CN1929044A - 含有Si元素和C元素的MgB2超导材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种含有Si元素和C元素的MgB2超导材料，其特征在于含有SiC晶须或Si/N/C纳米粉。制备所述的MgB2超导材料的方法，其特征在于，将Mg粉，B粉，SiC晶须(或Si/N/C纳米粉)按照摩尔比(0.8－0.975)∶(1.8－1.95)∶(0.025－0.2)配制并混合均匀，装入铁管或铁铜复合管中密封后，按顺序先后进行旋锻、拉拔、轧制，得到含有Si元素和C元素的MgB2超导线材；或者将混合均匀的原料粉用压片机进行压片，得到含有Si元素和C元素的MgB2超导块材；将得到的线带材或块材放置真空炉中，抽真空后充入氩气，在600℃－900℃保温0.5－2小时，最终得到含有Si元素和C元素的MgB2超导材料。本发明制备的MgB2超导材料磁场下的性能非常优异，且具有很好的重复性。

Description

含有Si元素和C元素的MgB2超导材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种MgB2超导材料及其制备方法。
背景技术
MgB2是目前临界转变温度最高的金属间化合物超导材料，它的临界转变温度(39-40K)高于目前已经进行实际应用的Nb3Sn和NbTi等超导材料。较高的转变温度、较大的相干长度、较高的上临界场、晶界不存在弱连接、结构简单、成本低廉等优点使MgB2成为应用在20K-30K温度范围的材料最有力的竞争者。特别是在低场领域，如在磁共振成像磁体应用方面，MgB2表现了极大的优势，已经有数据表明，MgB2的实用化将带来数十亿的经济效益，而且由于可以在制冷机制冷条件下工作，MgB2的应用将会大大推动磁共振成像仪的推广，对于中国广大的乡村人民医疗水平的提高具有十分重要的意义。然而，目前制备的MgB2材料的临界电流密度与低温超导体和A15超导体相比还比较低，而且会随着磁场强度的增加而急剧的减小。提高MgB2的临界电流密度是一个难题，因为当电流通过超导体时就会产生电子涡旋，电子涡旋的运动消耗能量，进而破坏材料的超导能力。如果涡旋能钉扎在杂质或缺陷上并且不影响无阻电流的流动，将可以大大提高临界电流密度。因此，为了提高MgB2在一定磁场下的临界电流密度，可以采用中子(质子)轰击、化学腐蚀、机械加工、掺杂等方法，而由于掺杂具有更简便快速、能进行均匀改性等特点，成为目前提高MgB2磁通钉扎能力的主要方法。已经进行实验的Zr、Mo、Nb、W、Ti、Al、Fe、WSi2、ZrSi2等掺杂均只能小幅度提高MgB2的性能。目前为止，由掺杂提高MgB2材料性能效果最好的掺杂物质是2002年Dou等人尝试的纳米SiC(Dou S.X.等，Enhancement of the critical current density and flux pinning ofMgB2 superconductor by nanoparticle SiC doping，Applied Physics Letters，Volume 81，Number 18，2002)。经常被用来作为陶瓷材料添加剂的SiC晶须和Si/N/C纳米粉制备工艺简单，而且同样具有SiC纳米粒子具有的主要成分，因此也被用来作为对MgB2掺杂的物质。实验结果表明，这两种物质对MgB2材料超导性能的提高效果是十分明显的。
目前世界上最高的MgB2线带材临界电流密度是由Matsumoto A等人采用MgH2做为原料采用原位粉末装管法得到的[Matsumoto A等，Effect of impurity additions on themicrostructures and superconducting properties of in situ-processed MgB2 tapes，Supercond.Sci.Technol.17(2004)S319-S323)]，我们在同样的制备工艺条件下，采用Mg粉作为原料，通过SiC晶须或Si/N/C纳米粉的掺杂得到了与此结果相接近的数值。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有MgB2超导材料性能的不足，提供一种具有高性能的MgB2超导材料及其制备方法。
本发明的MgB2超导材料组分为Mg、B、SiC晶须或Si/N/C纳米粉，其组成摩尔比为：Mg∶B∶SiC晶须或Si/N/C纳米粉＝(0.8-0.975)∶(1.6-1.95)∶(0.025-0.2)。
本发明的制备方法如下。
本发明在原料Mg粉，B粉中加入纳米Si/N/C粉或SiC晶须，原料纯度均为市售化学纯，其组成的摩尔比为：Mg∶B∶Si/N/C粉或SiC晶须＝(0.8-0.975)∶(1.6-1.95)∶(0.025-0.2)。将Mg粉，B粉，纳米Si/N/C粉或SiC晶须按照摩尔比(0.8-0.975)∶(1.8-1.95)∶(0.025-0.2)配制并混合均匀，装入铁管或铁铜复合管中密封后以一定的变形率按顺序先后进行旋锻、拉拔、轧制，得到含纳米Si/N/C粉或SiC晶须的MgB2超导线带材。或者将混合均匀的原料粉用压片机进行压片，得到含纳米Si/N/C粉或SiC晶须的MgB2超导块材。将得到的线带材或块材放在真空炉中，抽真空后充入氩气，在600℃-900℃保温0.5-2小时，最终得到含有Si元素和C元素的MgB2超导材料。
