專利名稱：一種高性能MgB₂超導(dǎo)材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高性能MgB2超導(dǎo)材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
MgB2具有較高的轉(zhuǎn)變溫度、較大的相干長(zhǎng)度、晶界不存在弱連接、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本 低廉等特點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使MgB2成為應(yīng)用在20 K-30 K溫度范圍的材料最有力的競(jìng)爭(zhēng)者。 特別是在低場(chǎng)領(lǐng)域，如在磁共振成像磁體應(yīng)用方面，MgB2表現(xiàn)了極大的優(yōu)勢(shì)，己經(jīng)有數(shù) 據(jù)表明，MgB2的實(shí)用化將帶來(lái)數(shù)十億的經(jīng)濟(jì)效益，而且由于可以在制冷機(jī)制冷條件下工 作，MgB2的應(yīng)用將會(huì)大大推動(dòng)磁共振成像儀的推廣，對(duì)于中國(guó)廣大的鄉(xiāng)村人民醫(yī)療水平 的提高具有十分重要的意義。
然而目前制備的MgB2材料的臨界電流密度與低溫超導(dǎo)體和A15超導(dǎo)體相比還比較 低。臨界電流密度是決定一種超導(dǎo)材料能否大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵特性，薄膜或塊狀MgB2 超導(dǎo)體在零場(chǎng)下具有較高的臨界電流密度(在4.2K時(shí)，Jc〉 106 A/cm2;在20 K時(shí)，^ > 5 xl05A/cm2)，但在一定的磁場(chǎng)中，MgB2臨界電流密度隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而急劇的減 小，表現(xiàn)出較迪的不可逆場(chǎng)，如純MgB2超導(dǎo)體在20K下的不可逆場(chǎng)值僅為4-5 T。為了 提高M(jìn)gB2在一定磁場(chǎng)下的臨界電流密度，可以采用中子(質(zhì)子)轟擊、化學(xué)腐蝕、機(jī)械 加工、摻雜等方法，而由于摻雜具有更簡(jiǎn)便快速、能進(jìn)行均勻改性等特點(diǎn)，成為目前提 高M(jìn)gB2材料超導(dǎo)性能的主要方法。
目前為止，由摻雜提高M(jìn)gB2材料性能效果最好的摻雜物質(zhì)是馬衍偉等人發(fā)現(xiàn)的納米 C (Ma Y. W等，Significantly enhanced critical current densities in MgB2 tapes made by a scaleable nanocarbon addition route, Applied Physics Letters, 88 (2006)072502)以及竇士 學(xué)等人嘗試的納米SiC (Dou.S.X等，Enhancement of the critical current density and flux pinning of MgB2 superconductor by nanoparticle SiC doping,. Applied' Physics Letters, 81 (2002)3419)。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果己經(jīng)表明，納米C和納米SiC摻雜會(huì)大幅度提高M(jìn)gB2塊材的 上臨界場(chǎng)和不可逆場(chǎng)，同時(shí)引入大量的有效釘扎中心，從而使得MgB2材料在磁場(chǎng)中的臨 界電流密度也得到提高。例如經(jīng)過(guò)SiC摻雜以后，MgB2帶材的臨界電流密度可以達(dá)到2.5 X 104A/cm2 [Matsumoto A等，Effect of impurity additions on the microstructures and
