[發明專利]通過球磨粉末氧化控制并燒結高載流MgB2超導體的方法

有效

• 申請號: 200910069804.6
• 申請日: 2009-07-21
• 公開（公告）號: CN101607822A
• 公開（公告）日: 2009-12-23
• 發明（設計）人: 劉永長;馬宗青;霍潔;高志明;余黎明
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C04B35/622
• 分類號: C04B35/622;C04B35/58
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 王 麗

技術領域

本發明屬于超導技術領域，特別是涉及通過球磨粉末氧化控制并燒結高載流MgB₂超導 體的方法。

背景技術

自1911年荷蘭Leiden大學的H.K.Onnes發現汞的超導性以來，人們一直對這種奇妙 的現象進行著不懈的探索和研究。超導材料所特有的零電阻和抗磁性使其在電力能源、超 導磁體、生物、醫療科技、通訊和微電子等領域有廣闊的應用前景。如今世界各國對超導 的研究越來越熱，美國、日本和歐盟紛紛將超導技術列為新世紀保持尖端優勢的關鍵。

超導材料按超導電現象出現的溫度范圍可分為兩類：液氦溫區的低溫超導體和液氮溫 區的高溫超導體。但是由于低溫超導體的超導轉變溫度很低，因此大大限制了其在實際工 業中的應用。高溫超導材料主要是銅氧化物，但是由于銅氧化物的弱連接和陶瓷性使其臨 界電流密度隨磁場增高而下降很快，且難以成形成高質量的線、帶材，同樣也阻礙了高溫 超導體的廣泛應用。2001年日本科學家Nagamatsu?J等人發現了一種具有39K臨界轉變溫 度的新型超導材料——二硼化鎂(MgB₂)。研究表明它既具有遠高于低溫超導體的臨界轉 變溫度，又不存在高溫超導體難以克服的弱連接問題，因而在全世界范圍內引發了對其制 備方法和實際應用的研究的熱潮。

目前具有高載流能力的MgB₂超導體大部分都是通過摻雜燒結得到。但是相對少量的摻 雜物粉末(摻雜量一般在10％左右)與大量的原始基體粉末很難達到均勻混合。這種不均 勻性最終限制了制備塊體臨界電流密度的進一步提高。此外，大部分摻雜物粉末都是納米 級別尺寸，原材料本身的成本就很高，從而大幅度提高了具有高載流能力MgB₂超導體的實 際應用成本。從這一角度來講，通過簡單可行的制備工藝改變和控制MgB₂超導體本身的結 構和組織來獲得比較高的載流能力，本身就具有很大的實際應用價值。

發明內容

本發明的目的就是利用球磨和隨后的自然氧化對Mg和B原始混合粉末進行共處理， 然后燒結，在不使用摻雜物的前提下，獲得具有高載流能力MgB₂超導體，從而降低MgB₂超導體的制備成本，推進其在實際中的應用。

本發明的主旨首先是對原始粉末進行球磨處理以求降低燒結體中MgB₂的結晶度，然后 在此基礎上對球磨后的原始粉末進行自然氧化，從而在燒結過程中自生成均勻納米氧化鎂 顆粒，這些顆粒本身可以作為有效的釘扎中心。經過球磨和自然氧化共同處理后的原始粉 末，經過燒結最終形成具有均勻納米氧化鎂顆粒釘扎的MgB₂納米多晶結構。具有這種結構 的MgB₂超導體在高磁場下具有優異的臨界電流密度。

本發明通過球磨粉末氧化控制并燒結高載流MgB₂超導體的方法，制備方法如下：

將Mg粉和B粉按原子比1∶2混合，然后將混合粉末放入球磨機中在惰性氣體保護氣 氛下進行球磨1～10h；然后將球磨后的粉末暴露于空氣中進行自然氧化處理1～24h，接 著在2～10MPa的壓力下制成薄片，將薄片放入高溫差示掃描量熱儀或者管式燒結爐進行低 溫燒結，升溫速率5～40℃/min，升至600～900℃后，在此溫度保溫燒結0.5～5個小時， 然后以10～40℃/min的冷卻速度降至室溫。

通過球磨和自然氧化共同處理后的原始粉末，經過燒結制備出的試樣仍還是以MgB₂相 為主相，雖然氧化鎂相與傳統燒結試樣相比明顯增加，但是試樣并沒有被過度氧化，如圖 1所示試樣中主相仍為六邊形的MgB₂晶粒。制備出來的超導體不僅具有比較細小的MgB₂晶 粒(100～250nm)，而且還在MgB₂晶體中引入了均勻的氧化鎂納米釘扎(如圖2中箭頭所 示為氧化鎂顆粒)。與傳統燒結法制備出的MgB₂超導體相比，擁有更多的有效釘扎中心， 因此在高臨界磁場下具有比較優異的臨界電流密度，如圖3所示，實心黑點表示的是球磨 后試樣的臨界電流密度，它比實心方塊表示的沒有球磨的試樣的臨界電流密度值在外加磁 場大于15000oe(1T＝10000oe)時顯著提高。