專利名稱：含有Si元素和C元素的MgB的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MgB2超導(dǎo)材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
MgB2是目前臨界轉(zhuǎn)變溫度最高的金屬間化合物超導(dǎo)材料，它的臨界轉(zhuǎn)變溫度(39-40K)高于目前已經(jīng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的Nb3Sn和NbTi等超導(dǎo)材料。較高的轉(zhuǎn)變溫度、較大的相干長(zhǎng)度、較高的上臨界場(chǎng)、晶界不存在弱連接、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)使MgB2成為應(yīng)用在20K-30K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)，已經(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，而且會(huì)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而急劇的減小。提高M(jìn)gB2的臨界電流密度是一個(gè)難題，因?yàn)楫?dāng)電流通過(guò)超導(dǎo)體時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電子渦旋，電子渦旋的運(yùn)動(dòng)消耗能量，進(jìn)而破壞材料的超導(dǎo)能力。如果渦旋能釘扎在雜質(zhì)或缺陷上并且不影響無(wú)阻電流的流動(dòng)，將可以大大提高臨界電流密度。因此，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磁通釘扎能力的主要方法。已經(jīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的Zr、Mo、Nb、W、Ti、Al、Fe、WSi2、ZrSi2等摻雜均只能小幅度提高M(jìn)gB2的性能。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2002年Dou等人嘗試的納米SiC(Dou S.X.等，Enhancement of the critical current density and flux pinning ofMgB2superconductor by nanoparticle SiC doping，Applied Physics Letters，Volume 81，Number 18，2002)。經(jīng)常被用來(lái)作為陶瓷材料添加劑的SiC晶須和Si/N/C納米粉制備工藝簡(jiǎn)單，而且同樣具有SiC納米粒子具有的主要成分，因此也被用來(lái)作為對(duì)MgB2摻雜的物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這兩種物質(zhì)對(duì)MgB2材料超導(dǎo)性能的提高效果是十分明顯的。
目前世界上最高的MgB2線帶材臨界電流密度是由Matsumoto A等人采用MgH2做為原料采用原位粉末裝管法得到的[Matsumoto A等，Effect of impurity additions on themicrostructures and superconducting properties of in situ-processed MgB2tapes，Supercond.Sci.Technol.17(2004)S319-S323)]，我們?cè)谕瑯拥闹苽涔に嚄l件下，采用Mg粉作為原料，通過(guò)SiC晶須或Si/N/C納米粉的摻雜得到了與此結(jié)果相接近的數(shù)值。

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)材料性能的不足，提供一種具有高性能的MgB2超導(dǎo)材料及其制備方法。
本發(fā)明的MgB2超導(dǎo)材料組分為Mg、B、SiC晶須或Si/N/C納米粉，其組成摩爾比為Mg∶B∶SiC晶須或Si/N/C納米粉＝(0.8-0.975)∶(1.6-1.95)∶(0.025-0.2)。
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Si/N/C粉或SiC晶須，原料純度均為市售化學(xué)純，其組成的摩爾比為Mg∶B∶Si/N/C粉或SiC晶須＝(0.8-0.975)∶(1.6-1.95)∶(0.025-0.2)。將Mg粉，B粉，納米Si/N/C粉或SiC晶須按照摩爾比(0.8-0.975)∶(1.8-1.95)∶(0.025-0.2)配制并混合均勻，裝入鐵管或鐵銅復(fù)合管中密封后以一定的變形率按順序先后進(jìn)行旋鍛、拉拔、軋制，得到含納米Si/N/C粉或SiC晶須的MgB2超導(dǎo)線帶材?；蛘邔⒒旌暇鶆虻脑戏塾脡浩瑱C(jī)進(jìn)行壓片，得到含納米Si/N/C粉或SiC晶須的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℃-900℃保溫0.5-2小時(shí)，最終得到含有Si元素和C元素的MgB2超導(dǎo)材料。