superconducting properties ofsto processed MgB2 tapes, Supercond.'Sci. Technol. 17 (2004)S319-S323)],經(jīng)過(guò)C摻雜以后MgB2帶材的臨界電流密度可以達(dá)到2.1 X 104A/cm2 [Ma Y W等，Large irreversibility field in nanoscale C-doped MgB2/Fe tape conductors, Supercond. Sci. Technol. 20 (2007) L5—L7)]。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有MgB2超導(dǎo)材料磁場(chǎng)下臨界電流密度較低的缺點(diǎn)，提 供一種具有高性能MgB2超導(dǎo)材料及其制備方法。本發(fā)明制備方法采用納米C和SiC這 兩種最為有效的摻雜物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合摻雜，使MgB2超導(dǎo)材料同時(shí)得到兩種摻雜物質(zhì)的提 高效果，進(jìn)而顯著提高M(jìn)gB2材料的臨界電流密度。
本發(fā)明的MgB2超導(dǎo)材料組分為Mg、 B、 C和SiC,其組成摩爾比為Mg: B: C: SiC =(0.8-0.975): (1.6-1.95): (0.010-0.15) : (0.010-0.15)。
本發(fā)明的制備方法如下
本發(fā)明在原料Mg粉，B粉中加入納米C粉，納米SiC粉，原料純度均為市售化學(xué) 純，其組成的摩爾比為Mg: B:C: SiO(0.8隱0.975): (1.6-1.95) : (0.010-0.15): (0.010-0.15)。
將Mg粉，B粉，納米C粉，納米SiC粉按照摩爾比(0.8-0.975): (1.8-1.95): (0.010-0.15): (0.010-0.15)配制并混合均勻，裝入鐵管或鐵銅復(fù)合管中密封后以10 %的 變形率按順序先后進(jìn)行旋鍛、拉拔、軋制，得到含C和SiC的MgB2超導(dǎo)線帶材?；蛘?將混合均勻的原料粉用壓片機(jī)進(jìn)行壓片，得到含C和SiC的MgB2超導(dǎo)塊材。將得到的 線帶材或塊材放在真空爐中，抽真空后充入氬氣，在600°C-1200'C保溫0.5-3小時(shí)，最 終得到含有C和SiC的MgB2超導(dǎo)材料。
一般來(lái)說(shuō)，提高M(jìn)gB2材料超導(dǎo)性能的途徑有以下兩種， 一種是提高M(jìn)gB2材料的上 臨界場(chǎng)和不可逆場(chǎng)，另一種是提高M(jìn)gB2材料的磁通釘扎能力。C和SiC復(fù)合摻雜對(duì)于提 高M(jìn)gB2線帶材高場(chǎng)下的電流性能具有良好的效果，主要在于它具有以下特點(diǎn)
首先，C和SiC摻雜具有細(xì)化晶粒的作用。晶體中大量晶界的存在對(duì)于提高材料的磁 通釘扎能力具有十分重要的作用。另外摻雜引入的第二相雜質(zhì)也可以起到提高磁通釘扎 能力的效果。
其次，C和SiC摻雜會(huì)引起的晶格畸變以及C對(duì)B的替代，提高M(jìn)gB2材料的上臨界場(chǎng) 和不可逆場(chǎng)。同時(shí)，己經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，C或SiC摻雜對(duì)于提高M(jìn)gB2材料的致密性具有顯 著作用。
本發(fā)明采用市售的Mg粉、B粉、C納米粉，SiC納米粉，采用上述的摩爾比例、制備
工藝和熱處理工藝可以制備臨界電流密度、不可逆場(chǎng)等性能都得到顯著提高的含C和SiC 的MgB2超導(dǎo)線帶材。用本發(fā)明方法制備的MgB2超導(dǎo)帶材的臨界電流密度在3.6x104 A/cm2(4.2K， IOT)左右，且重復(fù)性很好，遠(yuǎn)高于目前世界報(bào)道的最好水平(4.2 K, 10 T 條件下，電流密度達(dá)到2.5x104 A/cm2) [Matsumoto A等，Effect of impurity additions on the microstructures and superconducting properties of "Yw-processed MgB2 tapes ， Superconductor Science and Technology, 17(2004) S319]，而成本費(fèi)用遠(yuǎn)低于Matsumoto A 等人的產(chǎn)品。如果此方法用于制備的MgB2長(zhǎng)線帶材，將會(huì)極大促進(jìn)MgB2材料的產(chǎn)業(yè)化 進(jìn)程。
具體實(shí)施方式
實(shí)例l
制備(MgB2)Q.92C。.Q4SiCQ.o4超導(dǎo)帶材。將Mg粉，B粉，納米C粉，納米SiC粉按照摩爾 比0.92: 1.84: 0.04: 0.04準(zhǔn)確稱量并混合均勻，裝入直徑為8毫米的鐵管中密封后以10 % 的變形率按順序進(jìn)行旋鍛、拉拔、軋制，得到寬3.7毫米，厚0.5毫米的帶材。將帶材在 流動(dòng)氣氛的氬氣真空爐中90(TC保溫1小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含C和SiC 的MgB2超導(dǎo)帶材。制得的帶材的臨界電流密度為3.6xl(^A/cm、4.2K,10T)。 實(shí)例2
