專利名稱：層狀二硼化鎂晶體組織及合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及層狀二硼化鎂晶體組織及合成方法，為合成具有更佳超導(dǎo)性能MgB2晶體組織的新技術(shù)，屬于超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
二硼化鎂(MgB2)是2001年發(fā)現(xiàn)的第二類超導(dǎo)體，雖然它的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(39K)與高溫超導(dǎo)體相比并不算很高，但它以其自身的優(yōu)點(diǎn)引起了科學(xué)家對(duì)其基礎(chǔ)物理性質(zhì)及其應(yīng)用可能性的廣泛關(guān)注。與銅氧化物高溫超導(dǎo)體相比，MgB2具有如下顯著優(yōu)勢(shì)⑴各向異性小，超導(dǎo)電性能穩(wěn)定；(2)超導(dǎo)電流基本不受晶界連接性限制，穿晶損耗非常低；(3)相干長度更大，易于引入磁通釘扎中心并提高其超導(dǎo)電性；⑷原材料價(jià)格低廉，容易加工和制成塊材、薄膜及線材。 盡管MgB2很大程度上可代替甚至超過銅氧化物高溫超導(dǎo)材料在超導(dǎo)軸承、儲(chǔ)能、發(fā)電機(jī)以及磁懸浮等領(lǐng)域的使用，但是其較弱的臨界電流密度(J。)大大限制了 MgB2超導(dǎo)體的廣泛推廣和應(yīng)用。因此，如何提高M(jìn)gB2超導(dǎo)體的載流能力逐漸成為研究熱點(diǎn)。最新研究表明單一的MgB2因缺乏足夠的磁通釘扎中心而導(dǎo)致其J。值隨外磁場的增加而急劇降低，改善MgB2塊材的磁通釘扎特性已成為提高其載流能力的重要途徑。世界各地的研究小組積極嘗試采用輻照、化學(xué)摻雜和球磨處理等方法來增強(qiáng)其磁通釘扎能力。這些方法的確明顯提高了的臨界電流密度，特別是高磁場下的臨界電流密度。但這些試樣的載流能力仍然達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用要求，有待進(jìn)一步提高。根據(jù)超導(dǎo)理論，第二類超導(dǎo)體的臨界電流密度受兩個(gè)關(guān)鍵因素的影響晶間連接性的好壞和磁通釘扎中心的多少。包括前述各種改善MgB2磁通釘扎能力的方法在內(nèi)，目前大部分研究只是集中在如何提高磁通釘扎中心，而往往忽略甚至犧牲晶間連接性，這本身也限制了 MgB2超導(dǎo)體J。值的進(jìn)一步提高。晶間的連接性不僅受到試樣中孔洞、雜質(zhì)相和缺陷等外在因素的影響，更是由MgB2本身的晶體形態(tài)組織和結(jié)晶程度等內(nèi)在因素決定。因此，發(fā)展一種技術(shù)通過設(shè)計(jì)和控制MgB2超導(dǎo)體的晶體組織以改善晶間連接性，則有利于提高M(jìn)gB2的載流能力，推進(jìn)它們實(shí)用化進(jìn)程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明合成了一種與MgB2傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)晶體組織不同的新型MgB2晶體組織，MgB2晶體沿c軸有明顯的取向排列，呈現(xiàn)出典型的層狀晶體組織。該組織的晶間連接性與傳統(tǒng)聞溫?zé)Y(jié)晶體組織相比有大幅度提聞。本發(fā)明的一種層狀二硼化鎂晶體組織，其六方的MgB2晶體在c軸方向上呈現(xiàn)出層狀排列；在X射線圖譜上，Cu粉的添加在低溫?zé)Y(jié)條件下形成了寬化的液相峰，Mg-Cu共晶液相，使MgB2晶粒的形核-長大環(huán)境由原來的完全固相變成局部液相；其c軸方向上晶面衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度高于傳統(tǒng)燒結(jié)合成的隨機(jī)排列的MgB2晶體組織c軸方向上晶面衍射峰強(qiáng)度；在c軸上的相對(duì)織構(gòu)度達(dá)到12%以上。
具體技術(shù)方案如下本發(fā)明的層狀二硼化鎂晶體組織MgB2晶體組織合成方法，將Mg粉、Cu粉和B粉按Mg Cu B=1 0. 04、. 10 2的原子比例在瑪瑙研缽或行星式球磨機(jī)中充分混合和研磨2(Γ60分鐘，然后在flOMPa的壓力下制成薄片，最后將薄片放入高溫差示掃描量熱儀或者管式燒結(jié)爐進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，升溫速率1(T4(TC /min，升至50(T6(KrC后，在此溫度保溫?zé)Y(jié)
2 10個(gè)小時(shí)，然后以1(T40°C /min的冷卻速度降至室溫。本發(fā)明的主旨是通過摻雜Cu粉末在低溫?zé)Y(jié)條件下形成Mg-Cu共晶液相(見圖I，Mg和Cu第一共晶點(diǎn)的溫度遠(yuǎn)低于Mg的熔點(diǎn)，大概在485 °C左右)，促進(jìn)MgB2的低溫形成，并改變MgB2晶體的低溫形核-長大環(huán)境。由圖2給出的575°C燒結(jié)保溫試驗(yàn)的原位X-射線圖譜可以看出，與傳統(tǒng)的未添加Cu的MgB2試樣相比，Cu的添加使MgB2晶粒的形核-長大環(huán)境由原來的完全固相變成局部液相(見圖2 (b)中Cu添加原位X-射線圖譜的液相寬化峰)，這將促使MgB2晶體生長模式發(fā)生改變。通過進(jìn)一步控制Cu的添加量來調(diào)節(jié)該局部液相在整個(gè)燒結(jié)體中所占的比例，最終適量Cu的添加可形成一種層狀的MgB2晶體組織，如圖 3(a)和(b)所示。