專利名稱：一種制備MgB的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備MgB2超導(dǎo)材料的方法領(lǐng)域，尤其涉及一種以球形霧化鎂粉為原料制備高性能MgB2超導(dǎo)材料的方法。
背景技術(shù)：
自從2001年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)39K的新型超導(dǎo)體二硼化鎂(MgB2)以來，各國(guó)科學(xué)家進(jìn)行了大量深入的研究，由于其具有超導(dǎo)相干長(zhǎng)度較長(zhǎng)、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)，在超導(dǎo)電力、電子器件、國(guó)防以及醫(yī)療儀器(特別是核磁成像磁體)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，在制備高性能MgB2線帶材的方法中，原位(in-situ)粉末套管(Powder-In-Tube)技術(shù)是最為簡(jiǎn)便實(shí)用的一種，但是其臨界電流密度(Jc)仍然低于實(shí)際應(yīng)用水平。研究發(fā)現(xiàn)原始粉末質(zhì)量如鎂粉和硼粉的純度以及粒徑等對(duì)臨界電流密度起著決定性的作用。但是目前應(yīng)用在MgB2超導(dǎo)材料制備上的商業(yè)鎂粉的粒徑比較大且粒徑分布也極不均勻，如圖1所示，極大的影響了MgB2超導(dǎo)材料的超導(dǎo)性能。為此，各國(guó)研究小組通過多種途經(jīng)如球磨原始粉末、提純硼粉、采用MgH2、亞微米級(jí)鎂粉或納米級(jí)鎂粉等來改善原始粉末質(zhì)量，從而有效的提高Jc。其中，日本的研究小組采用MgH2、亞微米級(jí)鎂粉或納米級(jí)鎂粉制備的樣品可以達(dá)到相當(dāng)高的臨界電流密度；但是與商業(yè)鎂粉相比，MgH2粉末的價(jià)格很高，不適合工業(yè)化應(yīng)用，另外其使用的亞微米級(jí)鎂粉和納米級(jí)鎂粉是通過熱—等離子方法或者電弧—等離子方法制備的，制備條件非?？量?，成本也很高，這都影響了MgB2超導(dǎo)材料的實(shí)用化進(jìn)程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)制備成本高的缺點(diǎn)，提供一種制備MgB2超導(dǎo)材料的方法。本發(fā)明制備成本低廉，所制備的MgB2超導(dǎo)材料具有高性能。
本發(fā)明解決技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是采用價(jià)格低廉的工業(yè)球形霧化鎂粉作為MgB2超導(dǎo)材料的原料。這種鎂粉是將高純鎂錠加熱并霧化成所需的粒徑而成，已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，價(jià)格便宜，純度高，粒徑較小且粒度均勻，鎂粉粒徑范圍為50nm～100μm。
這種粒徑較小且粒度均勻的球形霧化鎂粉可以與硼粉反應(yīng)得更快更均勻，使得制備的MgB2的粒徑也較小，約100-200微米，小于普通商業(yè)鎂粉制備的MgB2，約300-600微米的粒徑，且粒度分布均勻。由于小粒徑MgB2的晶界有效地充當(dāng)了釘扎中心，提高了磁通釘扎力，從而有效的提高了本發(fā)明制備的MgB2超導(dǎo)材料的超導(dǎo)性能。