制備(MgB2)o.975Q).(n5SiC().(H3超導(dǎo)帶材。將Mg粉，B粉，納米C粉，納米SiC粉按 照摩爾比0.975: 1.95: 0.015: 0.013準(zhǔn)確稱量并混合均勻，裝入直徑為8毫米的鐵管中 密封后以10 %的變形率按順序進(jìn)行旋鍛、拉拔、軋制，得到寬3.7毫米，厚0.5毫米 的帶材。將帶材在流動(dòng)氣氛的氬氣真空爐中800'C保溫1小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至 室溫，得到含C和SiC的MgB2超導(dǎo)帶材。制得的帶材的臨界電流密度為8.4x103 A/cm2(4.2 K,14T)。 實(shí)例3
制備(MgB2)o.8QuSiC(u超導(dǎo)線材。將Mg粉，B粉，納米C粉，納米SiC粉按照摩 爾比0.8: 1.6: 0.1: 0.1準(zhǔn)確稱量并混合均勻，裝入直徑為20毫米的鐵管中密封后以10 %的變形率按順序進(jìn)行旋鍛、拉拔，得到直徑為1.0毫米的線材。將線材在流動(dòng)氣氛的 氬氣真空爐中700'C保溫0.5小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含C和SiC的 MgB2超導(dǎo)線材。 實(shí)例4
制備(MgB2),Co.(H5SiC,5超導(dǎo)帶材。將Mg粉，B粉，納米C粉，納米SiC粉按照摩 爾比0.95: 1.9: 0.015: 0.035準(zhǔn)確稱量并混合均勻，裝入直徑為16毫米的鐵管中密封后
以10 %的變形率按順序進(jìn)行旋鍛、拉拔、軋制，得到寬3.7毫米，厚0,5毫米的帶材。 將帶材在流動(dòng)氣氛的氬氣真空爐中700'C保溫0.5小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得 到含C和SiC的MgB2超導(dǎo)帶材。 實(shí)例5
制備(MgB2)Q.95C證5SiCo.o25超導(dǎo)帶材。將Mg粉，B粉，納米C粉，納米SiC粉按照摩 爾比0.95: 1.9: 0.025: 0.025準(zhǔn)確稱量并混合均勻，裝入外徑為12毫米的鐵銅復(fù)合管中 密封后以IO %的變形率按順序進(jìn)行旋鍛、拉拔、軋制，得到寬3.7毫米，厚0.5毫米的 帶材。將帶材在流動(dòng)氣氛的氬氣真空爐中650'C保溫1小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫， 得到含C和SiC的MgB2超導(dǎo)帶材。 實(shí)例6
制備(MgB2)。.8 Co.船SiCo.u5超導(dǎo)帶材。將Mg粉，B粉，納米C粉，納米SiC粉按照摩 爾比0.8: 1.6: 0.085: 0.115準(zhǔn)確稱量并混合均勻，裝入直徑為8毫米的鐵管中密封后以 10 %的變形率按順序進(jìn)行旋鍛、拉拔、軋制，得到寬3.7毫米，厚0.5毫米的帶材。將 帶材在流動(dòng)氣氛的氬氣真空爐中60(TC保溫1.5小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到 含C和SiC的MgB2超導(dǎo)帶材。 實(shí)例7
制備(MgB2)o.sCQ.mSiC謹(jǐn)5超導(dǎo)線材。將Mg粉，B粉，納米C粉，納米SiC粉按照摩 爾比0.8: 1.6; 0.115: 0.085準(zhǔn)確稱量并混合均勻，裝入外徑為8毫米的鐵銅復(fù)合管中密 封后以IO %的變形率按順序進(jìn)行旋鍛、拉拔，得到直徑為l.O毫米的線材。將帶材在流 動(dòng)氣氛的氬氣真空爐中650'C保溫1小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含C和SiC的 MgB2超導(dǎo)線材。 實(shí)例8
制備(MgB2)。.975Co.。2SiCo.()()5超導(dǎo)帶材。將Mg粉，B粉，納米C粉，納米SiC粉按照摩 爾比0.975: 1.95: 0.02: 0.005準(zhǔn)確稱量并混合均勻，裝入直徑為8毫米的鐵管中密封后 以IO %的變形率按順序進(jìn)行旋鍛、拉拔、軋制，得到寬3.7毫米，厚0.5毫米的帶材。 將帶材在流動(dòng)氣氛的氬氣真空爐中70(TC保溫0.5小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得 到含C和SiC的MgB2超導(dǎo)帶材。 實(shí)例9
制備(MgB2)固5CQ.w5SiCo.(n超導(dǎo)帶材。將Mg粉，B粉，納米C粉，納米SiC粉按照摩 爾比0.975: 1.95: 0.015: O.Ol準(zhǔn)確稱量并混合均勻，裝入外徑為18毫米的鐵銅復(fù)合管中 密封后以IO %的變形率按順序進(jìn)行旋鍛、拉拔、軋制，得到寬3.7毫米，厚0.5毫米的
