[发明专利]一种制备二硼化镁超导材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备二硼化镁超导材料的方法，尤其涉及一种掺杂的二硼化镁超导材料的制备方法。

背景技术

2001年二硼化镁超导电性的发现引起了凝聚态物理界和超导工业界的极大兴趣，各国的科学家和工程师对二硼化镁超导材料进行了大量研究。二硼化镁接近40K的转变温度是已知的二元金属间化合物超导体(Nb3Sn和Nb-Ti)的两倍。传统超导体较低的超导转变温度使其的实际应用只能局限于液氦温区，因而运行和维护费用非常昂贵。与传统超导体相比，二硼化镁40K的超导转变温度可以容易地使用微型制冷机得到，不需要用复杂和昂贵的液氦制冷系统，从而使二硼化镁超导材料的工业应用成为可能。而与钙钛矿结构的高温超导体(HTSC)相比，二硼化镁的优点是：各向异性很小，相干长度较长，晶界连接良好，不存在晶界弱连接的问题，结构简单，制备简便。总之，无论与传统超导体还是高温超导体相比，二硼化镁都有其自身独特的优势，在超导磁悬浮列车等电磁应用领域和微电子超导器件的应用领域具有很大的开发潜力。但由于纯二硼化镁超导材料的临界电流密度随外磁场衰减很快，限制了二硼化镁超导材料在超导磁悬浮列车等高磁场环境中的应用，严重影响了其实用性能。因此，如何提高二硼化镁超导材料在高磁场下的临界电流密度成为研究的重点。许多研究都发现通过纳米碳掺杂可以有效的提高二硼化镁超导体的上临界磁场，从而改善其在高磁场下的载流性能，另一方面纳米量级的碳掺杂颗粒还可以作为有效的钉扎中心，提高二硼化镁超导体的性能。但是现有的固相反应方法，是将镁粉、硼粉及纳米碳粉末混合研磨后，在900℃以上的高温下进行烧结。由于掺杂的纳米级碳粉末的团聚等作用的存在，使掺杂的纳米碳粉末无法均匀地分散，因而造成制备的二硼化镁超导体的掺杂组分不均匀，影响超导块的整体性能。另外，团聚的纳米粉末会造成掺杂物的局部过量，未反应的掺杂物堆积在样品的晶粒之间，成为超导电流的阻碍屏障，进一步影响超导性能。另一方面纳米颗粒的碳材料价格较高，制备困难，且固态的碳掺杂进入MgB₂晶格比较困难，需要较高的反应温度和较长的反应时间，这些均限制了掺杂的二硼化镁超导材料的制备。

发明内容

本发明的目的就是提供一种制备二硼化镁超导材料的方法，该方法制备时间短，反应温度低，效率高，成本低，尤其适合于工业化生产；利用该法制备的二硼化镁超导材料，临界电流密度高，尤其是在高磁场下临界电流密很高，有利于其在高磁场下的应用，实用性强。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种制备二硼化镁超导材料的方法，其作法是：

按摩尔比1∶0.7-2.5分别称量镁粉和硼粉；再按镁粉和硼粉的总质量与掺杂物的质量比1∶0.01-1称量掺杂物，掺杂物为柠檬酸或柠檬酸盐中的一种；将镁粉、硼粉和掺杂物的粉末均匀混合成混合粉末，然后在氩气气氛保护下进行烧结，烧结的温度为600℃-1200℃、保温时间0.5-12个小时，即得。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、将柠檬酸或柠檬酸盐作为掺杂物与镁粉和硼粉均匀混合，经过一定温度烧结后，柠檬酸和柠檬酸盐分解为碳、氢、氧及其化合物等掺杂物，均匀分散在二硼化镁超导材料中。由于柠檬酸或柠檬酸盐在升温时的较低温度(150-200℃)下发生分解，再在600℃-1200℃下绕结，形成掺杂的二硼化镁超导材料。与现有的固相反应相比，使反应温度可以更低、时间更短，效率高。

二、由于柠檬酸中的碳源是在烧结的升温过程中分解生成碳源，与直接用碳粉作作为掺杂碳源，具有更强的化学活性，可直接掺入到二硼化镁晶格中，从而使碳原子能够更均匀地掺杂到MgB₂的晶格中，形成MgB₂的晶格扭曲，增强MgB₂能带间的杂质散射，提高MgB₂的上临界场，从而明显提高MgB₂在高磁场下的临界电流密度。它与现有固相反应法制备的碳纳米管掺杂的二硼化镁超导材料相比，临界电流密度可提高2倍。

三、本发明所用的掺杂物为柠檬酸或柠檬酸盐，为常用的化工原料及食品添加产品，其价格低廉、无毒无害且制备方便。而现有的掺杂物纳米颗粒的碳材料如纳米金刚石，纳米碳等均价格昂贵，制备工艺复杂且不适于大批量工业生产。

实验证明，利用本发明方法制备的柠檬酸或柠檬酸盐掺杂后的二硼化镁超导材料，在20K温度，外加4T的高磁场时，临界电流密度较之不掺杂的二硼化镁超导材料可提高400％以上。