高臨界電流密度二硼化鎂超導材料研究.pdf

1、二硼化鎂(MgB2)作為一種新型的實用“磁體級”超導材料，在醫(yī)用核磁共振超導磁體(MRI)和強磁場磁體應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技術發(fā)展的“瓶頸”。本文圍繞MgB2超導體Jc性能過低的特點，深入研究高密度MgB2超導體的制備方法以及不同類型摻雜劑共同摻雜的MgS2線帶材，完成的主要工作和取得的主要結論如下：
　　 ⑴提出了一種新型的

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

3、，發(fā)現(xiàn)Pr6O11摻雜后可以加快Mg的擴散，降低Mg/B的反應溫度和時間，提高MgB2超導體的Jc和不可逆場(Hirr)；
　　 ⑵系統(tǒng)研究了固相反應法制備的MgB2超導體性能，并首次在常壓下制備得同時具有“致密無孔”和“納米晶粒尺寸”特征的MgB2超導體。首先，通過不同Mg/B化學計量比對MgB2超導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MgxB2中x=0.90～0.95時，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；另外文中對過渡族鐵磁性元素摻雜顯著抑制MgB2的超導電性、而強順磁性的稀土元素摻雜則不導致MgB2超導電性下降的機理給出了合理的解釋。最后，文中以預處理后的無定形硼粉作為原料，通過控制殘余甲苯的量，在常壓下制備出了同時具有“致密無孔”和“納

5、米晶粒尺寸”特征的MgB2超導體；通過優(yōu)化條件，使得純的MgB2超導塊材的密度提高到1.8～1.9g/cm3，該超導體的Hirr在20K時達到5.1T，Jc在10K、7T時超過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單獨摻雜的MgB2帶材輸運Jc性能。對于純的MgB2帶材，當10wt.％Ti摻雜、熱處理條件為660℃/1h時Jc性能達到最

6、佳，Ti摻雜對Jc的改善作用尤其體現(xiàn)在較低的磁場下。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，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通過對幾種“不同類型”摻雜劑的共同摻雜研究，發(fā)現(xiàn)它們對MgB2超導帶材Jc性能的提高可以起到累積效果。首先，文中研究了有機溶

7、劑輔助混合摻雜的MgB2帶材的超導性能，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，對蘋果酸摻雜、C9H11NO摻雜、蘋果酸+納米SiC共同摻雜、蘋果酸+C9H11NO共同摻雜以及Ti+C9H11NO共同摻雜等進行了系統(tǒng)性的研究，發(fā)現(xiàn)“不同類型”摻雜劑共同摻雜后，它們對MgB2帶材Jc性能的影響可以達到累積效果，比如：660℃/1h熱處理的樣品，10wt.％蘋果酸

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