CN116356189B - 一种中熵合金超导体材料其制备方法和应用 - Google Patents

一种中熵合金超导体材料其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中熵合金超导体材料其制备方法和应用。所述超导材料包括Ti、V、Nb及Ta四种元素。所述制备方法包括S1.取Ti粉、V粉、Nb粉和Ta粉混合、研磨后，压成圆柱形块体；S2.将圆柱形块体放入电弧熔炼炉中，在惰性气体氛围下，将圆柱形块体熔炼成金属合金球；S3.将金属合金球置于石英管中，抽至真空度为1×10‑4～1×10‑5Torr后，用乙炔火焰进行封管密封，然后置于1000℃的箱式炉中煅烧7200min，随后打开石英管得到所述的中熵合金超导材料。所述应用为将该中熵合金用于电力通信、交通运输、医疗、高能物理、高新技术装备和军事装备领域，本发明丰富了超导体的研究内容，有望促进TiVNbTa中熵合金超导体的实际应用。

Description

一种中熵合金超导体材料其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及功能材料技术领域，具体涉及一种中熵合金超导体材料其制备方法和应用。
背景技术
超导材料是指在一定温度条件下(一般为较低温度)呈现出电阻等于零并且排斥磁力线性质的材料。超导材料具有完全电导性、完全抗磁性及通量量子化的奇特性质。完全导电性又称零电阻效应，指温度降低至某一温度以下，电阻突然消失的现象。完全导电性适用于直流电，当超导体在处于交变电流或交变磁场的情况下，会出现交流损耗，且频率越高，损耗越大。完全抗磁性又称迈斯纳效应，抗磁性指在磁场强度低于临界值的情况下，磁力线无法穿过超导体，超导体内部磁场为零的现象；完全指降低温度达到超导态、施加磁场两项操作的顺序可以颠倒。超导材料具有的上述优异特性，使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。超导材料在电力通信、交通运输、医疗、高能物理、高新技术装备和军事装备等领域具有广阔的应用前景，现已实现强电应用、弱电应用及抗磁性应用。
1908年，昂内斯成功液化氦气，并通过液氦节流膨胀技术可以得到1.5K的低温环境，并在3年后第一次发现汞的超导现象，使得超导体正式进入科学家们的视野中。自1911年超导体被发现以来，就凭借其独特的零电阻效应与完全抗磁性吸引着科学界的关注。学界对超导领域的兴趣未曾减少，从寻找更高超导临界温度的体系到研究超导现象的机理，科学家们正一步步为超导材料从实验室走向实际应用铺平道路。超导体近乎理想的电磁性能，使其在发电、输电和储能等能源领域的应用前景极其诱人，同时也具备着新型高性能器件的潜力。
进一个世纪以来，新的超导材料不断被发现，超导转变温度(Tc)也相继被提高。1986年，铜基高温超导材料的发现更是将超导材料的研究推向了高潮，在科技领域有着巨大的影响。随后，因为发现铜氧化物高温超导体(或称铜基超导体)不能被传统的BCS理论所预测及描述，并且由于铜氧化合物是陶瓷材料，材质很脆不易加工，这大大限制了铜基超导体在工业界的大规模应用。2008年，日本H.Hosono研究组发现LaFeAs1-xFx中存在26K的超导电性。铁基超导体系的超导转变温度由最初的26K迅速突破BCS理论预言的传统超导体超导转变温度的麦克米兰极限(40K)，直接证明这类铁基超导体是一种新型的高温超导材料。最近，理论及实验科学家的研究均发现一系列氢化物在高压下出现破纪录的接近室温的超导电性。与铜基及铁基高温超导不同的是这些氢化物高温超导均可被BCS理论所预测及解析，是一种常规的超导体。然而，因为氢化物在于实现200万大气压以上的电测量和磁测量及其困难，据不完全统计世界上不超过五个实验室能做到。所以，开发低成本的新超导材料仍是目前工业界与学术界的研究热点与难点。