MgB2晶体中缺乏能够对磁通蠕动进行钉轧的结构缺陷，所以其临界电流随磁场强度的增大而很快的减小。因此可以采用增加晶体缺陷或者增加晶格界面等方法增加晶体的钉扎中心来提高MgB2的磁通钉扎能力，从而提高材料的临界电流密度。一般来说，钉扎机制可分为两种，一种来源于晶粒内部的短程无序，另一种来源于和晶体结构以及晶界有关的长程不均匀性。掺杂可以引入钉扎中心以及改善晶粒间的连接性，从而达到提高临界电流密度的目的。本发明在优化材料加工工艺前提下，通过掺杂纳米Si/N/C或者SiC晶须，在MgB2晶格中通过C对B的替代引入缺陷，并且Si与Mg反应生成的部分粒径较小的杂质也可以作为钉轧中心，这些都可以增强MgB2材料的磁通钉扎能力。而且由于SiC晶须或Si/N/C掺杂后对MgB2超导转变温度影响较小，从而减小了由超导转变温度降低产生的对MgB2临界电流密度的负面作用。
本发明采用采用SiC晶须或Si/N/C纳米颗粒掺杂，不但提供了两种具有良好掺杂效果的掺杂物质，而且它们具有各自的特点。例如，利用SiC晶须掺杂可以给MgB2超导芯带来线缺陷，造成MgB2超导芯具有一定的织构；利用Si/N/C纳米颗粒掺杂不但可以提供在SiC纳米颗粒掺杂时起到关键作用的碳元素，而且不会产生太多由于SiC分解导致的Mg2Si杂质。这些优点对于进一步提高MgB2材料的超导特性具有重要意义。
用本发明方法制备的MgB2超导带材的临界电流密度在4.5×103A/cm2(4.2K，10T)左右，且重复性很好，并且成本费用远低于Matsumoto A等人采用同样的原位粉末装管法制备的样品。因为Matsumoto A等人制备样品时采用MgH2做为原料，而MgH2是一种非常昂贵且不易得到的物质。
具体实施方式
实例1
制备(MgB2)0.95(SiC)0.05超导带材。将Mg粉，B粉，SiC晶须按照摩尔比0.95∶1.9∶0.05准确称量并混合均匀，装入直径为8毫米的铁管中密封后以10％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔、轧制，得到宽3.1毫米，厚0.5毫米的带材。将带材在流动气氛的氩气真空炉中650℃保温1小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含有Si元素和C元素的MgB2超导带材。制得的带材的临界电流密度为4.5×103A/cm2(4.2K，10T)。
实例2
制备(MgB2)0.95(Si/N/C)0.05超导带材。将Mg粉，B粉，Si/N/C纳米粉按照摩尔比0.95∶1.9∶0.05准确称量并混合均匀，装入直径为8毫米的铁管中密封后以10％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔、轧制，得到宽3.1毫米，厚0.5毫米的带材。将带材在流动气氛的氩气真空炉中650℃保温1小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含有Si元素和C元素的MgB2超导带材。制得的带材的临界电流密度为3.2×103A/cm2(4.2K，10T)。
实例3
制备(MgB2)0.8(SiC)0.2超导线材。将Mg粉，B粉，SiC晶须按照摩尔比0.8∶1.6∶0.2准确称量并混合均匀，装入铁铜复合管中密封后以20％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔，得到直径为1.5毫米的线材。将线材在流动气氛的氩气真空炉中700℃保温0.5小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含有Si元素和C元素的MgB2超导线材。
实例4
制备(MgB2)0.95(SiC)0.025超导带材。将Mg粉，B粉，SiC晶须按照摩尔比0.95∶1.9∶0.05准确称量并混合均匀，装入铁管中密封后以15％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔、轧制，得到宽4毫米，厚0.5毫米的带材。将带材在流动气氛的氩气真空炉中700℃保温0.5小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含有Si元素和C元素的MgB2超导带材。
实例5
制备(MgB2)0.95(Si/N/C)0.05超导带材。将Mg粉，B粉，纳米Si/N/C粉按照摩尔比0.95∶1.9∶0.05准确称量并混合均匀，装入铁铜复合管中密封后以5％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔、轧制，得到宽4毫米，厚0.5毫米的带材。将带材在流动气氛的氩气真空炉中750℃保温1小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含有Si元素和C元素的MgB2超导带材。
