專(zhuān)利名稱：Cu摻雜MgB₂超導(dǎo)體及低溫快速制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，特別是提出一種Cu摻雜MgB2超導(dǎo)體及低溫快速制備方法。
背景技術(shù)：
自1911年荷蘭Leiden大學(xué)的H. K. Onnes發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)性以來(lái)，人們一直對(duì)這種奇妙 的現(xiàn)象進(jìn)行著不懈的探索和研究。超導(dǎo)材料所特有的零電阻和抗磁性使其在電力能源、超 導(dǎo)磁體、生物、醫(yī)療科技、通訊和微電子等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。如今世界各國(guó)對(duì)超導(dǎo) 的研究越來(lái)越熱，美國(guó)、日本和歐盟紛紛將超導(dǎo)技術(shù)列為新世紀(jì)保持尖端優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。超導(dǎo)材料按超導(dǎo)電現(xiàn)象出現(xiàn)的溫度范圍可分為兩類(lèi)液氦溫區(qū)的低溫超導(dǎo)體和液氮溫 區(qū)的高溫超導(dǎo)體。但是由于低溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度很低，因此大大限制了其在實(shí)際工 業(yè)中的應(yīng)用。高溫超導(dǎo)材料主要是銅氧化物，但是由于銅氧化物的弱連接和陶瓷性使其臨 界電流密度隨磁場(chǎng)增高而下降很快，且難以成形成高質(zhì)量的線、帶材，同樣也阻礙了高溫 超導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用。2001年F1本科學(xué)家Nagamatsu J等人發(fā)現(xiàn)了一種具有39K臨界轉(zhuǎn)變溫 度的新型超導(dǎo)材料——二硼化鎂(MgB2)。研究表明它既具有遠(yuǎn)高于低溫超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn) 變溫度，又不存在高溫超導(dǎo)體難以克服的弱連接問(wèn)題，因而在全世界范圍內(nèi)引發(fā)了對(duì)其制 備方法和實(shí)際應(yīng)用的研究的熱潮。目前具有高超導(dǎo)性能的MgB2超導(dǎo)體大部分都是通過(guò)高溫(鎂的熔點(diǎn)以上)粉末燒結(jié)得 到。但是由于鎂本身蒸氣壓高且易揮發(fā)，這樣就給在高溫?zé)Y(jié)制備塊材MgB2過(guò)程中容器的 密閉性帶來(lái)了一定的要求和困難，而且研究表明，MgB2晶體在高溫下容易長(zhǎng)大，結(jié)晶度高， 從而導(dǎo)致其臨界電流密度顯著降低。因此最近一些科研工作者開(kāi)始致力于在鎂的熔點(diǎn)以下 (低溫)通過(guò)固相粉末燒結(jié)技術(shù)來(lái)制備MgB2超導(dǎo)體的研究。YamamotoA等人采用鎂粉和硼 粉在600'C燒結(jié)60個(gè)小時(shí)成功制備出MgB2試樣；Rogado N等人先將鎂粉和硼粉球磨后在 550。C下燒結(jié)16個(gè)小時(shí)也制備出了 MgB2試樣；Yamamoto A等人還在600。C下燒結(jié)24個(gè)小 時(shí)制備出了 SiC摻雜的塊狀MgB2。與高溫下制備的試樣相比，這些低溫(相對(duì)于鎂的熔點(diǎn)) 下制備的MgB2超導(dǎo)體一般都具有比較高的臨界電流密度。但是燒結(jié)過(guò)程中原子在固相中的 擴(kuò)散速率比在液相中慢，因而已報(bào)導(dǎo)的MgB2低溫固相燒結(jié)過(guò)程一般需要16 60小時(shí)，燒 結(jié)時(shí)間比較長(zhǎng)的，同時(shí)也注意到需要采用機(jī)械球磨對(duì)燒接粉末的預(yù)處理或選用納米尺寸范 圍的原料，這無(wú)疑增加了制備過(guò)程的成本，從而也限制了 MgB2超導(dǎo)體在工業(yè)生產(chǎn)中的推廣， 所以尋找一種低溫下快速燒結(jié)制備MgB2超導(dǎo)體的方法具有重要的實(shí)際意義。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是利用銅摻雜燒結(jié)的方法，縮短低溫?zé)Y(jié)制備具有高超導(dǎo)性能MgB2超 導(dǎo)體所需要的時(shí)間，從而降低MgB2超導(dǎo)體的制備成本，推進(jìn)其在實(shí)際中的應(yīng)用。