中高熵合金(HEAs或MEAs)是1995年提出的。这些合金是通过真空电弧重熔获得的。设计和制备HEAs或MEAs的努力开辟了合金研究的另一个前沿。它们被定义为主要元素含量在3到13之间、原子浓度在5到35at％之间的合金。它们的主要特征是高溶解度、大程度的晶格扭曲、大的点阵缺陷效应、缓慢的原子扩散和复合性质效应(所谓的鸡尾酒效应)。这种形成简单的随机固溶体的趋势在热力学上使原子在工作过程中缓慢扩散，就像在热处理中所发生的那样。因此，可以很容易地获得纳米结构。组成元素的高溶解度使无规固溶体具有很高的延展性和硬度。中高熵合金可以同时具有传统合金难以同时具有的性能，如耐热性、耐腐蚀性、抗氧化性和高温析出硬化等。中高熵合金具有优异的物理性能，如导电性、磁导率等。
虽然文献中报道了许多超导中高熵合金，但每种中高熵合金组分都有独特的化学复杂性，并且可能还具有有趣的超导性质。强大的机械和材料特性与坚固的超导电性相结合，中高熵合金可能被证明是在极端条件下应用的未来材料。探索和开发新型新的中高熵合金超导体仍是该本领域技术人员研究的方向。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的之一在于提供一种中熵合金超导体材料。
一种中熵合金超导材料，所述超导材料包括Ti、V、Nb及Ta四种元素，Ti、V、Nb及Ta的摩尔比为1:1:1:1。
进一步，所述超导材料的超导转变温度为4.65K，上临界磁场Hc2为5.90T，下临界磁场Hc1为493Oe。
本发明的目的之二在于提供一种中熵合金超导材料的制备方法，包括以下步骤，
S1.取Ti粉、V粉、Nb粉和Ta粉混合、研磨后，压成圆柱形块体；
S2.将圆柱形块体放入电弧熔炼炉中，在惰性气体氛围下，将圆柱形块体熔炼成金属合金球；
S3.将金属合金球置于石英管中，抽至真空度为1×10-4～1×10-5Torr后，用乙炔火焰进行封管密封，然后置于1000℃的箱式炉中煅烧，随后打开石英管得到所述的中熵合金超导材料。
作为优选，所述研磨为将Ti粉、V粉、Nb粉和Ta粉研磨至过300目筛。
作为优选，所述惰性气体氛围采用氩气，氩气浓度为-0.05MPa。
作为优选，所述煅烧为以1℃/min的速度升温至1000℃，并在1000℃保温7200min。
作为优选，采用X射线粉末衍射确定样品的纯度后，利用Fullprof软件的Structural Mode拟合得到样品的晶体参数。
作为优选，采用综合物理测试系统测试样品的物理性质，包括电导率、磁性性质、上下临界磁场。
本发明目的之三在于一种中熵合金超导体材料的应用，将所述的中熵合金用于电力通信、交通运输、医疗、高能物理、高新技术装备和军事装备领域。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明提供的中熵合金超导体材料的超导转变温度为4.65K，上临界磁场Hc2为5.90T，下临界磁场Hc1为493Oe。为超导家族添加了新的成员。该中熵合金超导体材料在空气中测试稳定，易于保存。与高熵合金和传统的二元合金相比，四元中熵合金的超导报道较少，因此，本发明提供的TiVNbTa中熵合金超导体对高温超导的非常规配对机制的理论研究具有重要意义。
2、本发明采用电弧熔炼法方法制备中熵合金超导体材料，通过将Ti粉、V粉、Nb粉和Ta粉充分研磨后放入磨具中压成圆柱形块体，再以电弧辐射、温度对流和热传导的方式将原料熔化并熔炼成金属合金球，通过马蒂亚斯定则，即超导体超导转变温度与其原子有效电子数之间的一个经验规律，Ti、V、Nb和Ta的外层电子数分别为4、5、5、和5，通过制备时调整元素的配料比为1:1:1:1来调控最外层电子数为VEC＝4.75，制得TiVNbTa中熵合金超导体。本方法具有工艺流程短、设备简单、操作方便、温度高和安全性高的优点。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的TiVNbTa MEA的XRD衍射图和晶体结构示意图，其中，(a)为TiVNbTa MEA的XRD衍射图，(b)为TiVNbTa MEA的晶体结构示意图。
图2为本发明实施例1制备的TiVNbTa MEA的电导率，其中，(a)为TiVNbTa MEA在1.8-300K时样品的电阻率；(b)为TiVNbTa MEA在低温段1.8-10K时的电阻率。
