專利名稱：一種二硼化鎂基超導(dǎo)塊材的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)材料的制備方法。
背景技術(shù)：
二硼化鎂(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)材料和A15超導(dǎo)材料相比還比較低，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)電流通過超導(dǎo)材料時(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21^0、他、胃、1141、？6、1512、 ZrSi2等摻雜均只能小幅度提高M(jìn)gB2的性能。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種制備過程簡(jiǎn)單并適宜于大規(guī)模生產(chǎn)、且在3特斯拉以上的背景磁場(chǎng)中具有高臨界電流密度的MgB2基超導(dǎo)材料及其制造方法。
本發(fā)明的二硼化鎂基超導(dǎo)塊材的制造方法包括如下步驟
(I)將干燥的鎂、硼、鉿和硅粉末按照原子比Mg : Hf : B : Si = 1-x X 2-x X的比例充分混合1-2小時(shí)，其中O. 05彡X彡O. 20 ;
(2 )將混合后的粉末施加壓力為20_80MPa壓制成塊；
(3)將壓制的塊置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10_3 Pa后充入純氬氣或氬氣與氫氣的混合氣，然后以大于60°C /分鐘的升溫速率將制得的超導(dǎo)塊加熱， 在740°C _760°C的溫度下保溫1-10小時(shí)；
(4)最后以大于25°C /分鐘的冷卻速率冷卻至室溫，制成二硼化鎂基超導(dǎo)塊材。
針對(duì)本發(fā)明的方法的研究，發(fā)現(xiàn)采用鎂和硼的混合粉末作為燒結(jié)粉末，在等于大氣壓條件下制備的常規(guī)方法無法獲得在高場(chǎng)下具有高臨界電流密度的MgB2超導(dǎo)材料。而如果在鎂和硼的混合粉末中同時(shí)添加適量的硅和金屬鉿作為助燒劑，在等于大氣壓條件下制備的MgB2基超導(dǎo)材料中彌散分布著硅、鉿及其化合物，MgB2基超導(dǎo)材料表現(xiàn)出高臨界電流密度的特征。
本發(fā)明的方法采用硅和金屬Hf作為助燒劑，在燒結(jié)過程完成后，硅、鉿及其化合物彌散分布在最終獲得的MgB2基超導(dǎo)材料中，所獲得的MgB2基超導(dǎo)材料在3特斯拉以上的背景磁場(chǎng)中具有高的臨界電流密度。硅、鉿及其化合物彌散分布在最終獲得的MgB2基超導(dǎo)材料中，使最終形成的MgB2晶粒細(xì)化，有效強(qiáng)化了 MgB2晶粒連接。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)MgB2基超導(dǎo)材料的低成本制備，同時(shí)引入了第二相粒子，有效改善了 MgB2基超導(dǎo)材料的磁通釘扎。
具體實(shí)施方式
為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更清楚地理解本發(fā)明，下面通過具體實(shí)施方式
詳細(xì)描述其技術(shù)方案。
本發(fā)明公開的二硼化鎂基超導(dǎo)塊材的制造方法包括如下步驟
(I)將干燥的鎂、硼、鉿和硅粉末按照原子比Mg : Hf : B : Si = 1-x X 2-x X的比例充分混合1-2小時(shí)，其中O. 05彡X彡O. 20 ;
(2)將混合后的粉末施加壓力為20_80MPa壓制成塊；
(3)將該塊置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10_3Pa后充入純 IS氣或IS氣與氫氣的混合氣，然后以大于60°C /分鐘的升溫速率將制得的塊材加熱，在 7400C _760°C的溫度下保溫1-10小時(shí)；
(4)最后以大于25°C /分鐘的冷卻速率冷卻至室溫，制成高臨界電流密度的MgB2 基塊或塊材超導(dǎo)材料。
采用本發(fā)明的方法制得的二硼化鎂超導(dǎo)塊材，其中該超導(dǎo)材料為在MgB2基超導(dǎo)材料中彌散分布著硅、鉿及 其化合物，該MgB2基原子比組成為Mg : Hf : B : Si = 1-x X 2-x X，其中 O. 05 彡 X 彡 O. 20。
下面具體說明符合本發(fā)明的具體實(shí)施例。
實(shí)例I
將干燥的鎂(99 % )、硼(99 % )、鉿(99 % )和硅(99 % )粉末按照原子比 Mg Hf B Si = O. 95 O. 05 1. 95 O. 05的比例充分混合2小時(shí)。混合后的粉末用油壓機(jī)壓制成直徑20mm的塊，施加壓力為20MPa，然后置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10 -3 Pa后充入純気氣或気氣與氫氣的混合氣,然后以不低于60°C /分鐘的升溫速率將線材加熱，在740°C的溫度下保溫10小時(shí)，最后以不低于25°C /分鐘冷卻速率將塊或塊材冷卻至室溫，便制成超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為38. 6K，臨界電流密度為4.1 X IO4 A/ cm2 (20K，4T)的MgB2基超導(dǎo)塊材。