從該微觀組織形貌圖片中還可以發(fā)現(xiàn)，六方的MgB2晶體主要是在c軸方向上呈現(xiàn)出層狀排列。圖4給出了傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)工藝和本技術(shù)發(fā)明中使用的Cu添加低溫?zé)Y(jié)工藝制備的兩種MgB2試樣的X-射線衍射圖譜。其c軸方向上的(001) (1=1或者2)晶面的衍射峰相對(duì)強(qiáng)度明顯高于傳統(tǒng)MgB2晶體衍射峰根據(jù)這些X-射線衍射數(shù)據(jù)(見圖4)，利用公式α 001= Σ Icicil/ Σ Ihkl (其中Icicil為c軸方向上晶面的相對(duì)強(qiáng)度之和，Ihkl為MgB2所有衍射峰相對(duì)強(qiáng)度之和)，可以估算出c軸方向上的織構(gòu)取向度。據(jù)此，得到Cu添加低溫?zé)Y(jié)MgB2S樣和傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)MgB2試樣的c軸方向的織構(gòu)度分別為12. 3%和7. 9%?？棙?gòu)度通常用來表示晶體在某些方向上擇優(yōu)排列的程度。一般來說某個(gè)方向上的織構(gòu)度數(shù)值越高，說明該方向上晶體擇優(yōu)取向排列越明顯。所以以上計(jì)算結(jié)果表明，Cu添加低溫?zé)Y(jié)MgB2S樣與傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)試樣相比在c軸方向上有更明顯的取向排列，這與微觀組織形貌中觀察到的c軸方向上的層狀MgB2晶體組織一致。與傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)工藝形成的MgB2晶體組織相比，本發(fā)明制備的層狀MgB2晶體組織表現(xiàn)出更低的電阻率和更好的晶間連接性，其晶間連接性大于傳統(tǒng)MgB2晶體組織的兩倍(見圖5和表I)。若輔以上述引入磁通釘扎中心的技術(shù)，則將會(huì)有利于進(jìn)一步提高M(jìn)gB2的載流能力，促進(jìn)它的實(shí)際應(yīng)用。表I低溫?zé)Y(jié)層狀MgB2與高溫?zé)Y(jié)MgB2電阻特性(其中AT。為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變寬度； 為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變開始溫度；Αβ和細(xì)8為40和300Κ時(shí)的電阻率(μ Ωαιι) ；RRR為剩余電阻
率，Af為橫截面有效載流面積比率，它們的數(shù)值可有效表征晶間連接性，數(shù)值越高，晶間連接性越好)
權(quán)利要求
1.一種層狀二硼化鎂晶體組織，其特征是六方的MgB2晶體在C軸方向上呈現(xiàn)出層狀排列；在乂射線圖譜上，Cu粉的添加在低溫?zé)Y(jié)條件下形成了寬化的液相峰，Mg-Cu共晶液相，使MgB2晶粒的形核-長大環(huán)境由原來的完全固相變成局部液相；其c軸方向上晶面衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度高于傳統(tǒng)燒結(jié)合成的隨機(jī)排列的MgB2晶體組織c軸方向上晶面衍射峰強(qiáng)度；在c軸上的相對(duì)織構(gòu)度達(dá)到12%以上。
2.權(quán)利要求I的層狀二硼化鎂晶體組織MgB2晶體組織合成方法，其特征是將Mg粉、Cu粉和B粉按Mg Cu B=1 0. 04、. 10 :2的原子比例在瑪瑙研缽或行星式球磨機(jī)中充分混合和研磨2(Γ60分鐘，然后在2 10MPa的壓力下制成薄片，最后將薄片放入高溫差示掃描量熱儀或者管式燒結(jié)爐進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，升溫速率1(T4(TC /min，升至50(T6(KrC后，在此溫度保溫?zé)Y(jié)2 10個(gè)小時(shí)，然后以1(T40°C /min的冷卻速度降至室溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及層狀二硼化鎂晶體組織及合成方法；將Mg粉、Cu粉和B粉按比例在瑪瑙研缽或行星式球磨機(jī)中充分混合和研磨，在2～10MPa的壓力下制成薄片,最后將薄片放入高溫差示掃描量熱儀或者管式燒結(jié)爐進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，升溫至500～600℃后，保溫然后降至室溫。晶體組織六方的MgB2晶體在c軸方向上呈現(xiàn)出層狀排列；在X射線圖譜上，Cu粉的添加在低溫?zé)Y(jié)條件下形成了寬化的液相峰，Mg-Cu共晶液相，使MgB2晶粒的形核-長大環(huán)境由原來的完全固相變成局部液相；其c軸方向上晶面衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度高于傳統(tǒng)燒結(jié)合成的隨機(jī)排列的MgB2晶體組織c軸方向上晶面衍射峰強(qiáng)度；在c軸上的相對(duì)織構(gòu)度達(dá)到12%以上。
文檔編號(hào)C01B35/04GK102718230SQ20121015641
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者劉永長, 姜華, 蔡奇, 馬宗青 申請(qǐng)人:天津大學(xué)