图3为本发明实施例1制备的TiVNbTa MEA的磁化率曲线图，其中，(a)为ZFC的磁化强度在H＝30Oe磁场下随温度变化，并在4.5K以下转变为抗磁性迈斯纳态；(b)为在3.0-4.2K处测量的场相关磁化曲线；(c)为M-Mfit曲线用作磁场的函数；(d)为下临界磁场的拟合曲线。
图4为本发明实施例1制备的TiVNbTa MEA在不同温度和不同磁场下的电阻率图，其中，(a)为在不同磁场下的电阻率；(b)为超导状态的Hc2-T相图。
图5为本发明实施例1制备的TiVNbTa MEA的温度和比热图，其中，(a)为在1.8-13.5K的温度范围内，Cp/T与T2曲线拟合，拟合低温Debye模型Cp/T＝γn+βT2；(b)为在零施加场下测量的Cp/T与T2曲线。
具体实施方式
实施例1
一种中熵合金超导体材料，包括Ti、V、Nb及Ta四种元素，化学式为TiVNbTa。该中熵合金超导体材料的制备方法为，
S1.精确称量0.0321g Ti，0.0342g V，0.0623g Nb，0.1214g Ta原料，充分研磨后放入模具中压成圆柱形块体。
S2.将压好的圆柱形块体放入电弧熔炼炉中，在氩气氛围下(相对于外界大气压，氩气浓度为-0.05MPa)，将圆柱形块体熔炼成金属合金球。
S3.将金属合金球置于石英管中，抽至真空度为1×10-5Torr，并以乙炔火焰进行封管密封。随后将封好的石英管置于1000℃的箱式炉中煅烧120h，得到TiVNbTa MEA。
利用X射线粉末衍射(PXRD)确定TiVNbTa样品的纯度后，用FullProf软件拟合多晶样品的XRD衍射图，如图1所示，其中，(a)为TiVNbTa MEA的XRD衍射图，(b)为TiVNbTa MEA的晶体结构示意图。
从图1(a)可以看出，TiVNbTa MEA的XRD拟合较好，证明合成的样品是TiVNbTa。从X射线衍射光谱可以看出，该产品是纯TiVNbTa，没有残留杂质。峰值信号的轻微展宽是由于高度无序。从图1(b)可以看出，其晶体结构为体心立方(bcc)。TiVNbTa中熵合金属于Im-3m空间群(229号)，晶格参数为精修参数Rwp为4.50％，Rp为3.27％，χ2为4.28。拟合结果表明，Im-3m相的主相约占100％。经粉末拟合证明物相均匀，在空气中性质稳定，可以长期存在。
通过物理综合测试系统(PPMS)来系统测试此多晶样品材料的物理性质：主要包括电导率、磁性性质、上临界场。
图2为TiVNbTa MEA的电导率。从图2(a)可知，TiVNbTa样品在冷却到室温以下时表现出金属行为。此外，该TiVNbTa MEA显示出电阻率略高于Tc的金属行为，残余电阻率比＝ρ(300K)/ρ(8K)≈1.27是一个较低的比率，与高度无序的金属间或非化学计量比化合物的结果相当。图2(b)显示了Tc附近的低温行为。Tc的起始温度约为4.99K，而零电阻率约为4.48K，是典型的超导特性。值得注意的是，急剧的电阻率跃迁覆盖了0.51K的温度范围。此外，TiVNbTa MEA样品的Tc由超导相变开始和结束时的平均温度定义，用于建立电子相图。因此，由电阻跃迁中点确定的Tc≈4.65K。
图3为TiVNbTa MEA的磁化率曲线图。从图3(a)可知，Tc＝4.5K的临界温度被确定为线性近似斜率和正常状态磁化强度的交点处的值。图中观察到强烈的抗磁屏蔽和清晰的超导跃迁。测量了不同温度下的磁化强度M(H)曲线，如图3(b)所示。参见图3(c)，TiVNbTaMEA在3.0K下从0到2200Oe进行了磁场相关的体积磁化。在对磁场的理想响应的情况下，Mfit＝a+bH是通过磁化数据的低字段区域的线性拟合来确定的，其中b表示拟合线的斜率。线性拟合的斜率为-0.19419。然后使用公式-b＝1/[4π(1-N)]来估计退磁系数N，这取决于样品的形状以及样品相对于磁场的方向。测量矩形长方体TiVNbTa MEA样品N的结果约为0.4。TiVNbTa超导体在1.8K处的强抗磁性响应接近理想值4πχv(1-N)＝-1，其中-1代表全超导材料的理想值，表明它具有体超导性。使用公式进行拟合，得到μ0Hc1(0)＝493Oe，如图3(d)所示。
