[发明专利]一种快速制备二硼化镁块材的方法

说明书

技术领域

本发明涉及超导材料的制备方法，特别涉及一种二硼化镁超导块材的快速制备 方法。

背景技术

2001年1月10日，日本青山学院教授秋光纯(J.Akimitsu)[1]等人宣布发 现迄今为止临界温度最高的金属化合物超导体二硼化镁(MgB2)，超导转变温度为 39K。二硼化镁是一种A15结构二元化合物，具有相干长度大，无晶界弱连接和常态 电阻率低等优点，而且合成工艺简单，成本低廉。二硼化镁最大的优势在于能在 20-30K温区工作，如此可用电力驱动的气体制冷机代替昂贵的液氦实施冷却，使二 硼化镁有望成为廉价、实用的新型超导材料[2]。然而，二硼化镁超导体的临界电流 密度随着磁场强度的增加而迅速减小[3]，这大大影响了二硼化镁的实用化进程，所 以提高二硼化镁超导体高场区的临界电流密度是十分重要的问题。

到目前为止，制备二硼化镁块材的方法有1、固相反应法。2、管装粉末法(PIT)， 包括原位法(in-situ)和先位法(ex-situ)。以上制备方法基本步骤是将原料粉 末(可以是市售二硼化镁粉末，也可以是按照二硼化镁化学计量比充分混合后的粉 末)压片或者装管，置入电阻炉中进行高温反应(650-950℃)，反应时间较长，在 1-2小时左右。

文献指出[4]二硼化镁反应成型并不需要长时间烧结，而且短时间烧结可以免去 抽真空或者通惰性气体等保护措施，从而简化制备过程并减少生产成本。再加上升 温速率不同，材料内部产生缺陷的机制也不同[5]，如果对原料进行快速升温会使样 品中产生大量缺陷，并在其中形成细小晶粒，增加晶粒边界的数量。缺陷和晶界可 以作为有效的钉扎中心，从而提高二硼化镁材料的临界电流密度。另外，文献指出 在制备二硼化镁材料过程中掺杂含碳化合物能后显著提高其临界电流密度，因为碳 原子替代进入硼位。S.X.Dou等[6]用纳米级碳化硅取得最好的效果并用双反应模 型对此进行了解释[7]。但是，碳原子在二硼化镁材料中的溶解度受到烧结温度的 限制，随着温度升高，碳原子溶解度增大随后趋于饱和[8]。由此看来，现有工艺的 缺陷在于，如果长时间高温烧结会使晶粒长大，且需要使用惰性气氛保护措施减少 氧化镁杂质。如果长时间低温烧结，则不利于碳原子的溶解和替代。这些都不利于 二硼化镁临界电流密度的提高。

[1]J.Nagamatsu，N.Nakagawa，T.Muranaka，Y.Zenitani，J.Akimitsu，Nature 410 (2001)63.

[2]Cristina Buzea，Tsutomu Yamashita，Supercond.Sci.Technol.14(2001)R115-R146.

[3]Jiang C H，Nakane T，Kumakura H.Supercond Sci Technol，18(2005)，902-906

[4]X.L.Wang，S.Soltanian，J.Horvat，A.H.Liu，M.J.Qin，H.K.Liu，S.X.Dou， Physica C 361(2001)149-155

[5]S.K.Chen，K.S.Tan，B.A.Glowacki，W.K.Yeoh，S.Soltanian，J.Horvat，S.X.Dou， Appl.Phys.Lett.87(2005)182504

[6]S.X.Dou，S.Soltanian，J.Horvat，X.L.Wang，S.H.Zhou，M.Ionescu，H.K.Liu，P. Munroe，M.Tomsic，Appl.Phys.Lett.81(2002)3419

[7]S.X.Dou，O.Shcherbakova，W.K.Yeoh et al.PRL 98(2007)，097002

[8]S.X.Dou，A.V.Pan，S.Zhou，M.Ionescu，X.L.Wang，J.Horvat，and H.K.Liu，P.R. Munroe，Journal of Applied Physics，volume 94，number 3.

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种快速制备二硼化镁块材的方法，该方法工 艺简单经济，并能提高二硼化镁超导体的临界电流密度。

技术方案：本发明在固相反应和管装粉末法制备过程中使用快速升温和短时间 烧结的工艺，其方法和工艺步骤依次如下：