[發明專利]通過自反應提高先位二硼化鎂塊材超導臨界電流密度的方法

有效

• 申請號: 201610018799.6
• 申請日: 2016-01-13
• 公開（公告）號: CN105541338B
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發明（設計）人: 馬宗青;彭俊明;劉永長;蔡奇;陳寧
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C04B35/58
• 分類號: C04B35/58;C04B35/64
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 王麗

技術領域

本發明涉及通過自反應提高先位二硼化鎂塊材超導臨界電流密度的方法；將先位法和兩步法結合的方法制備更高臨界電流密度的MgB₂塊材，其中高溫下產生的MgB₄可以作為磁通釘扎提高高場下的臨界電流密度，并且塊材內部自反應提高了顆粒之間的連接性，有利于超導臨界電流密度的提高，屬于超導技術領域。

背景技術

2001年1月，日本青山學院大學的Akimitsu教授宣布，他領導的研究小組測得的金屬間化合物二硼化鎂(MgB₂)在溫度降低至39K(-237.14K)時電阻突然變為零。該溫度在當時打破了非銅氧化物超導體臨界溫度的記錄，故人們的目光再次聚集到金屬間化合物超導體上，世界范圍內的低溫物理學家開始通過理論計算和實驗對MgB₂的超導現象進行重復證明和進一步探索，致使這一研究領域日臻完善。

二硼化鎂超導體有著較長的相干長度(3.7～12.8nm)，有利于增加超導體內的磁通釘扎(包括非超導相、位錯、空位和夾層等)，從而提高臨界電流密度，尤其是在高場下的臨界電流密度。在高溫超導中，晶界弱連接和磁通蠕動(材料的磁化強度明顯隨時間變化)會惡化性能。而有實驗表明，致密的MgB₂塊材樣品的微觀電流密度和分散的MgB₂粉末的晶內電流密度值是相同的，這說明MgB₂的臨界電流密度取決于自身的釘扎作用，不會被晶界弱連接所抑制。根據制成MgB₂塊材的原料的不同，將Mg粉和B粉按比例混合壓制并燒結的方法稱為原位法(in situ)，將實驗室制得的或者商用的MgB₂粉末壓制并燒結的方法稱為先位法(ex situ)。其中先位法可以提高二硼化鎂的壓縮系數，但是連接性比較差，從而限制了臨界電流密度的提高。因此探索深刻的燒結機理和采用更加合理的燒結方案來提高先位法制備的塊材的臨界電流密度很關鍵。這也是目前MgB₂領域研究的一個熱點。

發明內容

本發明通過結合先位法和兩步燒結法，提高了顆粒之間的連接性，增加量二硼化鎂超導塊材的有效磁通釘扎MgB₄，從而提高了高場臨界電流密度，并且塊材內部自反應提高了顆粒之間的連接性，有利于超導臨界電流密度的提高。此發明中兩步法指的是在燒結的高溫階段，超導塊材內部的自反應加劇，形成并增加新的晶界，同時會產生少量雜質MgB₄(處于程序高溫時反應主要向右進行，當處于程序低溫時反應主要向左進行)。當程序進入低溫保溫階段時，一方面上述反應向左進行，雜質MgB₄的含量減少，對提高臨界電流密度有利，此外剩余的少量MgB₄可以作為有效的磁通釘扎提高在高場下的臨界電流密度。上述可逆反應在不同溫度下進行，一來一回促進了塊材內部物質的移動，比單步法燒結過程中的物質移動速率快，從而能更快的生成有效的晶界，利于提高超導臨界電流密度。

具體技術方案如下：

一種通過自反應提高先位二硼化鎂塊材超導臨界電流密度的方法；通過先位法和兩步燒結法，在燒結的高溫階段，超導塊材內部的自反應加劇，形成并增加新的晶界，同時產生少量雜質MgB₄；當處于低溫時反應主要形成MgB₂，雜質MgB₄的含量減少，剩余的少量MgB₄作為有效的磁通釘扎提高在高場下的臨界電流密度。

本發明是取MgB₂粉末制成圓柱形塊材，然后將圓柱形塊材放入高溫差示掃描量熱儀或者管式燒結爐進行氬氣保護氣氛燒結，升溫速率10～40℃/min，升至850～1000℃后，在此溫度保溫燒結0～20min，然后以10～40℃/min的冷卻速度降至500～700℃,保溫0.5～5小時，然后以10～40℃/min的冷卻速度降至室溫得到燒結樣品。

將圓柱形塊材放入高溫差示掃描量熱儀或者管式燒結爐后，先抽真空，再充氬氣，這個過程過程反復進行3～4次，使高溫差示掃描量熱儀或者管式燒結內殘留的氧氣含量達到最低。在整個燒結過程中，保持氬氣流通狀態，直至燒結完后降溫至室溫。

取MgB₂粉末為商用MgB₂或者實驗室自制的MgB₂粉末；粉末制成圓柱形塊材可以采用將粉末置于模具中并施加壓力為3～10MPa，制成薄片。

燒結完后將樣品制成4*2*1mm的塊材進行測試使用。