本發(fā)明制備方法步驟如下(1)將工業(yè)球形霧化鎂粉和硼粉按照摩爾比Mg∶B＝(0.85-1.25)∶2配制，并球磨1-2小時(shí)；霧化鎂粉的平均粒徑為50nm～100μm，形狀為球形，硼粉的純度為(90％-99.9999％)；(2)將混合均勻的原料粉用壓片機(jī)進(jìn)行壓片，得到MgB2超導(dǎo)塊材；或?qū)⒒旌虾煤蟮脑挤勰┭b入金屬管或金屬?gòu)?fù)合管中，密封后以5％的變形率按順序先后進(jìn)行旋鍛和拉拔得到MgB2超導(dǎo)線材，再經(jīng)軋制后，得到MgB2超導(dǎo)帶材；(3)將得到的塊材或線帶材放在真空爐中，在真空或氬氣保護(hù)下，熱處理溫度為600℃-900℃，保溫0.5-2小時(shí)，最終獲得MgB2超導(dǎo)材料。


圖1普通商業(yè)鎂粉不同放大倍數(shù)下的SEM圖；其中a、500×；b、1000×；c、2000×；圖2不同粒徑球形霧化鎂粉的SEM圖；其中a、10μm；b、20μm；c、70μm；圖3實(shí)例1樣品與普通商業(yè)鎂粉制備的MgB2超導(dǎo)帶材的臨界電流密度Jc；其中1實(shí)例1制備的MgB2超導(dǎo)帶材；2采用普通商業(yè)鎂粉制備的MgB2超導(dǎo)帶材；圖4實(shí)例1樣品與H.Yamada等人制備的MgB2超導(dǎo)帶材的臨界電流密度Jc；其中1實(shí)例1制備的MgB2超導(dǎo)帶材；2H.Yamada等人制備的MgB2超導(dǎo)帶材。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用價(jià)格低廉的工業(yè)球形霧化鎂粉作為MgB2超導(dǎo)材料的原料。鎂粉粒徑范圍為50nm～100μm，價(jià)格便宜，純度高，粒徑較小且粒度均勻，如圖2所示。
實(shí)例1(1)將10微米的球形霧化鎂粉和純度為99.999％的商業(yè)無定形硼粉按照摩爾比1∶2配制，并球磨1小時(shí)；(2)將混合好后的原始粉末裝入鐵管(外徑為8mm，壁厚為1.5mm)中，密封后進(jìn)行旋鍛、拉拔和平輥軋制，得到寬3.8mm，厚0.5mm的帶材；(3)將得到的帶材放在真空爐中，在氬氣保護(hù)下，熱處理溫度為700℃，保溫1小時(shí)，最終獲得MgB2超導(dǎo)帶材。
所得帶材的臨界電流密度為1.0×104A/cm2(20K/5T和4.2K/9T)。
實(shí)例2將50納米的球形霧化鎂粉和純度為99.999％的商業(yè)無定形硼粉按照摩爾比1.1∶2配制，并球磨1小時(shí)；將混合好后的原始粉末用壓片機(jī)進(jìn)行壓片，得到MgB2超導(dǎo)塊材；將得到的塊材放在真空爐中，在氬氣保護(hù)下，熱處理溫度為600℃，保溫1小時(shí)，最終獲得MgB2超導(dǎo)塊材。
實(shí)例3將10微米的球形霧化鎂粉和純度為97％的商業(yè)無定形硼粉按照摩爾比1∶2配制，并球磨1小時(shí)；將混合好后的原始粉末裝入鐵管(外徑為8mm，壁厚為1.5mm)中，密封后進(jìn)行旋鍛、拉拔和平輥軋制，得到寬3.8mm，厚0.5mm的帶材；將得到的帶材放在真空爐中，在真空下，熱處理溫度為700℃，保溫1小時(shí)，最終獲得MgB2超導(dǎo)帶材。所得帶材的臨界電流密度為1.2×104A/cm2(4.2K，6T)。
實(shí)例4將1微米的球形霧化鎂粉和純度為95％的商業(yè)無定形硼粉按照摩爾比0.9∶2配制，并球磨1.5小時(shí)；將混合好后的原始粉末裝入鈮(外徑為8mm，壁厚為1mm)銅(外徑為10mm，壁厚為1mm)復(fù)合管中，密封后進(jìn)行旋鍛和拉拔得到直徑為1.75mm的MgB2超導(dǎo)線材；將得到的線材放在真空爐中，在氬氣氛下，熱處理溫度為750℃，保溫0.5小時(shí)，最終獲得MgB2超導(dǎo)線材。
