[发明专利]通过自反应提高先位二硼化镁块材超导临界电流密度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及通过自反应提高先位二硼化镁块材超导临界电流密度的方法；将先位法和两步法结合的方法制备更高临界电流密度的MgB₂块材，其中高温下产生的MgB₄可以作为磁通钉扎提高高场下的临界电流密度，并且块材内部自反应提高了颗粒之间的连接性，有利于超导临界电流密度的提高，属于超导技术领域。

背景技术

2001年1月，日本青山学院大学的Akimitsu教授宣布，他领导的研究小组测得的金属间化合物二硼化镁(MgB₂)在温度降低至39K(-237.14K)时电阻突然变为零。该温度在当时打破了非铜氧化物超导体临界温度的记录，故人们的目光再次聚集到金属间化合物超导体上，世界范围内的低温物理学家开始通过理论计算和实验对MgB₂的超导现象进行重复证明和进一步探索，致使这一研究领域日臻完善。

二硼化镁超导体有着较长的相干长度(3.7～12.8nm)，有利于增加超导体内的磁通钉扎(包括非超导相、位错、空位和夹层等)，从而提高临界电流密度，尤其是在高场下的临界电流密度。在高温超导中，晶界弱连接和磁通蠕动(材料的磁化强度明显随时间变化)会恶化性能。而有实验表明，致密的MgB₂块材样品的微观电流密度和分散的MgB₂粉末的晶内电流密度值是相同的，这说明MgB₂的临界电流密度取决于自身的钉扎作用，不会被晶界弱连接所抑制。根据制成MgB₂块材的原料的不同，将Mg粉和B粉按比例混合压制并烧结的方法称为原位法(in situ)，将实验室制得的或者商用的MgB₂粉末压制并烧结的方法称为先位法(ex situ)。其中先位法可以提高二硼化镁的压缩系数，但是连接性比较差，从而限制了临界电流密度的提高。因此探索深刻的烧结机理和采用更加合理的烧结方案来提高先位法制备的块材的临界电流密度很关键。这也是目前MgB₂领域研究的一个热点。

发明内容

本发明通过结合先位法和两步烧结法，提高了颗粒之间的连接性，增加量二硼化镁超导块材的有效磁通钉扎MgB₄，从而提高了高场临界电流密度，并且块材内部自反应提高了颗粒之间的连接性，有利于超导临界电流密度的提高。此发明中两步法指的是在烧结的高温阶段，超导块材内部的自反应加剧，形成并增加新的晶界，同时会产生少量杂质MgB₄(处于程序高温时反应主要向右进行，当处于程序低温时反应主要向左进行)。当程序进入低温保温阶段时，一方面上述反应向左进行，杂质MgB₄的含量减少，对提高临界电流密度有利，此外剩余的少量MgB₄可以作为有效的磁通钉扎提高在高场下的临界电流密度。上述可逆反应在不同温度下进行，一来一回促进了块材内部物质的移动，比单步法烧结过程中的物质移动速率快，从而能更快的生成有效的晶界，利于提高超导临界电流密度。

具体技术方案如下：

一种通过自反应提高先位二硼化镁块材超导临界电流密度的方法；通过先位法和两步烧结法，在烧结的高温阶段，超导块材内部的自反应加剧，形成并增加新的晶界，同时产生少量杂质MgB₄；当处于低温时反应主要形成MgB₂，杂质MgB₄的含量减少，剩余的少量MgB₄作为有效的磁通钉扎提高在高场下的临界电流密度。

本发明是取MgB₂粉末制成圆柱形块材，然后将圆柱形块材放入高温差示扫描量热仪或者管式烧结炉进行氩气保护气氛烧结，升温速率10～40℃/min，升至850～1000℃后，在此温度保温烧结0～20min，然后以10～40℃/min的冷却速度降至500～700℃,保温0.5～5小时，然后以10～40℃/min的冷却速度降至室温得到烧结样品。

将圆柱形块材放入高温差示扫描量热仪或者管式烧结炉后，先抽真空，再充氩气，这个过程过程反复进行3～4次，使高温差示扫描量热仪或者管式烧结内残留的氧气含量达到最低。在整个烧结过程中，保持氩气流通状态，直至烧结完后降温至室温。

取MgB₂粉末为商用MgB₂或者实验室自制的MgB₂粉末；粉末制成圆柱形块材可以采用将粉末置于模具中并施加压力为3～10MPa，制成薄片。

烧结完后将样品制成4*2*1mm的块材进行测试使用。