實(shí)例2
將干燥的鎂(99 % )、硼(99 % )、鉿(99 % )和硅(99 % )粉末按照原子比 Mg Hf B Si = O. 9 O.1 1. 9 O.1的比例充分混合I小時(shí)。混合后的粉末用油壓機(jī)壓制成直徑20mm的塊，施加壓力為80MPa，然后置于真空退火爐中，于室溫下抽真空， 待真空度達(dá)到1(Γ3 Pa后充入純IS氣或IS氣與氫氣的混合氣,然后以不低于60°C /分鐘的升溫速率將塊或塊材加熱，在760°C的溫度下保溫I小時(shí)，最后以不低于25°C /分鐘冷卻速率將線材冷卻至室溫，便制成超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為37. 2K，臨界電流密度為5. 2 X IO4 A/cm2 (20K， 4T)的MgB2基超導(dǎo)塊材。
實(shí)例3
將干燥的鎂(99 % )、硼(99 % )、鉿(99 % )和硅(99 % )粉末按照原子比 Mg Hf B Si = O. 8 O. 2 1. 8 O. 2的比例充分混合1. 5小時(shí)。混合后的粉末用油壓機(jī)壓制成直徑20mm的塊，施加壓力為60MPa，然后置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到1(Γ3 Pa后充入純IS氣或IS氣與氫氣的混合氣,然后以不低于60°C /分鐘的升溫速率將線材加熱，在750°C的溫度下保溫6小時(shí)，最后以不低于25V /分鐘冷卻速率將塊或塊材冷卻至室溫，便制成超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為35. 3K，臨界電流密度為2. OX IO4 A/cm2 (20K，4T)的MgB2基超導(dǎo)塊材。
當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求 的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種二硼化鎂基超導(dǎo)塊材的制造方法，其特征在于，包括如下步驟(1)將干燥的鎂、硼、鉿和硅粉末按照原子比Mg: Hf : B : Si = 1-x : x : 2-x : x 的比例充分混合1-2小時(shí)，其中0. 05 ^ x ^ 0. 20 ；(2)將混合后的粉末施加壓力為20-80MPa壓制成塊；(3)將壓制的塊置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10_3Pa后充入純 氬氣或氬氣與氫氣的混合氣，然后以大于60°C /分鐘的升溫速率將制得的超導(dǎo)塊加熱，在 740°C _760°C的溫度下保溫1-10小時(shí)；(4)最后以大于25°C/分鐘的冷卻速率冷卻至室溫，制成二硼化鎂基超導(dǎo)塊材。
2.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，Mg Hf B Si = 0.95 0.05 1.95 0.05。
3.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，Mg Hf B Si = 0. 9 : 0. 1 : 1. 9 : 0. 1。
4.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，Mg Hf B
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二硼化鎂基超導(dǎo)塊材的制造方法包括如下步驟(1)將干燥的鎂、硼、鉿和硅粉末按照原子比 Mg∶Hf∶B∶Si ＝1-x∶x∶2-x∶x的比例充分混合1-2小時(shí)，其中0.05≤x≤0.20；(2)將混合后的粉末施加壓力為20-80MPa壓制成塊；(3)將壓制的塊置于真空退火爐中，于室溫下抽真空，待真空度達(dá)到10-3 Pa后充入純氬氣或氬氣與氫氣的混合氣，然后以大于60℃/分鐘的升溫速率將制得的超導(dǎo)塊加熱，在740℃-760℃的溫度下保溫1-10小時(shí)；(4)最后以大于25℃/分鐘的冷卻速率冷卻至室溫，制成二硼化鎂基超導(dǎo)塊材。該方法提供了一種制備過程簡(jiǎn)單并適宜于大規(guī)模生產(chǎn)、且在3特斯拉以上的背景磁場(chǎng)中具有高臨界電流密度的MgB2基超導(dǎo)材料及其制造方法。
文檔編號(hào)C04B35/58GK102992771SQ201210472570
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者張俊, 王斌, 陳麗 申請(qǐng)人:溧陽(yáng)市生產(chǎn)力促進(jìn)中心