高臨界電流密度二硼化鎂超導(dǎo)材料研究.pdf

1、二硼化鎂(MgB2)作為一種新型的實(shí)用“磁體級(jí)”超導(dǎo)材料，在醫(yī)用核磁共振超導(dǎo)磁體(MRI)和強(qiáng)磁場(chǎng)磁體應(yīng)用方面有著廣泛的前景；但是，由于缺少有效的磁通釘扎中心和多孔性特征，較低的臨界電流密度(Jc)性能已成為制約該材料及其相關(guān)技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”。本文圍繞MgB2超導(dǎo)體Jc性能過(guò)低的特點(diǎn)，深入研究高密度MgB2超導(dǎo)體的制備方法以及不同類(lèi)型摻雜劑共同摻雜的MgS2線(xiàn)帶材，完成的主要工作和取得的主要結(jié)論如下：
　　 ⑴提出了一種新型的

2、少量Mg粉預(yù)添加的擴(kuò)散法制備MgB2超導(dǎo)塊材，發(fā)現(xiàn)該方法制備的MgS2超導(dǎo)體具有致密性高、MgO雜質(zhì)含量低、超導(dǎo)相均勻和晶界釘扎性能良好等一系列優(yōu)點(diǎn)。采用該方法制備的石墨摻雜MgB2超導(dǎo)體，在5K、7T下Jc可以達(dá)到納米C、碳納米管等摻雜同樣的水平，約2×104A/cm2；當(dāng)2wt.％石墨摻雜時(shí)，在10K、自場(chǎng)下Jc達(dá)到5.8×105A/cm2，明顯優(yōu)于普通固相反應(yīng)法制備的樣品的性能。另外，利用該方法我們還進(jìn)行了納米Pr6O11摻雜研究

3、，發(fā)現(xiàn)Pr6O11摻雜后可以加快Mg的擴(kuò)散，降低Mg/B的反應(yīng)溫度和時(shí)間，提高M(jìn)gB2超導(dǎo)體的Jc和不可逆場(chǎng)(Hirr)；
　　 ⑵系統(tǒng)研究了固相反應(yīng)法制備的MgB2超導(dǎo)體性能，并首次在常壓下制備得同時(shí)具有“致密無(wú)孔”和“納米晶粒尺寸”特征的MgB2超導(dǎo)體。首先，通過(guò)不同Mg/B化學(xué)計(jì)量比對(duì)MgB2超導(dǎo)體磁通釘扎性能的影響，發(fā)現(xiàn)適量的Mg不足有利于提高Jc性能；當(dāng)MgxB2中x=0.90～0.95時(shí)，Jc和磁通釘扎性能最好。其次

4、，我們研究了納米稀土氧化物摻雜的MgB2超導(dǎo)體性能，發(fā)現(xiàn)納米Pr6O11摻雜后，Pr原子可以少量的替代MgB2晶格中的Mg原子，從而造成Tc輕微的下降，以及Jc、Hirr和磁通釘扎性能一定程度的提高；另外文中對(duì)過(guò)渡族鐵磁性元素?fù)诫s顯著抑制MgB2的超導(dǎo)電性、而強(qiáng)順磁性的稀土元素?fù)诫s則不導(dǎo)致MgB2超導(dǎo)電性下降的機(jī)理給出了合理的解釋。最后，文中以預(yù)處理后的無(wú)定形硼粉作為原料，通過(guò)控制殘余甲苯的量，在常壓下制備出了同時(shí)具有“致密無(wú)孔”和“納

5、米晶粒尺寸”特征的MgB2超導(dǎo)體；通過(guò)優(yōu)化條件，使得純的MgB2超導(dǎo)塊材的密度提高到1.8～1.9g/cm3，該超導(dǎo)體的Hirr在20K時(shí)達(dá)到5.1T，Jc在10K、7T時(shí)超過(guò)1000A/cm2。
　　 ⑶研究了金屬Ti和納米SiC共同摻雜的MgB2帶材Jc性能，并發(fā)現(xiàn)金屬Ti摻雜后可以顯著改善純的和SiC單獨(dú)摻雜的MgB2帶材輸運(yùn)Jc性能。對(duì)于純的MgB2帶材，當(dāng)10wt.％Ti摻雜、熱處理?xiàng)l件為660℃/1h時(shí)Jc性能達(dá)到最

6、佳，Ti摻雜對(duì)Jc的改善作用尤其體現(xiàn)在較低的磁場(chǎng)下。與SiC摻雜相比，Ti+SiC共同摻雜帶材Jc性能提高了50～100％，如：660℃/1h熱處理時(shí)，在4.2K、10T下，10mol％SiC摻雜帶材Jc=4150A/cm2；而5wt.％Ti+10mol％SiC共摻帶材Jc=7885 A/cm2。
　　 ⑷通過(guò)對(duì)幾種“不同類(lèi)型”摻雜劑的共同摻雜研究，發(fā)現(xiàn)它們對(duì)MgB2超導(dǎo)帶材Jc性能的提高可以起到累積效果。首先，文中研究了有機(jī)溶

7、劑輔助混合摻雜的MgB2帶材的超導(dǎo)性能，并發(fā)現(xiàn)采用乙基苯溶劑輔助混合可以系統(tǒng)提高純的、Ti摻雜、SiC摻雜和Ti+SiC共同摻雜的MgB2帶材Jc性能。其次，對(duì)蘋(píng)果酸摻雜、C9H11NO摻雜、蘋(píng)果酸+納米SiC共同摻雜、蘋(píng)果酸+C9H11NO共同摻雜以及Ti+C9H11NO共同摻雜等進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，發(fā)現(xiàn)“不同類(lèi)型”摻雜劑共同摻雜后，它們對(duì)MgB2帶材Jc性能的影響可以達(dá)到累積效果，比如：660℃/1h熱處理的樣品，10wt.％蘋(píng)果酸

8、摻雜時(shí)Jc=7900A/cm2，5mol％SiC摻雜時(shí)Jc=9900A/cm2，而10wt.％蘋(píng)果酸+5mol％SiC共同摻雜時(shí)Jc=14100A/cm2；600℃/4h熱處理樣品，10wt.％蘋(píng)果酸摻雜時(shí)Jc=11300A/cm2，4wt.％C9H11NO摻雜時(shí)Jc=9200A/cm2，而10wt.％蘋(píng)果酸+4wt.％C9H11NO共同摻雜時(shí)Jc=14900A/cm2。最后，文中研究了MgH2為原料的MgB2帶材在“不同類(lèi)型”摻雜劑共