專利名稱：一種高臨界電流密度MgB的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高臨界電流密度MgB2基超導(dǎo)體及其制備方法。
背景技術(shù)：
2001年初臨界溫度為39K的二硼化鎂(MgB2)新超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)引起了國際學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注，因?yàn)樗鼊?chuàng)造了金屬間化合物超導(dǎo)材料轉(zhuǎn)變溫度的新記錄，對理論研究和應(yīng)用研究都有十分重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。雖然MgB2超導(dǎo)體的臨界溫度僅為39K，但與氧化物高溫超導(dǎo)體不同，MgB2具有十分簡單的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)，材料的成本很低，晶界能承載很高的電流，其本征臨界電流密度(Jc)非常高(超過107A/cm2)。同時(shí)MgB2的相干長度與鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的氧化物相干長度要大，這就意味著MgB2中更易于引入有效磁通釘扎中心，改善超導(dǎo)電性。MgB2可以在液氫溫區(qū)(20K-30K)就實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，而低溫超導(dǎo)體在這一溫區(qū)無法工作，液氫溫區(qū)通過制冷機(jī)就能容易獲得而無需復(fù)雜和昂貴的液氦。綜合制冷成本和材料成本，MgB2超導(dǎo)體在20-30K，低場條件下應(yīng)用具有很明顯的價(jià)格優(yōu)勢，尤其在MRI磁體(工作磁場1-2T)制造領(lǐng)域。
但是MgB2超導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用必須解決一個(gè)關(guān)鍵問題，即提高M(jìn)gB2超導(dǎo)體的磁通釘扎。純MgB2超導(dǎo)體在20K下的不可逆場值僅為4-5T，主要原因是MgB2超導(dǎo)體中缺乏有效釘扎中心，磁通釘扎較弱，這就導(dǎo)致在高場下的MgB2超導(dǎo)體的臨界電流密度(Jc)較低，影響了MgB2超導(dǎo)體在高溫(＞20K)高場下(＞4T)的實(shí)際應(yīng)用。因此提高M(jìn)gB2超導(dǎo)體磁通釘扎特性將大大促進(jìn)MgB2超導(dǎo)體的實(shí)用化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種制備過程簡單并適宜于大規(guī)模生產(chǎn)、且在3特斯拉以上的背景磁場中具有高臨界電流密度的MgB2基超導(dǎo)體及其制造方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
一種高臨界電流密度MgB2基超導(dǎo)體，其特征在于該超導(dǎo)體為在MgB2基超導(dǎo)體中彌散分布著碳、鋯及其化合物，該超導(dǎo)體原子比組成為Mg∶Zr∶B∶C＝1-x∶x∶2-x∶x，其中0.05≤x≤0.20。
本發(fā)明的一種高臨界電流密度MgB2基超導(dǎo)體，其特征在于該MgB2基超導(dǎo)體為片狀或塊狀。
本發(fā)明的一種高臨界電流密度MgB2基超導(dǎo)體，其特征在于該MgB2基超導(dǎo)體為截面形狀為圓型的線材。
一種高臨界電流密度MgB2基超導(dǎo)體的制備方法，其特征在于制備過程為首先將干燥的鎂、硼、鋯和碳粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝1-x∶x∶2-x∶x的比例充分混合1-2小時(shí)，其中0.05≤x≤0.20；將混合后的粉末施加壓力為20-80MPa壓制成片或塊，然后置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10-3Pa后充入純氬氣或氬氣與氫氣的混合氣，然后以大于60℃/分鐘的升溫速率將制得的片或塊材加熱，在740℃-760℃的溫度下保溫1-10小時(shí)，最后以大于25℃/分鐘的冷卻速率冷卻至室溫，制成高臨界電流密度的MgB2基片或塊材超導(dǎo)體。