MgB2晶體中缺乏能夠?qū)Υ磐ㄈ鋭?dòng)進(jìn)行釘軋的結(jié)構(gòu)缺陷，所以其臨界電流隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而很快的減小。因此可以采用增加晶體缺陷或者增加晶格界面等方法增加晶體的釘扎中心來(lái)提高M(jìn)gB2的磁通釘扎能力，從而提高材料的臨界電流密度。一般來(lái)說(shuō)，釘扎機(jī)制可分為兩種，一種來(lái)源于晶粒內(nèi)部的短程無(wú)序，另一種來(lái)源于和晶體結(jié)構(gòu)以及晶界有關(guān)的長(zhǎng)程不均勻性。摻雜可以引入釘扎中心以及改善晶粒間的連接性，從而達(dá)到提高臨界電流密度的目的。本發(fā)明在優(yōu)化材料加工工藝前提下，通過(guò)摻雜納米Si/N/C或者SiC晶須，在MgB2晶格中通過(guò)C對(duì)B的替代引入缺陷，并且Si與Mg反應(yīng)生成的部分粒徑較小的雜質(zhì)也可以作為釘軋中心，這些都可以增強(qiáng)MgB2材料的磁通釘扎能力。而且由于SiC晶須或Si/N/C摻雜后對(duì)MgB2超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度影響較小，從而減小了由超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度降低產(chǎn)生的對(duì)MgB2臨界電流密度的負(fù)面作用。
本發(fā)明采用采用SiC晶須或Si/N/C納米顆粒摻雜，不但提供了兩種具有良好摻雜效果的摻雜物質(zhì)，而且它們具有各自的特點(diǎn)。例如，利用SiC晶須摻雜可以給MgB2超導(dǎo)芯帶來(lái)線缺陷，造成MgB2超導(dǎo)芯具有一定的織構(gòu)；利用Si/N/C納米顆粒摻雜不但可以提供在SiC納米顆粒摻雜時(shí)起到關(guān)鍵作用的碳元素，而且不會(huì)產(chǎn)生太多由于SiC分解導(dǎo)致的Mg2Si雜質(zhì)。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于進(jìn)一步提高M(jìn)gB2材料的超導(dǎo)特性具有重要意義。
用本發(fā)明方法制備的MgB2超導(dǎo)帶材的臨界電流密度在4.5×103A/cm2(4.2K，10T)左右，且重復(fù)性很好，并且成本費(fèi)用遠(yuǎn)低于Matsumoto A等人采用同樣的原位粉末裝管法制備的樣品。因?yàn)镸atsumoto A等人制備樣品時(shí)采用MgH2做為原料，而MgH2是一種非常昂貴且不易得到的物質(zhì)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)例1制備(MgB2)0.95(SiC)0.05超導(dǎo)帶材。將Mg粉，B粉，SiC晶須按照摩爾比0.95∶1.9∶0.05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3.1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℃保溫1小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含有Si元素和C元素的MgB2超導(dǎo)帶材。制得的帶材的臨界電流密度為4.5×103A/cm2(4.2K，10T)。
實(shí)例2制備(MgB2)0.95(Si/N/C)0.05超導(dǎo)帶材。將Mg粉，B粉，Si/N/C納米粉按照摩爾比0.95∶1.9∶0.05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3.1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℃保溫1小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含有Si元素和C元素的MgB2超導(dǎo)帶材。制得的帶材的臨界電流密度為3.2×103A/cm2(4.2K，10T)。
實(shí)例3制備(MgB2)0.8(SiC)0.2超導(dǎo)線材。將Mg粉，B粉，SiC晶須按照摩爾比0.8∶1.6∶0.2準(zhǔn)確稱量并混合均勻，裝入鐵銅復(fù)合管中密封后以20％的變形率按順序進(jìn)行旋鍛、拉拔，得到直徑為1.5毫米的線材。將線材在流動(dòng)氣氛的氬氣真空爐中700℃保溫0.5小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含有Si元素和C元素的MgB2超導(dǎo)線材。
實(shí)例4制備(MgB2)0.95(SiC)0.025超導(dǎo)帶材。將Mg粉，B粉，SiC晶須按照摩爾比0.95∶1.9∶0.05準(zhǔn)確稱量并混合均勻，裝入鐵管中密封后以15％的變形率按順序進(jìn)行旋鍛、拉拔、軋制，得到寬4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℃保溫0.5小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含有Si元素和C元素的MgB2超導(dǎo)帶材。
實(shí)例5制備(MgB2)0.95(Si/N/C)0.05超導(dǎo)帶材。將Mg粉，B粉，納米Si/N/C粉按照摩爾比0.95∶1.9∶0.05準(zhǔn)確稱量并混合均勻，裝入鐵銅復(fù)合管中密封后以5％的變形率按順序進(jìn)行旋鍛、拉拔、軋制，得到寬4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750℃保溫1小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含有Si元素和C元素的MgB2超導(dǎo)帶材。
