CN1150634C - 一种MgB2超导材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种MgB2超导材料及其制备方法，涉及一种具有高临界电流密度的新型MgB2超导材料及其制备方法。其特征在于在MgB2超导材料中掺杂有选自Ti、Zr、Mo、Nb、W或Hf中的一种金属元素Me，其组成的摩尔比Mg∶Me∶B＝(0.8-0.9)∶(0.1-0.2)∶2。制备方法是将Mg粉、Me粉和B材料成份比例混合均匀，在常压氩气气氛中进行烧结。本发明的MgB2超导材料在10K以上的温度，具有高临界电流密度，而且磁场下的性能也非常优异，使得MgB2超导体走向实用化成为可能。

Description

一种MgB2超导材料及其制备方法
技术领域
一种MgB2超导材料及其制备方法，涉及一种具有高临界电流密度的新型MgB2超导材料及其制备方法。
背景技术
MgB2是一种新近发现的新型超导材料，是一种转变温度为39K的金属间化合物超导体，极有希望在20K-30K的温度范围内取得广泛应用。由于MgB2具有简单的化学组成和晶体结构，在MgB2的晶粒之间不存在弱连接，与高温氧化物超导体相比，MgB2将在制备和成材方面具有不可比拟的优势。同时，和低温超导体及A15超导体(如Nb3Ge(Tc＝23.2K)和YPd2B2C金属间硼碳化合物等)相比较，MgB2超导转变温度较高39K，在20K-30K之间应用正好填补了低温超导体和A15超导体应用的空白，使得制冷机的广泛应用成为可能。然而，目前与低温超导体和A15超导体相比，MgB2的临界电流密度还很低。通常制备MgB2的方法是通过氩气气氛下固态烧结B和Mg的混合物，经过扩散反应形成MgB2，这种方法制备的MgB2的块材和线材通常比较疏松，造成晶粒间的连接性能比较差，从而导致其临界电流密度较差。在固态烧结法制备MgB2的过程中，通过施加压力可以提高MgB2的致密度，但是，这种方法成本较高，而且降低MgB2的转变温度，难以制备实用化的线材和带材，大大影响了MgB2材料的实用化进程。
发明内容
本发明的目的就是为了克服已有技术存在的不足，提供一种具有高临界电流密度MgB2超导材料及其方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种MgB2超导材料，其特征在于在MgB2超导材料中掺杂有选自Ti、Zr、Mo中的一种金属元素，其组成的摩尔比在掺杂Ti时为Mg∶Ti∶B＝(0.85-0.9)∶(0.1-0.15)∶2、掺杂Zr时为Mg∶Zr∶B＝0.9∶0.1∶2、掺杂Mo时为Mg∶Mo∶B＝0.9∶0.1∶2。
一种MgB2超导材料的制备方法，其特征在于其制备是将Mg粉、Ti粉和B粉按照摩尔比(0.8 5-0.9)∶(0.1-0.15)∶2配制并混合均匀，在常压氩气气氛下，在600℃-650℃保温1小时，750℃-800℃保温1小时，850℃-900℃保温2小时进行烧结获得含Ti的MgB2超导材料；将Mg粉、Zr粉和B粉按照摩尔比0.9∶0.1∶2配制并混合均匀，在常压氩气气氛下，在850℃保温2小时进行烧结获得含Zr的MgB2超导材料；将Mg粉、Mo粉和B粉按照摩尔比0.9∶0.1∶2配制并混合均匀，在常压氩气气氛下，在600℃保温1小时，在800℃保温1小时，在900℃保温2小时进行烧结获得含Mo的MgB2超导材料。
本发明的MgB2与已有的MgB2相比较，通过金属元素M(如Ti、Zr、Mo)的掺杂，形成MB2，一方面MB2和MgB2相互作用，造成晶格畸变，另一方面，MB2细化MgB2的晶粒，产生更多的晶界，加强了晶界钉扎的作用，最终使得总的磁通钉扎力得以提高，从而提高临界电流密度。本发明的MgB2制备方法实用简单，制备的MgB2超导体既可以作为块材直接应用，也可以作为线材、带材的前驱粉或是作为商业的MgB2粉末的原材料。通过这种方法所制备的含这种金属元素的MgB2带材在10K，自场下其临界电流密度可以达到1.58X106A/cm2；在20K，自场下其临界电流密度可以达到9.37X105A/cm2，为目前国际最高性能，使得MgB2的商业应用成为可能。
下面结合实例对本发明的方法作进一步说明。
一种MgB2超导材料，其特征在于在MgB2超导材料中掺杂有选自Ti、Zr、Mo的一种金属元素，其组成的摩尔比在掺杂Ti时为Mg∶Ti∶B＝(0.85-0.9)∶(0.1-0.1 5)∶2、掺杂Zr时为Mg∶Zr∶B＝0.9∶0.1∶2、掺杂Mo时为Mg∶Mo∶B＝0.9∶0.1∶2。
一种MgB2超导材料的制备方法，其特征在于其制备是将Mg粉、Ti粉和B粉按照摩尔比(0.85-0.9)∶(0.1-0.15)∶2配制并混合均匀，在常压氩气气氛下，在600℃-650℃保温1小时，750℃-800℃保温1小时，850℃-900℃保温2小时进行烧结获得含Ti的MgB2超导材料；将Mg粉、Zr粉和B粉按照摩尔比0.9∶0.1∶2配制并混合均匀，在常压氩气气氛下，在850℃保温2小时进行烧结获得含Zr的MgB2超导材料；将Mg粉、Mo粉和B粉按照摩尔比0.9∶0.1∶2配制并混合均匀，在常压氩气气氛下，在600℃保温1小时，在800℃保温1小时，在900℃保温2小时进行烧结获得含Mo的MgB2超导材料。
使用本发明的方法，可以前Mg粉、M粉(如Ti、Zr、Mo粉)和B粉配制并混合均匀后，经烧结后直接得到具有高临界电流密度MgB2超导块材；另外还可将混合料装入Ta作为阻隔层的铜管中，经加工至0.3mm×4.0mm的带材，然后在常压氩气气氛中进行烧结，得到具有高临界电流密度MgB2超导带材。
磁通钉扎的角度看，在磁场下MgB2较低的临界电流密度是由于材料所捕获的磁通线的大量移动造成的，因此不能够简单地通过提高MgB2材料的致密度来达到。较强的磁通钉扎是通过引入一定数量的尺寸恰当的晶体缺陷或第二相粒子来获得。元素掺杂一方面可以进入到晶体的晶格，造成晶格畸变，形成晶体缺陷；另一方面，可以以细小的第二相弥散在整个超导体当中或者是使MgB2晶粒细化(可以增加晶界的有效面积)，这些都可以增强体系的磁通钉扎能力。因此，采用元素掺杂的方法制备高临界电流密度MgB2块材和线材的方法是可行的。
实例1
制备掺杂金属元素Ti的MgB2块材。将Mg粉、Ti粉和B粉按照摩尔比：0.9∶0.1∶2配制并混合均匀，在常压氩气气氛中进行烧结热处理，650℃保温1小时，750℃保温1.5小时，850℃保温2小时，制备含掺杂金属元素Ti硼化物的MgB2块材。这种MgB2块材块材在5K，自场下其临界电流密度可以达到2×106A/cm2，2T下，临界电流密度可以达到3×105A/cm2；在2 0K，自场下其临界电流密度可以达到1.3×106A/cm2，2T下，临界电流密度可以达到9.4×104A/cm2。
实例2
制备掺杂金属元素Ti的MgB2带材。将Mg粉、Ti粉和B粉按照摩尔比：0.85∶0.15∶2配制并混合均匀，装入Ta作为阻隔层的铜管中，经加工至0.3mm×4.0mm的带材，在常压氩气气氛中进行烧结热处理，600℃保温1小时，800℃保温1小时，900℃保温2小时，制备含掺杂金属元素Ti硼化物的MgB2带材。这种MgB2带材在10K，自场下其临界电流密度可以达到1.58×106A/cm2，2T下，临界电流密度可以达到1.6×105A/cm2；在20K，自场下其临界电流密度可以达到9.3×105A/cm2，2T下，临界电流密度可以达到4.27×104A/cm2。
实例3
制备掺杂金属元素Zr的MgB2块材。将Mg粉、Zr粉和B粉按照摩尔比：0.9∶0.1∶2配制并混合均匀，在常压氩气气氛中进行烧结热处理，850℃保温2小时，制备含掺杂金属元素Zr硼化物的MgB2块材。这种MgB2块材在30K，自场下其临界电流密度可以达到7.2×105A/cm2，1T下，临界电流密度可以达到1.2×104A/cm2；在20K，自场下其临界电流密度可以达到1.83×106A/cm2，1T下，临界电流密度可以达到5.6×105A/cm2。
实例4
制备掺杂金属元素Mo的MgB2块材。将Mg粉、Mo粉和B粉按照摩尔比：0.9∶0.1∶2配制并混合均匀，在常压氩气气氛中进行烧结热处理，600℃保温1小时，800℃保温1小时，900℃保温2小时，制备含掺杂金属元素Mo硼化物的MgB2块材。这种MgB2块材在30K，自场下其临界电流密度可以达到5.0×105A/cm2，1T下，临界电流密度可以达到1.1×104A/cm2；在20K，自场下其临界电流密度可以达到1.4×106A/cm2，1T下，临界电流密度可以达到3.2×105A/cm2。