實(shí)例5將10微米的球形霧化鎂粉和純度為99％的商業(yè)無定形硼粉按照摩爾比1∶2配制，并球磨1小時(shí)；將混合好后的原始粉末裝入鐵管(外徑為8mm，壁厚為1.5mm)中，密封后進(jìn)行旋鍛、拉拔和平輥軋制，得到寬3.8mm，厚0.5mm的帶材；將得到的帶材放在真空爐中，在真空下，熱處理溫度為700℃，保溫1小時(shí)，最終獲得MgB2超導(dǎo)帶材。所得帶材的臨界電流密度為1.85×104A/cm2(4.2K，6T)。
實(shí)例6將5微米的球形霧化鎂粉和純度為99.9999％的商業(yè)無定形硼粉按照摩爾比1.05∶2配制，并球磨1小時(shí)；將混合好后的原始粉末裝入鐵(外徑為8mm，壁厚為1.5mm)銅(外徑為10mm，壁厚為1mm)復(fù)合管中，密封后進(jìn)行旋鍛和拉拔得到直徑為1.75mm的MgB2超導(dǎo)線材；將得到的線材放在真空爐中，在氬氣氛下，熱處理溫度為650℃，保溫1小時(shí)，最終獲得MgB2超導(dǎo)線材。
實(shí)例7將10微米的球形霧化鎂粉和純度為95％的商業(yè)無定形硼粉按照摩爾比1∶2配制，并球磨1小時(shí)；將混合好后的原始粉末裝入鐵管(外徑為8mm，壁厚為1.5mm)中，密封后進(jìn)行旋鍛、拉拔和平輥軋制，得到寬3.8mm，厚0.5mm的帶材；將得到的帶材放在真空爐中，在真空下，熱處理溫度為700℃，保溫1小時(shí)，最終獲得MgB2超導(dǎo)帶材。所得帶材的臨界電流密度為1.47×104A/cm2(4.2K，6T)。
實(shí)例8將100微米的球形霧化鎂粉和純度為90％的商業(yè)無定形硼粉按照摩爾比1.15∶2配制，并球磨2小時(shí)；將混合好后的原始粉末裝入鈮(外徑為8mm，壁厚為1mm)銅(外徑為10mm，壁厚為1mm)復(fù)合管中，密封后進(jìn)行旋鍛和拉拔得到直徑為1.75mm的MgB2超導(dǎo)線材；將得到的線材放在真空爐中，在真空下，熱處理溫度為700℃，保溫0.5小時(shí)，最終獲得MgB2超導(dǎo)線材。
實(shí)例9將10微米的球形霧化鎂粉和純度為92％的商業(yè)無定形硼粉按照摩爾比1∶2配制，并球磨1小時(shí)；將混合好后的原始粉末裝入鐵管(外徑為8mm，壁厚為1.5mm)中，密封后進(jìn)行旋鍛、拉拔和平輥軋制，得到寬3.8mm，厚0.5mm的帶材；將得到的帶材放在真空爐中，在真空下，熱處理溫度為700℃，保溫1小時(shí)，最終獲得MgB2超導(dǎo)帶材。所得帶材的臨界電流密度為1.48×104A/cm2(4.2K，6T)。
實(shí)例10將10微米的球形霧化鎂粉和純度為99.99％的商業(yè)無定形硼粉按照摩爾比1∶2配制，并球磨1小時(shí)；將混合好后的原始粉末裝入鈮管(外徑為8mm，壁厚為1mm)中，密封后進(jìn)行旋鍛、拉拔和平輥軋制，得到寬3.8mm，厚0.5mm的帶材；將得到的帶材放在真空爐中，在氬氣保護(hù)下，熱處理溫度為800℃，保溫1小時(shí)，最終獲得MgB2超導(dǎo)帶材。
實(shí)例11將70微米的球形霧化鎂粉和純度為97％的商業(yè)無定形硼粉按照摩爾比1∶2配制，并球磨1小時(shí)；將混合好后的原始粉末裝入鐵管(外徑為8mm，壁厚為1.5mm)中，密封后進(jìn)行旋鍛、拉拔和平輥軋制，得到寬3.8mm，厚0.5mm的帶材；將得到的帶材放在真空爐中，在真空下，熱處理溫度為700℃，保溫1小時(shí)，最終獲得MgB2超導(dǎo)帶材。所得帶材的臨界電流密度為5.2×103A/cm2(4.2K，6T)。