实例6
制备(MgB2)0.8(SiC)0.2超导带材。将Mg粉，B粉，SiC晶须按照摩尔比0.8∶1.6∶0.2准确称量并混合均匀，装入铁管中密封后以10％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔、轧制，得到宽3.1毫米，厚0.5毫米的带材。将带材在流动气氛的氩气真空炉中600℃保温1.5小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含有Si元素和C元素的MgB2超导带材。
实例7
制备(MgB2)0.8(Si/N/C)0.2超导线材。将Mg粉，B粉，纳米Si/N/C粉按照摩尔比0.8∶1.6∶0.2准确称量并混合均匀，装入铁管中密封后以15％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔，得到直径为1.5毫米的线材。将带材在流动气氛的氩气真空炉中650℃保温1小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含有Si元素和C元素的MgB2超导线材。
实例8
制备(MgB2)0.975(SiC)0.025超导带材。将Mg粉，B粉，SiC晶须按照摩尔比0.975∶1.95∶0.025准确称量并混合均匀，装入铁管铜中密封后以20％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔、轧制，得到宽3毫米，厚0.5毫米的带材。将带材在流动气氛的氩气真空炉中700℃保温0.5小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含有Si元素和C元素的MgB2超导带材。
实例9
制备(MgB2)0.975(Si/N/C)0.025超导带材。将Mg粉，B粉，纳米Si/N/C粉按照摩尔比0.975∶1.95∶0.025准确称量并混合均匀，装入铁管中密封后以10％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔、轧制，得到宽3.5毫米，厚0.5毫米的带材。将带材在流动气氛的氩气真空炉中600℃保温1.5小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含有Si元素和C元素的MgB2超导带材。
实例10
制备(MgB2)0.95(SiC)0.05超导块材。将Mg粉，B粉，SiC晶须按照摩尔比0.95∶1.9∶0.05准确称量并混合均匀，用压片机进行压片后在常压氩气氛中进行烧结，在800℃保温2小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含有Si元素和C元素的MgB2超导块材。
实例11
制备(MgB2)0.8(Si/N/C)0.2超导块材。将Mg粉，B粉，纳米Si/N/C粉按照摩尔比0.8∶1.6∶0.2准确称量并混合均匀，用压片机进行压片后在常压氩气氛中进行烧结，在600℃保温1.5小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含有Si元素和C元素的MgB2超导块材。
实例12
制备(MgB2)0.9(SiC)0.1超导块材。将Mg粉，B粉，SiC晶须按照摩尔比0.9∶1.8∶0.1准确称量并混合均匀，用压片机进行压片后在常压氩气氛中进行烧结，在900℃保温1小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含有Si元素和C元素的MgB2超导块材。
以上实例说明应用这种技术可以制备性能很好的线带材和块材，这为MgB2超导材料的实际应用提供了材料基础。

Claims (2)

1、一种含有Si元素和C元素的MgB2超导材料，其特征在于在MgB2超导材料中掺杂有选自SiC晶须或Si/N/C纳米粉中的一种物质，其组成摩尔比为：Mg∶B∶SiC晶须或Si/N/C纳米粉＝(0.8-0.975)∶(1.6-1.95)∶(0.025-0.2)。
2、一种制备权利要求1所述的MgB2超导材料的方法，其特征在于，将Mg粉，B粉，SiC晶须或Si/N/C纳米粉按照摩尔比(0.8-0.975)∶(1.8-1.95)∶(0.025-0.2)配制并混合均匀，装入铁管或铁铜复合管中密封后，按顺序先后进行旋锻、拉拔、轧制，得到含有Si元素和C元素的MgB2带材或线材；或者将混合均匀的原料粉用压片机进行压片，得到含有Si元素和C元素的MgB2超导块材；将得到的线带材或块材放置真空炉中，抽真空后充入氩气，在600℃-900℃保温0.5-2小时，最终得到含有Si元素和C元素的MgB2超导材料。
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