本發(fā)明的Cu摻雜MgB2超導(dǎo)體，其組成及分子質(zhì)量比如下(Mg,.凡)xCux， x = 0. 01~0. 10。本發(fā)明的Cu摻雜MgB2超導(dǎo)體低溫快速制備方法，歩驟如下將Mg粉、Cu粉和B粉按比例在瑪瑙研缽中充分混合，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 10~40°C/min，升至490 60(TC后，在此溫度保溫?zé)Y(jié)2 7個(gè)小時(shí)，然后以10~40°C/min 的冷卻速度降至室溫。本發(fā)明的主旨是通過(guò)摻雜Cu粉末在低溫下形成Mg-Cu共晶熔體，從而大大降低燒結(jié)溫 度和燒接過(guò)程保溫時(shí)間。由圖1給出的Mg-Cu系的二元相圖可見(jiàn)，Mg和Cu第一共晶點(diǎn)的 溫度比較低(485'C左右)。所以在Mg-B燒結(jié)體系中加入少量的Cu，則當(dāng)溫度超過(guò)485°C 時(shí)，Mg-Cu液相就可以在燒結(jié)體的局部形成，從而出現(xiàn)低溫下的液相燒結(jié)，提高原子的擴(kuò) 散速率，促進(jìn)燒結(jié)的快速完成。結(jié)合上文的分析來(lái)看，本發(fā)明中制備MgB2超導(dǎo)體的燒結(jié)溫度只有490 60(TC，遠(yuǎn)低于 Mg的熔點(diǎn)(65(TC)，燒結(jié)時(shí)間也僅僅為2 7個(gè)小時(shí)，從而大大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)低溫?zé)Y(jié)法制備 MgB2超導(dǎo)體所需時(shí)間長(zhǎng)的弊端，而且制備出來(lái)的MgB2超導(dǎo)體具有優(yōu)良的超導(dǎo)性能。因而這 種Cu摻雜燒結(jié)的方法是一種非常有潛力的實(shí)用生產(chǎn)方法。


圖1: Mg-CU二元相圖；圖2:不同Cu摻雜量的試樣(MguB2)hCUx燒結(jié)后的X射線衍射圖譜(XRD); 圖3:不同含量Cu慘雜的(MguB2)nCux試樣燒結(jié)后的掃描電鏡照片， 其中(a) x=0， (b)x=0. 03， (c)x=0. 05(d)x=0. 10;圖4:不同Cu摻雜量的(MguB2)nCu,試樣燒結(jié)后的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度；圖5:不同Cu摻雜量的(MguB2),-xCux試樣燒結(jié)后的20K下的臨界電流密度。
具體實(shí)施方式
選用將Mg粉(純度為99.9%)、 Cu粉(純度為99.7%)和B粉(無(wú)定形，純度為99 %)，分別以分子質(zhì)量比為(MguBUux x = 0， 0.03， 0.05和0. 10做為實(shí)施例對(duì)本發(fā)明 作進(jìn)一歩的詳細(xì)說(shuō)明實(shí)施例1按上述比例將原料在瑪瑙研缽中充分混合，然后在5MPa的壓力下壓制成薄片。將已 壓制好的試樣放入高溫差示掃描量熱儀(NETZSCH DSC 404C Peganus)中通入氬氣進(jìn)行低 溫?zé)Y(jié)，設(shè)定程序?yàn)樯郎厮俾蕿?CTC/min，升至575'C后，在此溫度保溫?zé)Y(jié)5個(gè)小時(shí)， 然后以20°C/min的冷卻速度降至室溫。實(shí)施例2按上述比例將原料在瑪瑙研缽中充分混合，然后在2MPa的壓力下壓制成薄片。將已 壓制好的試樣放入高溫差示掃描量熱儀(NETZSCH DSC 404C Peganus)中通入氬氣進(jìn)行低 溫?zé)Y(jié)，設(shè)定程序?yàn)樯郎厮俾蕿?(TC/min，升至490'C后，在此溫度保溫?zé)Y(jié)10個(gè)小 時(shí)，然后以10°C/min的冷卻速度降至室溫。實(shí)施例3按上述比例將原料在瑪瑙研缽中充分混合，然后在10MPa的壓力下壓制成薄片。將己 壓制好的試樣放入管式燒結(jié)爐中通入氬氣進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，設(shè)定程序?yàn)樯郎厮俾蕿?40°C/min，升至600。C后，在此溫度保溫?zé)Y(jié)2個(gè)小時(shí)，然后以40°C/min的冷卻速度降至室溫。選用少量的Cu做摻雜物，利用粉末燒結(jié)的方法制備MgB,超導(dǎo)體，不僅可以降低反應(yīng) 溫度，而且還可以大大縮短燒結(jié)時(shí)間。圖2給出了不同配比的試樣燒結(jié)后的X射線衍射圖 譜。從圖中可以看出，在沒(méi)有Cu摻雜的試樣中，Mg依然是主相，但是在僅僅摻雜3。/。Cu的 試樣中，MgB2相就己經(jīng)成為主相。