帶材。將帶材在流動(dòng)氣氛的氬氣真空爐中600'C保溫1.5小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室
溫，得到含C和SiC的MgB2超導(dǎo)帶材。
實(shí)例IO
制備(MgB2)Q.9sC。.Q25SiC。.(H5超導(dǎo)塊材。將Mg粉，B粉，納米C粉，納米SiC粉按照摩 爾比0.95: L9: 0.025: 0.015準(zhǔn)確稱量并混合均勻，用壓片機(jī)進(jìn)行壓片后在常壓氬氣氛 中進(jìn)行燒結(jié)，在800'C保溫2小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含C和SiC的MgB2 超導(dǎo)塊材。 實(shí)例ll
制備(MgB2)o.8C(u5SiCo.()5超導(dǎo)塊材。將Mg粉，B粉，納米C粉，納米SiC粉按照摩爾 比0.8: 1.6: 0.15: 0.05準(zhǔn)確稱量并混合均勻，用壓片機(jī)進(jìn)行壓片后在常壓氬氣氛中進(jìn)行 燒結(jié)，在60(TC保溫1.5小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含C和SiC的MgB2超導(dǎo)塊 材。
實(shí)例12
制備(MgB2)c.9C副5SiCo.(m超導(dǎo)塊材。將Mg粉，B粉，納米C粉，納米SiC粉按照摩 爾比0.9: 1.8: 0.015: 0.085準(zhǔn)確稱量并混合均勻，用壓片機(jī)進(jìn)行壓片后在常壓氬氣氛中 進(jìn)行燒結(jié)，在900'C保溫3小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含C和SiC的MgB2超 導(dǎo)塊材。
以上實(shí)例說(shuō)明應(yīng)用這種技術(shù)可以制備性能很好的線帶材，為MgB2超導(dǎo)材料實(shí)際應(yīng) 用提供了材料基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1、一種高性能MgB2超導(dǎo)材料，其特征在于其組分為Mg、B、C和SiC，其組成摩爾比為Mg∶B∶C∶SiC＝(0.8-0.975)∶(1.6-1.95)∶(0.010-0.15)∶(0.010-0.15)。
2、 一種制備權(quán)利要求l所述的MgB2超導(dǎo)材料的方法，其特征在于，將Mg粉，B粉, 納米C粉，納米SiC粉按照摩爾比(0.8-0.975): (1.8-1.95) : (0.010-0.15) : (0細(xì)-0.15)配 制并混合均勻，裝入鐵管或鐵銅復(fù)合管中密封后，以10 %的變形率按順序先后進(jìn)行旋鍛、 拉拔、軋制，得到含C和SiC的MgB2超導(dǎo)線材或帶材；或者將混合均勻的原料粉用壓片 機(jī)進(jìn)行壓片，得到含C和SiC的MgB2超導(dǎo)塊材。
3、 按照權(quán)利要求2所述的MgB2超導(dǎo)材料的制備方法，其特征在于將得到的線帶材或 塊材放置真空爐中，抽真空后充入氬氣，在60(TC-1200'C保溫0.2-3小時(shí)，最終得到含有C 和SiC的MgB2超導(dǎo)材料。
全文摘要
一種高性能MgB₂超導(dǎo)材料，其特征在于其組分為Mg、B、C和SiC。制備這種MgB₂超導(dǎo)材料的方法，其特征在于，將Mg粉，B粉，C納米粉，SiC納米粉按照摩爾比(0.8-0.975)∶(1.8-1.95)∶(0.010-0.15)∶(0.010-0.15))配制并混合均勻，裝入鐵管或鐵銅復(fù)合管中密封后，按順序先后進(jìn)行旋鍛、拉拔、軋制，得到含C和SiC納米粉的MgB₂超導(dǎo)線材；或者將混合均勻的原料粉用壓片機(jī)進(jìn)行壓片，得到含C和SiC納米粉的MgB₂超導(dǎo)塊材；將得到的線帶材或塊材放置真空爐中，抽真空后充入氬氣，在600℃-1200℃保溫0.2-3小時(shí)，最終得到含有C納米粉和SiC納米粉的MgB₂超導(dǎo)材料。本發(fā)明制備的MgB₂超導(dǎo)材料磁場(chǎng)下的性能非常優(yōu)異，且具有很好的重復(fù)性。
文檔編號(hào)C01B35/00GK101168442SQ200710122399
公開日2008年4月30日 申請(qǐng)日期2007年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月25日
發(fā)明者張現(xiàn)平, 雷 王, 王棟梁, 馬衍偉, 高召順 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所