看出,在10K的温度下,0T时SmO0.7F0.3FeAs样品的临界电流密度为2.5×105A/cm2,这一结果接近铜氧化合物超导体的值,表明其具有良好的电学应用前景。尤为重要的是,10K时,在3T-9T磁场范围内,SmO0.8F0.2FeAs超导体的临界电流密度几乎不受外场升高的影响,这表明低温下样品具有良好的高场性能。30K时,低场下,SmO0.8F0.2FeAs超导体的临界电流密度随外场的升高剧烈下降,在在3T-9T范围内,样品的临界电流密度几乎不受外场升高的影响,但当外场大于3T时,样品临界电流密度随外场的升高有剧烈下降的趋势,这表明样品的超导性能在高温下对外场十分敏感。
实施例2:CeO0.8F0.2FeAs超导体的制备
步骤一:初始粉末的制备
将Ce粉与As粉按照摩尔比1∶1进行称量并在Ar保护气氛下混和。将混合好的Ce粉与As粉封装在高真空石英管中进行烧结,石英管真空度为10-4Pa,热处理过程依次为:室温-400℃,升温速率为5℃/min;400℃-600℃,升温速率为5℃/min;600℃保温10小时;600℃-900℃升温速率为5℃/min;900℃保温20小时;最后炉冷至室温。
步骤二:CeO0.8F0.2FeAs超导体的制备
在高纯氩气保护的手套箱内,将CeAs粉、Fe粉、Fe2O3粉、FeF3粉按比例30∶12∶8∶2.4配比;然后充分研磨;通过液压机压成片状,使用压力为15Mpa,时间为1分钟;封装在高真空石英管中,真空度为10-4Pa;进行热处理。热处理过程依次为:0-600℃,升温速率为5℃/min;600℃-900℃,升温速率为3℃/min,然后在900℃保温5小时;900℃-1100℃,升温速率为3℃/min;在1100℃下保温20小时;最后炉冷至室温。制备出CeO0.8F0.2FeAs超导体。
实施例3:NdO0.7F0.3FeAs超导体的制备
步骤一:初始粉末的制备
将Nd粉与As粉按照摩尔比1∶1.1进行称量并在Ar保护气氛下混和;将混合好的Nd粉与As粉封装在高真空石英管中进行热处理,石英管真空度为10-5Pa。热处理过程依次为:室温-400℃,升温速率为5℃/min;400℃-600℃,升温速率为3℃/min;600℃保温5小时;600℃-900℃升温速率为3℃/min;900℃保温20小时;最后炉冷至室温。
步骤二:NdO0.7F0.3FeAs超导体的制备
在高纯氩气保护的手套箱内,将NdAs粉、Fe粉、Fe2O3粉、FeF3粉按比例30∶13∶7∶3.6配比;然后充分研磨;通过液压机压成片状,使用压力为10Mpa,时间为1分钟;封装在钽管内,在真空退火炉中进行退火处理。热处理过程依次为:0-600℃,升温速率为5℃/min;600℃-900℃,升温速率为2℃/min,然后在900℃保温10小时;900℃-1200℃,升温速率为2℃/min;在1200℃下保温20小时;最后炉冷至室温。制备出NdO0.7F0.3FeAs超导体。

Claims (1)

1.一种短时间固相烧结技术制备铁基超导体的方法,其特征在于,所使用的初始原料:稀土元素、砷粉(As)、铁粉(Fe)、氧化铁粉末(Fe2O3)、氟化铁粉末(FeF3);主要包括以下步骤:
(1)初始粉末LnAs的制备:
在高纯Ar保护气氛下,将需要的稀土粉末(Ln)和As粉按摩尔比1∶(1~1.1)的比例进行称量,充分混合,将混合均匀的原料封装在高真空10-4~10-6Pa的石英管内,然后进行热处理,热处理过程依次为:室温~400℃升温速率为1~5℃/min,400℃~600℃升温速率为1~5℃/min,600℃保温3~10小时,600℃~900℃升温速率为1~5℃/min,900℃保温10~25小时,最后炉冷至室温;
(2)铁基超导体LnO1-xFxFeAs的制备:
在高纯氩气保护的手套箱内,将第一步中制备好的初始粉末LnAs和Fe粉、Fe2O3粉、FeF3粉按摩尔比3∶(1+x)∶(1-x)∶(1.1~1.5)x进行配比;将其充分研磨,压制成片状;然后将其在高真空10-4~10-6Pa环境下进行退火处理;其中热处理过程依次为:首先0~600℃,升温速率为1~5℃/min;  600℃~900℃,升温速率为1~3℃/min;然后在900℃保温5~15小时;900℃~(1100℃~1200℃),升温速率为1~3℃/min;最后在1100℃~1200℃保温20~30小时;炉冷至室温,最终制备出LnO1-xFxFeAs超导体,其中Ln=La、Ce、Pr、Nd、Sm,0<x<0.6。
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