本發(fā)明的一種高臨界電流密度MgB2基超導(dǎo)體的制備方法，其特征在于制備過程是首先將干燥的鎂、硼、鋯和碳粉末，按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝1-x∶x∶2-x∶x的比例充分混合1-3小時(shí)，其中0.05≤x≤0.20；將混合后的粉末裝入無縫低碳鋼管或鈮管，再將這一復(fù)合體裝入無氧銅管中組裝成復(fù)合體，再將復(fù)合體進(jìn)行室溫冷加工過程，經(jīng)過旋鍛、孔型軋制和拉拔三種加工工藝的綜合使用加工成線材，線材的最終截面形狀為圓型；將加工到最終尺寸和形狀的線材置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10-3Pa后充入純氬氣或氬氣與氫氣的混合氣，然后以不低于60℃/分鐘的升溫速率將線材加熱，在740℃-760℃的溫度下保溫1-10小時(shí)，最后以不低于25℃/分鐘的冷卻速率將線材冷卻至室溫，制成截面形狀為圓型的MgB2基超導(dǎo)線材。
針對本發(fā)明的方法的研究，發(fā)現(xiàn)采用鎂和硼的混合粉末作為燒結(jié)粉末，在等于大氣壓條件下制備的常規(guī)方法無法獲得在高場下具有高臨界電流密度的MgB2超導(dǎo)體。而如果在鎂和硼的混合粉末中同時(shí)添加適量的碳和金屬鋯作為助燒劑，在等于大氣壓條件下制備的MgB2基超導(dǎo)體中彌散分布著碳、鋯及其化合物，MgB2基超導(dǎo)體表現(xiàn)出高臨界電流密度的特征。
本發(fā)明的方法采用碳和金屬Zr作為助燒劑，在燒結(jié)過程完成后，碳、鋯及其化合物彌散分布在最終獲得的MgB2基超導(dǎo)體中，所獲得的MgB2基超導(dǎo)體在3特斯拉以上的背景磁場中具有高的臨界電流密度。碳、鋯及其化合物彌散分布在最終獲得的MgB2基超導(dǎo)體中，使最終形成的MgB2晶粒細(xì)化，有效強(qiáng)化了MgB2晶粒連接。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)MgB2基超導(dǎo)材料的低成本制備，同時(shí)引入了第二相粒子，有效改善了MgB2基超導(dǎo)體的磁通釘扎。
具體實(shí)施方案一種高臨界電流密度MgB2基超導(dǎo)體，其特征在于該超導(dǎo)體為在MgB2基超導(dǎo)體中彌散分布著碳、鋯及其化合物，該MgB2基原子比組成為Mg∶Zr∶B∶C＝1-x∶x∶2-x∶x，其中0.05≤x≤0.20。制備步驟為(1)將干燥的鎂、硼、鋯和碳粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝1-x∶x∶2-x∶x的比例充分混合1-2小時(shí)，其中0.05≤x≤0.20；(2)將混合后的粉末施加壓力為20-80MPa壓制成片或塊，然后置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10-3Pa后充入純氬氣或氬氣與氫氣的混合氣，然后以大于60℃/分鐘的升溫速率將制得的片或塊材加熱，在740℃-760℃的溫度下保溫1-10小時(shí)，最后以大于25℃/分鐘的冷卻速率冷卻至室溫，制成高臨界電流密度的MgB2基片或塊材超導(dǎo)體。(4)或者將混合后的粉末裝入無縫低碳鋼管或鈮管，再將這一復(fù)合體裝入無氧銅管中組裝成復(fù)合體，再將復(fù)合體進(jìn)行室溫冷加工過程，經(jīng)過旋鍛、孔型軋制和拉拔三種加工工藝的綜合使用加工成線材，線材的最終截面形狀為圓型；將加工到最終尺寸和形狀的線材置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10-3Pa后充入純氬氣或氬氣與氫氣的混合氣，然后以不低于60℃/分鐘的升溫速率將線材加熱，在740℃-760℃的溫度下保溫1-10小時(shí)，最后以不低于25℃/分鐘的冷卻速率將線材冷卻至室溫，制成截面形狀為圓型的MgB2基超導(dǎo)線材。
下面具體說明符合本發(fā)明的技術(shù)實(shí)例。
實(shí)例1將干燥的鎂(99％)、硼(99％)、鋯(99％)和碳(99％)粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝0.95∶0.05∶1.95∶0.05的比例充分混合2小時(shí)?；旌虾蟮姆勰┯糜蛪簷C(jī)壓制成直徑20mm的塊，施加壓力為20MPa，然后置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10-3Pa后充入純氬氣或氬氣與氫氣的混合氣，然后以不低于60℃/分鐘的升溫速率將線材加熱，在740℃的溫度下保溫10小時(shí)，最后以不低于25℃/分鐘冷卻速率將片或塊材冷卻至室溫，便制成超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為38.6K，臨界電流密度為4.1×104A/cm2(20K，4T)的MgB2基超導(dǎo)體。