圖3給出了不同含量Cu摻雜的(MguB2)hC仏試樣燒結(jié)后 的掃描電鏡照片。其中(a) x=0， (b)x=0.03, (c)x=0.05， (d)x=0.10;從圖中可以看出， 隨著Cu的加入量的增加，燒結(jié)體變得更加致密，而且MgB2晶體也逐漸長(zhǎng)大并且形狀逐漸 規(guī)則化。通過(guò)對(duì)摻雜試樣燒結(jié)后進(jìn)行超導(dǎo)性能的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度TI.值高達(dá)38K，見(jiàn) 圖4，基本上接近純MgB2的轉(zhuǎn)變溫度。而慘雜試樣的臨界電流密度乂的值在20K時(shí)，低磁 場(chǎng)中接近1X106 A/cm2，見(jiàn)圖5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)已報(bào)導(dǎo)的高溫下燒結(jié)制備的MgB2超導(dǎo)體的丄值 (3. 0Xl()5A/cni2左右)，而與低溫固相長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)制備的純MgB2的乂(4.0X105 A/cm)相 比也有不少的提高。本發(fā)明提出的一種Cu摻雜MgB2超導(dǎo)體及低溫快速制備方法，己通過(guò)實(shí)施例進(jìn)行了描 述，相關(guān)技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā)明的內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對(duì)本文所述的制作方法進(jìn) 行改動(dòng)或適當(dāng)變更與組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)。特別需要指出的是，所有相類(lèi)似的替換 和改動(dòng)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，他們都被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi) 容中。
權(quán)利要求
1.一種Cu摻雜MgB2超導(dǎo)體，其特征是組成和分子質(zhì)量如下(Mg1.1B2)1-xCux，x＝0.01～0.10。
2. 權(quán)利要求l的Cu摻雜MgB^超導(dǎo)體低溫快速制備方法，其特征是將Mg粉、Cu粉和B粉按比例在瑪瑙研缽中充分混合，然后在2 10MPa的壓力下制成薄 片，最后放入高溫差示掃描量熱儀或者管式燒結(jié)爐中通入氬氣進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率 10 40°C/min，升至490 600。C后，在此溫度保溫?zé)Y(jié)2~7個(gè)小時(shí)，然后以10 40K/min的冷 卻速度降至室溫。
全文摘要
本發(fā)明屬于提出一種Cu摻雜MgB₂超導(dǎo)體及低溫快速制備方法。其組成及分子質(zhì)量比如下(Mg_1.1B₂)_1-xCu_x，x＝0.01~0.10。制備方法是將Mg粉、Cu粉和B粉按比例在瑪瑙研缽中充分混合，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10~40℃/min，升至490~600℃后，在此溫度保溫?zé)Y(jié)2~7個(gè)小時(shí)，然后以10~40℃/min的冷卻速度降至室溫。結(jié)合上文的分析來(lái)看，本發(fā)明中制備MgB₂超導(dǎo)體的燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時(shí)間短，從而大大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)低溫?zé)Y(jié)法制備MgB₂超導(dǎo)體所需時(shí)間長(zhǎng)的弊端，而且制備出來(lái)的MgB₂超導(dǎo)體具有優(yōu)良的超導(dǎo)性能。因而這種Cu摻雜燒結(jié)的方法是一種非常有潛力的實(shí)用生產(chǎn)方法。
文檔編號(hào)C01B35/04GK101224897SQ20071015070
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2007年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月4日
發(fā)明者劉永長(zhǎng), 史慶志, 倩 趙, 馬宗青 申請(qǐng)人:天津大學(xué)