[发明专利]一种二硼化镁基超导块材的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导材料的制备方法。

背景技术

二硼化镁（MgB₂）是目前临界转变温度最高的金属间化合物超导材料，它的临界转变温度(39-40K)高于目前已经进行实际应用的Nb₃Sn和NbTi等超导材料。较高的转变温度、较大的相干长度、较高的上临界场、晶界不存在弱连接、结构简单、成本低廉等优点使MgB₂成为应用在20K-30K温度范围的材料最有力的竞争者。

特别是在低场领域，如在磁共振成像磁体应用方面，MgB₂表现了极大的优势，已经有数据表明，MgB₂的实用化将带来数十亿的经济效益，而且由于可以在制冷机制冷条件下工作，MgB₂的应用将会大大推动磁共振成像仪的推广，对于中国广大的乡村人民医疗水平的提高具有十分重要的意义。

然而，目前制备的MgB₂材料的临界电流密度与低温超导材料和A15超导材料相比还比较低，而且会随着磁场强度的增加而急剧的减小。提高MgB₂的临界电流密度是一个难题，因为当电流通过超导材料时就会产生电子涡旋，电子涡旋的运动消耗能量，进而破坏材料的超导能力。如果涡旋能钉扎在杂质或缺陷上并且不影响无阻电流的流动，将可以大大提高临界电流密度。

因此，为了提高MgB₂在一定磁场下的临界电流密度，可以采用中子(质子)轰击、化学腐蚀、机械加工、掺杂等方法，而由于掺杂具有更简便快速、能进行均匀改性等特点，成为目前提高MgB₂磁通钉扎能力的主要方法。已经进行实验的Zr、Mo、Nb、W、Ti、Al、Fe、WSi₂、ZrSi₂等掺杂均只能小幅度提高MgB₂的性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种制备过程简单并适宜于大规模生产、且在3特斯拉以上的背景磁场中具有高临界电流密度的 MgB₂ 基超导材料及其制造方法。

本发明的二硼化镁基超导块材的制造方法包括如下步骤：

（1）将干燥的镁、硼、铪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小时，其中0.05≤x≤0.20；

（2）将混合后的粉末施加压力为20-80MPa压制成块；

（3）将压制的块置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10^-3 Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，然后以大于60℃/分钟的升温速率将制得的超导块加热，在740℃-760℃的温度下保温1-10小时；

（4）最后以大于25℃/分钟的冷却速率冷却至室温，制成二硼化镁基超导块材。

针对本发明的方法的研究，发现采用镁和硼的混合粉末作为烧结粉末，在等于大气压条件下制备的常规方法无法获得在高场下具有高临界电流密度的 MgB₂ 超导材料。而如果在镁和硼的混合粉末中同时添加适量的硅和金属铪作为助烧剂，在等于大气压条件下制备的 MgB₂基超导材料中弥散分布着硅、铪及其化合物，MgB₂ 基超导材料表现出高临界电流密度的特征。

本发明的方法采用硅和金属 Hf 作为助烧剂，在烧结过程完成后，硅、铪及其化合物弥散分布在最终获得的MgB₂基超导材料中，所获得的MgB₂基超导材料在3特斯拉以上的背景磁场中具有高的临界电流密度。硅、铪及其化合物弥散分布在最终获得的MgB₂基超导材料中，使最终形成的MgB₂晶粒细化，有效强化了MgB₂晶粒连接。本发明可实现MgB₂基超导材料的低成本制备，同时引入了第二相粒子，有效改善了MgB₂ 基超导材料的磁通钉扎。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更清楚地理解本发明，下面通过具体实施方式详细描述其技术方案。

本发明公开的二硼化镁基超导块材的制造方法包括如下步骤：

（1）将干燥的镁、硼、铪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小时，其中0.05≤x≤0.20；