實(shí)例2將干燥的鎂(99％)、硼(99％)、鋯(99％)和碳(99％)粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝0.9∶0.1∶1.9∶0.1的比例充分混合1小時(shí)?；旌虾蟮姆勰┯糜蛪簷C(jī)壓制成直徑20mm的片，施加壓力為80MPa，然后置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10-3Pa后充入純氬氣或氬氣與氫氣的混合氣，然后以不低于60℃/分鐘的升溫速率將片或塊材加熱，在760℃的溫度下保溫1小時(shí)，最后以不低于25℃/分鐘冷卻速率將線材冷卻至室溫，便制成超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為37.2K，臨界電流密度為5.2×104A/cm2(20K，4T)的MgB2基超導(dǎo)體。
實(shí)例3將干燥的鎂(99％)、硼(99％)、鋯(99％)和碳(99％)粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝0.8∶0.2∶1.8∶0.2的比例充分混合1.5小時(shí)?；旌虾蟮姆勰┯糜蛪簷C(jī)壓制成直徑20mm的片，施加壓力為60MPa，然后置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10-3Pa后充入純氬氣或氬氣與氫氣的混合氣，然后以不低于60℃/分鐘的升溫速率將線材加熱，在750℃的溫度下保溫6小時(shí)，最后以不低于25℃/分鐘冷卻速率將片或塊材冷卻至室溫，便制成超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為35.3K，臨界電流密度為2.0×104A/cm2(20K，4T)的MgB2基超導(dǎo)體。
實(shí)例4將干燥的鎂(99％)、硼(99％)、鋯(99％)和碳(99％)粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝0.95∶0.05∶1.95∶0.05的比例充分混合1小時(shí)。將研磨后的粉末裝入0.9米長低碳鋼管(內(nèi)徑10mm，壁厚1.5mm)中，使粉末在管中達(dá)到充實(shí)、緊密，然后封閉鋼管兩端，再將鋼管裝入1米長無氧銅管(內(nèi)徑13.5mm，壁厚2mm)中。繼而，對這一組裝的復(fù)合體進(jìn)行旋鍛，按照每次0.5mm的道次加工率加工至直徑為7mm。然后進(jìn)行孔型軋制，按照每次1.0mm的道次加工率加工成邊長為3mm的方線。將方線按照每次0.2mm的道次加工率加工成直徑為1.2mm，長度為50米的線材。將加工后線材置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待達(dá)到10-3Pa的真空度后充入純氬氣(＞99％)，然后開始以不低于60℃/分鐘的升溫速率將線材加熱，在750℃的溫度下保溫3小時(shí)，最后以不低于20℃/分鐘冷卻速率將線材冷卻至室溫，便制成超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為35.2K，臨界電流密度達(dá)到7.0×104A/cm2(25K，1T)的MgB2實(shí)用超導(dǎo)復(fù)合線材。
實(shí)例5將干燥的鎂(99％)、硼(99％)、鋯(99％)和碳(99％)粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝0.9∶0.1∶1.9∶0.1的比例充分混合1小時(shí)。將研磨后的粉末裝入0.9米長低碳鋼管(內(nèi)徑10mm，壁厚1.5mm)中，使粉末在管中達(dá)到充實(shí)、緊密，然后封閉鋼管兩端，再將鋼管裝入1米長無氧銅管(內(nèi)徑13.5mm，壁厚2mm)中。繼而，對這一組裝的復(fù)合體進(jìn)行旋鍛，按照每次0.5mm的道次加工率加工至直徑為7mm。然后進(jìn)行孔型軋制，按照每次1.0mm的道次加工率加工成邊長為3mm的方線。將方線按照每次0.2mm的道次加工率加工成直徑為1.2mm，長度為50米的線材。將加工后的線材置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待達(dá)到10-3Pa的真空度后充入純氬氣(＞99％)，然后開始以不低于60℃/分鐘的升溫速率將線材加熱，在760℃的溫度下保溫1小時(shí)，最后以不低于20℃/分鐘冷卻速率將線材冷卻至室溫，便制成超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為35.1K，臨界電流密度達(dá)到7.7×104A/cm2(25K，1T)的MgB2實(shí)用超導(dǎo)復(fù)合線材。
