CN1933036A - 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，其特征在于含有SiC。制备所述的MgB2超导材料的方法，其特征在于，将Mg粉，B粉，纳米SiC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，以10％的变形率按顺序先后进行旋锻、拉拔、轧制，得到含SiC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SiC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SiC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。经过大量测试表明，这种方法制备实用化MgB2超导材料是可行的。
Description
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2001年发现的新型超导材料，具有比Nb3Sn和NbTi高的临界转变温度。它较高的转变温度、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。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。通常制备的MgB2材料制备工艺存在缺陷，如制备线带材时仅仅进行拉拔导致密度较低、旋锻程度较高导致晶粒畸变严重等；或者掺杂物质选择还没有优化，如已经进行掺杂试验的Zr、Mo、Nb、W、Ti、Al、Fe、WSi、ZrSi等均只能小幅度提高MgB2的性能，而目前为止，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 of MgB2superconductor by nanoparticle SiC doping，APPLIED PHYSICS LETTERS，VOLUME 81，NUMBER 18，2002)。由于以上加工工艺或者掺杂物质选择的原因，目前得到的MgB2超导材料的性能较差，无法达到实用化要求，影响了MgB2超导材料的实用化进程。
Matsumoto A等人采用MgH2作为Mg原料制备MgB2超导带材虽然得到了较高的电流密度[Effect of impurity additions on the microstructures andsuperconducting properties of in situ-processed MgB2 tapes，Supercond.Sci.Technol.17(2004)S319-S323]]，但是因为MgH2比较昂贵，实用化受影响。
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和SiC，其组成摩尔比为：Mg∶B∶SiC＝(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SiC粉(原料纯度均为市售化学纯)，其组成的摩尔比为：Mg∶B∶SiC＝(0.8-0.975)∶(1.6-1.95)∶(0.025-0.2)。
将Mg粉，B粉，纳米SiC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以10％的变形率按顺序先后进行旋锻、拉拔、轧制，得到含SiC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SiC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SiC的MgB2超导材料。
在高温超导材料中，只有当晶体中存在一定的结构缺陷时，才能把较大的环绕电流钉扎在材料内。而MgB2晶体缺乏这样的结构缺陷，所以其临界电流随磁场强度的增大而很快的减小。掺杂可以提高材料的临界电流密度，因为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。本发明通过优化加工工艺，先旋锻提高密度，再拉拔、轧制进一步提高密度，细化晶粒，并通过掺杂纳米SiC，在MgB2晶格中引入缺陷，并且作为第二相起到细化晶粒的作用，这些都可以增强MgB2材料的磁通钉扎能力。而且由于Si和C的原子半径分别为0.11nm和0.077nm，接近B原子半径0.097nm，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。
用本发明方法制备的MgB2超导带材的临界电流密度在1.5×104A/cm2(4.2K，10T)左右，且重复性很好，已经接近世界最好水平(4.2K，10T条件下，电流密度达到2.5×104A/cm2)[Matsumoto A等，Effect of impurity additions onthe microstructures and superconducting properties of in situ-processedMgB2 tapes，Supercond.Sci.Technol.17(2004)S319-S323)]，而成本费用远低于Matsumoto A等人的产品。
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，纳米SiC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600℃保温1小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含SiC的MgB2超导带材。制得的带材的临界电流密度为1.5×104A/cm2(4.2K，10T)。
实例2
制备(MgB2)0.975(SiC)0.025超导带材。将Mg粉，B粉，纳米SiC粉按照摩尔比0.975∶1.95∶0.025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SiC的MgB2超导带材。
实例3
制备(MgB2)0.8(SiC)0.2超导线材。将Mg粉，B粉，纳米SiC粉按照摩尔比0.8∶1.6∶0.2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，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SiC的MgB2超导线材。
实例4
制备(MgB2)0.95(SiC)0.05超导带材。将Mg粉，B粉，纳米SiC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700℃保温0.5小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含SiC的MgB2超导带材。
实例5
制备(MgB2)0.95(SiC)0.05超导带材。将Mg粉，B粉，纳米SiC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SiC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，纳米SiC粉按照摩尔比0.8∶1.6∶0.2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600℃保温1.5小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含SiC的MgB2超导带材。
实例7
制备(MgB2)0.8(SiC)0.2超导线材。将Mg粉，B粉，纳米SiC粉按照摩尔比0.8∶1.6∶0.2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，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SiC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，纳米SiC粉按照摩尔比0.975∶1.95∶0.025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700℃保温0.5小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含SiC的MgB2超导带材。
实例9
制备(MgB2)0.975(SiC)0.025超导带材。将Mg粉，B粉，纳米SiC粉按照摩尔比0.975∶1.95∶0.025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600℃保温1.5小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含SiC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，纳米SiC粉按照摩尔比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SiC的MgB2超导块材。
实例11
制备(MgB2)0.8(SiC)0.2超导块材。将Mg粉，B粉，纳米SiC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SiC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，纳米SiC粉按照摩尔比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SiC的MgB2超导块材。
本发明可以制备性能很好的线带材，为MgB2超导材料实际应用提供了材料基础。
Claims (2)
1、一种MgB2超导材料，其特征在于其组分为Mg、B和SiC，其组成摩尔比为：Mg∶B∶SiC＝(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，纳米SiC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，以10％的变形率按顺序先后进行旋锻、拉拔、轧制，得到宽3.1毫米、厚0.5毫米的带材或直径为1.5毫米的含SiC的MgB2超导线材；或将混合均匀的原料粉用压片机进行压片，得到含SiC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SiC的MgB2超导材料。
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2005
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