實(shí)例6制備(MgB2)0.8(SiC)0.2超導(dǎo)帶材。將Mg粉，B粉，SiC晶須按照摩爾比0.8∶1.6∶0.2準(zhǔn)確稱量并混合均勻，裝入鐵管中密封后以10％的變形率按順序進(jìn)行旋鍛、拉拔、軋制，得到寬3.1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℃保溫1.5小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含有Si元素和C元素的MgB2超導(dǎo)帶材。
實(shí)例7制備(MgB2)0.8(Si/N/C)0.2超導(dǎo)線材。將Mg粉，B粉，納米Si/N/C粉按照摩爾比0.8∶1.6∶0.2準(zhǔn)確稱量并混合均勻，裝入鐵管中密封后以15％的變形率按順序進(jìn)行旋鍛、拉拔，得到直徑為1.5毫米的線材。將帶材在流動(dòng)氣氛的氬氣真空爐中650℃保溫1小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含有Si元素和C元素的MgB2超導(dǎo)線材。
實(shí)例8制備(MgB2)0.975(SiC)0.025超導(dǎo)帶材。將Mg粉，B粉，SiC晶須按照摩爾比0.975∶1.95∶0.025準(zhǔn)確稱量并混合均勻，裝入鐵管銅中密封后以20％的變形率按順序進(jìn)行旋鍛、拉拔、軋制，得到寬3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℃保溫0.5小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含有Si元素和C元素的MgB2超導(dǎo)帶材。
實(shí)例9制備(MgB2)0.975(Si/N/C)0.025超導(dǎo)帶材。將Mg粉，B粉，納米Si/N/C粉按照摩爾比0.975∶1.95∶0.025準(zhǔn)確稱量并混合均勻，裝入鐵管中密封后以10％的變形率按順序進(jìn)行旋鍛、拉拔、軋制，得到寬3.5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℃保溫1.5小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含有Si元素和C元素的MgB2超導(dǎo)帶材。
實(shí)例10制備(MgB2)0.95(SiC)0.05超導(dǎo)塊材。將Mg粉，B粉，SiC晶須按照摩爾比0.95∶1.9∶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800℃保溫2小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含有Si元素和C元素的MgB2超導(dǎo)塊材。
實(shí)例11制備(MgB2)0.8(Si/N/C)0.2超導(dǎo)塊材。將Mg粉，B粉，納米Si/N/C粉按照摩爾比0.8∶1.6∶0.2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600℃保溫1.5小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含有Si元素和C元素的MgB2超導(dǎo)塊材。
實(shí)例12制備(MgB2)0.9(SiC)0.1超導(dǎo)塊材。將Mg粉，B粉，SiC晶須按照摩爾比0.9∶1.8∶0.1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℃保溫1小時(shí)，然后在真空爐中冷卻至室溫，得到含有Si元素和C元素的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和塊材，這為MgB2超導(dǎo)材料的實(shí)際應(yīng)用提供了材料基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1.一種含有Si元素和C元素的MgB2超導(dǎo)材料，其特征在于在MgB2超導(dǎo)材料中摻雜有選自SiC晶須或Si/N/C納米粉中的一種物質(zhì)，其組成摩爾比為Mg∶B∶SiC晶須或Si/N/C納米粉＝(0.8-0.975)∶(1.6-1.95)∶(0.025-0.2)。
2.一種制備權(quán)利要求1所述的MgB2超導(dǎo)材料的方法，其特征在于，將Mg粉，B粉，SiC晶須或Si/N/C納米粉按照摩爾比(0.8-0.975)∶(1.8-1.95)∶(0.025-0.2)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，得到含有Si元素和C元素的MgB2帶材或線材；或者將混合均勻的原料粉用壓片機(jī)進(jìn)行壓片，得到含有Si元素和C元素的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℃-900℃保溫0.5-2小時(shí)，最終得到含有Si元素和C元素的MgB2超導(dǎo)材料。
全文摘要
一種含有Si元素和C元素的MgB
文檔編號(hào)H01L39/24GK1929044SQ20061008915
公開(kāi)日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2006年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月7日
發(fā)明者張現(xiàn)平, 馬衍偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所