實(shí)例6首先將干燥的鎂(99％)、硼(99％)、鋯(99％)和碳(99％)粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝0.8∶0.2∶1.8∶0.2的比例充分混合2小時(shí)。將研磨后的粉末裝入0.9米長低碳鋼管(內(nèi)徑10mm，壁厚1.5mm)中，使粉末在管中達(dá)到充實(shí)、緊密，然后封閉鋼管兩端，再將鋼管裝入1米長無氧銅管(內(nèi)徑13.5mm，壁厚2mm)中。繼而，對這一組裝的復(fù)合體進(jìn)行旋鍛，按照每次0.5mm的道次加工率加工至直徑為7mm。然后進(jìn)行孔型軋制，按照每次1.0mm的道次加工率加工成邊長為3mm的方線。將方線按照每次0.2mm的道次加工率加工成直徑為1.2mm，長度為50米的線材。將加工后線材置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待達(dá)到10-3Pa的真空度后充入純氬氣(＞99％)，然后開始以不低于60℃/分鐘的升溫速率將線材加熱，在740℃的溫度下保溫10小時(shí)，最后以不低于20℃/分鐘冷卻速率將線材冷卻至室溫，便制成超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為35.2K，臨界電流密度達(dá)到5.9×104A/cm2(25K，1T)的MgB2實(shí)用超導(dǎo)復(fù)合線材。
權(quán)利要求
1.一種高臨界電流密度MgB2基超導(dǎo)體，其特征在于該超導(dǎo)體為在MgB2基超導(dǎo)體中彌散分布著碳、鋯及其化合物，該超導(dǎo)體的原子比組成為Mg∶Zr∶B∶C＝1-x∶x∶2-x∶x，其中0.05≤x≤0.20。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高臨界電流密度MgB2基超導(dǎo)體，其特征在于該MgB2基超導(dǎo)體為片狀或塊狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高臨界電流密度MgB2基超導(dǎo)體，其特征在于該MgB2基超導(dǎo)體為截面形狀為圓型的線材。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種高臨界電流密度MgB2基超導(dǎo)體的制備方法，其特征在于制備過程為首先將干燥的鎂、硼、鋯和碳粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝1-x∶x∶2-x∶x的比例充分混合1-2小時(shí)，其中0.05≤x≤0.20；將混合后的粉末施加壓力為20-80MPa壓制成片或塊，然后置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10-3Pa后充入純氬氣或氬氣與氫氣的混合氣，然后以大于60℃/分鐘的升溫速率將制得的片或塊材加熱，在740℃-760℃的溫度下保溫1-10小時(shí)，最后以大于25℃/分鐘的冷卻速率冷卻至室溫，制成高臨界電流密度的MgB2基片或塊材超導(dǎo)體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的一種高臨界電流密度MgB2基超導(dǎo)體的制備方法，其特征在于制備過程是首先將干燥的鎂、硼、鋯和碳粉末，按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝1-x∶x∶2-x∶x的比例充分混合1-3小時(shí)，其中0.05≤x≤0.20；將混合后的粉末裝入無縫低碳鋼管或鈮管，再將這一復(fù)合體裝入無氧銅管中組裝成復(fù)合體，再將復(fù)合體進(jìn)行室溫冷加工過程，經(jīng)過旋鍛、孔型軋制和拉拔三種加工工藝的綜合使用加工成線材，線材的最終截面形狀為圓型；將加工到最終尺寸和形狀的線材置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10-3Pa后充入純氬氣或氬氣與氫氣的混合氣，然后以不低于60℃/分鐘的升溫速率將線材加熱，在740℃-760℃的溫度下保溫1-10小時(shí)，最后以不低于25℃/分鐘的冷卻速率將線材冷卻至室溫，制成截面形狀為圓型的MgB2基超導(dǎo)線材。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高臨界電流密度MgB
文檔編號C01B35/04GK1812000SQ20051013272
公開日2006年8月2日 申請日期2005年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月28日
發(fā)明者閆果, 馮勇, 盧亞鋒, 李成山, 紀(jì)平, 吳怡芳, 王慶陽 申請人:西北有色金屬研究院