为了进一步了解超导状态，在不同温度下测量了磁阻和场相关磁化。不同磁场下的电阻率如图4(a)所示，显然，随着外加磁场强度的增加，Tc呈持续下降趋势。基于Werthamer-Helfand-Hohenburg(WHH)和Ginzberg-Landau(G-L)计算出上临界场为μ0H*c2(0)为5.9T。图4(b)显示了TiVNbTa MEA样品超导状态的Hc2-T相图。得到的斜率(dμ0Hc2/dT)为-1.50124T/K，来自TiVNbTa合金的线性拟合。然后，μ0Hc2(0)可以通过WHH公式估算：对于TiVNbTa MEA样品，WHH模型计算的μ0Hc2(0)为4.85T。值得注意的是，WHH模型计算的临界上限场必须小于鲍林极限场μ0HPauli＝1.86Tc＝8.67T，这是从鲍林极限效应推导的前提。GL模型在整个温度范围内对实验数据给出了令人满意的拟合。估计的μ0Hc2(0)GL为5.9T。对于TiVNbTa MEA样品，WHH和GL的μ0Hc2(0)均低于泡利顺磁极限并在泡利顺磁极限之内。
TiVNbTa MEA的温度和比热关系如图5所示。图5(a)为在1.8-13.5K的温度范围内，Cp/T与T2曲线拟合，拟合低温Debye模型Cp/T＝γn+βT2。图5(b)为在零施加场下测量的Cp/T与T2曲线。显然，在Tc＝3.71K处，体积Sc的跳跃是尖锐的。该值略低于通过电阻率和磁化强度测量的Tc值。在没有施加磁场的情况下，热容的电子贡献除以温度(Cel/T)与温度T。Debye温度符合公式ΘD＝(12π4nR/5β)1/3，其中n表示单位原子数，R表示分子式单位中的摩尔气体常数，可以得到TiVNbTa MEA的ΘD＝159.89K。根据得到TiVNbTaMEA合金的合成N(EF)为5.96states/eV f.u.。
可见，本发明实施例成功制备了中熵合金超导体材料，该中熵合金超导体材料的的超导转变温度为4.65K，上临界磁场Hc2为5.90T，下临界磁场Hc1为493Oe。为超导家族添加了新的成员，对高温超导的非常规配对机制的理论研究具有重要意义。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种中熵合金超导体材料，其特征在于，所述超导体材料由Ti、V、Nb及Ta四种元素组成，Ti、V、Nb及Ta的摩尔比为1:1:1:1；
所述超导体材料的超导转变温度为4.65 K，上临界磁场Hc2为5.90 T，下临界磁场Hc1为493 Oe；
该超导体材料的制备方法包括以下步骤，
S1.取Ti粉、V粉、Nb粉和Ta粉混合、研磨后，压成圆柱形块体；
S2.将圆柱形块体放入电弧熔炼炉中，在惰性气体氛围下，将圆柱形块体熔炼成金属合金球；
S3.将金属合金球置于石英管中，抽至真空度为1×10-4 ~ 1×10-5 Torr后，用乙炔火焰进行封管密封，然后置于1000 ℃的箱式炉中煅烧，煅烧为以1 ℃/min的速度升温至1000℃，并在1000 ℃保温7200 min，随后打开石英管得到所述的中熵合金超导体材料。
2.根据权利要求1所述的中熵合金超导体材料，其特征在于，所述研磨为将Ti粉、V粉、Nb粉和Ta粉研磨至过300目筛。
3.根据权利要求1所述的中熵合金超导体材料，其特征在于，所述惰性气体氛围采用氩气。
4.根据权利要求1所述的中熵合金超导体材料，其特征在于，采用X射线粉末衍射确定样品的纯度后，利用Fullprof软件的Structural Mode拟合得到样品的晶体参数。
5.根据权利要求1所述的中熵合金超导体材料，其特征在于，采用综合物理测试系统测试样品的物理性质，包括电导率、磁性性质、上下临界磁场。
6.一种中熵合金超导体材料的应用，其特征在于，将如权利要求1所述的中熵合金用于电力通信、交通运输、医疗和高能物理领域。
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