Claims (4)

1、一种MgB2超导材料，其特征在于在MgB2超导材料中掺杂有选自Ti、Zr、Mo中的一种金属元素Me，其组成的摩尔比在掺杂Ti时为Mg∶Ti∶B＝(0.85-0.9)∶(0.1-0.15)∶2、掺杂Zr时为Mg∶Zr∶B＝0.9∶0.1∶2、掺杂Mo时为Mg∶Mo∶B＝0.9∶0.1∶2。
2、一种MgB2超导材料的制备方法，其特征在于其制备是将Mg粉、Ti粉和B粉按照摩尔比(0.85-0.9)∶(0.1-0.15)∶2配制并混合均匀，在常压氩气气氛下，在600℃-650℃保温1小时，750℃-800℃保温1小时，850℃-900℃保温2小时进行烧结获得所述含Ti的MgB2超导材料。
3、一种MgB2超导材料的制备方法，其特征在于其制备是将Mg粉、Zr粉和B粉按照摩尔比0.9∶0.1∶2配制并混合均匀，在常压氩气气氛下，在850℃保温2小时进行烧结获得所述含Zr的MgB2超导材料。
4、一种MgB2超导材料的制备方法，其特征在于其制备是将Mg粉、Mo粉和B粉按照摩尔比0.9∶0.1∶2配制并混合均匀，在常压氩气气氛下，在600℃保温1小时，在800℃保温1小时，在900℃保温2小时进行烧结获得所述含Mo的MgB2超导材料。
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