實(shí)例12將10微米的球形霧化鎂粉和純度為99.999％的商業(yè)無定形硼粉按照摩爾比1.25∶2配制，并球磨1.5小時(shí)；將混合好后的原始粉末用壓片機(jī)進(jìn)行壓片，得到MgB2超導(dǎo)塊材；將得到的塊材放在真空爐中，在氬氣保護(hù)下，熱處理溫度為850℃，保溫1小時(shí)，最終獲得MgB2超導(dǎo)塊材。
實(shí)例13將70微米的球形霧化鎂粉和純度為90％的商業(yè)無定形硼粉按照摩爾比0.85∶2配制，并球磨2小時(shí)；將混合好后的原始粉末裝入鐵管(外徑為8mm，壁厚為1.5mm)中，密封后進(jìn)行旋鍛、拉拔和平輥軋制，得到寬3.8mm，厚0.5mm的帶材；將得到的帶材放在真空爐中，在氬氣保護(hù)下，熱處理溫度為900℃，保溫2小時(shí)，最終獲得MgB2超導(dǎo)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4.2K/9T可以達(dá)到1.0×104A/cm2左右，是采用普通商業(yè)鎂粉制備的帶材性能的兩倍，如圖3所示。這種粒徑較小且粒度均勻的球形霧化鎂粉可以與硼粉反應(yīng)得更快更均勻，使得制備的MgB2的粒徑也較小，約100-200微米；本發(fā)明制備的MgB2的粒徑小于商業(yè)鎂粉制備的，粒徑約300-600微米的MgB2材料，且粒度分布均勻。另外，其在20K/5T下臨界電流密度可以達(dá)到1.0×104A/cm2左右，這個(gè)值高于如圖4所示的，目前未摻雜MgB2超導(dǎo)帶材的最高臨界電流密度(即H.Yamada等人采用電弧—等離子方法制備的納米級(jí)鎂粉為原料制備的MgB2超導(dǎo)帶材的臨界電流密度)[H.Yamada et al.，Superconducting Properties of Powder-in-Tube MgB2Tapes Prepared With FinePowders，IEEE Trans.Appl.Supercond.15(2005)3337]。本發(fā)明不僅提高了MgB2超導(dǎo)材料的超導(dǎo)性能，而且極大的降低了制備成本。
權(quán)利要求
1.一種制備MgB2超導(dǎo)材料的方法，其特征在于采用納米或微米級(jí)的球形霧化鎂粉為原料。
2.按照權(quán)利要求1所述的制備MgB2超導(dǎo)材料的方法，其特征在于鎂粉粒徑范圍為50nm～100μm。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的MgB2超導(dǎo)材料的方法，其特征在于將納米級(jí)或微米級(jí)的球形霧化鎂粉和硼粉，按照摩爾比Mg∶B＝(0.85-1.25)∶2配制，并球磨1-2小時(shí)；然后將混合均勻的原料粉用壓片機(jī)進(jìn)行壓片，得到MgB2超導(dǎo)塊材；或?qū)⒒旌虾蟮脑挤勰┭b入金屬管或金屬?gòu)?fù)合管中，密封后以5％的變形率按順序先后進(jìn)行旋鍛、拉拔、軋制，得到MgB2超導(dǎo)線帶材；將得到的塊材或線帶材放在真空爐中，在真空或氬氣保護(hù)下，熱處理溫度為600℃-900℃，保溫0.5-2小時(shí)，最終制得MgB2超導(dǎo)材料。
全文摘要
一種制備MgB
文檔編號(hào)H01B12/00GK101058508SQ20071009855
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者王棟樑, 馬衍偉, 高召順, 禹爭(zhēng)光, 張現(xiàn)平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所