[发明专利]通过球磨粉末氧化控制并烧结高载流MgB2超导体的方法

说明书

技术领域

本发明属于超导技术领域，特别是涉及通过球磨粉末氧化控制并烧结高载流MgB₂超导 体的方法。

背景技术

自1911年荷兰Leiden大学的H.K.Onnes发现汞的超导性以来，人们一直对这种奇妙 的现象进行着不懈的探索和研究。超导材料所特有的零电阻和抗磁性使其在电力能源、超 导磁体、生物、医疗科技、通讯和微电子等领域有广阔的应用前景。如今世界各国对超导 的研究越来越热，美国、日本和欧盟纷纷将超导技术列为新世纪保持尖端优势的关键。

超导材料按超导电现象出现的温度范围可分为两类：液氦温区的低温超导体和液氮温 区的高温超导体。但是由于低温超导体的超导转变温度很低，因此大大限制了其在实际工 业中的应用。高温超导材料主要是铜氧化物，但是由于铜氧化物的弱连接和陶瓷性使其临 界电流密度随磁场增高而下降很快，且难以成形成高质量的线、带材，同样也阻碍了高温 超导体的广泛应用。2001年日本科学家Nagamatsu J等人发现了一种具有39K临界转变温 度的新型超导材料——二硼化镁(MgB₂)。研究表明它既具有远高于低温超导体的临界转 变温度，又不存在高温超导体难以克服的弱连接问题，因而在全世界范围内引发了对其制 备方法和实际应用的研究的热潮。

目前具有高载流能力的MgB₂超导体大部分都是通过掺杂烧结得到。但是相对少量的掺 杂物粉末(掺杂量一般在10％左右)与大量的原始基体粉末很难达到均匀混合。这种不均 匀性最终限制了制备块体临界电流密度的进一步提高。此外，大部分掺杂物粉末都是纳米 级别尺寸，原材料本身的成本就很高，从而大幅度提高了具有高载流能力MgB₂超导体的实 际应用成本。从这一角度来讲，通过简单可行的制备工艺改变和控制MgB₂超导体本身的结 构和组织来获得比较高的载流能力，本身就具有很大的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的就是利用球磨和随后的自然氧化对Mg和B原始混合粉末进行共处理， 然后烧结，在不使用掺杂物的前提下，获得具有高载流能力MgB₂超导体，从而降低MgB₂超导体的制备成本，推进其在实际中的应用。

本发明的主旨首先是对原始粉末进行球磨处理以求降低烧结体中MgB₂的结晶度，然后 在此基础上对球磨后的原始粉末进行自然氧化，从而在烧结过程中自生成均匀纳米氧化镁 颗粒，这些颗粒本身可以作为有效的钉扎中心。经过球磨和自然氧化共同处理后的原始粉 末，经过烧结最终形成具有均匀纳米氧化镁颗粒钉扎的MgB₂纳米多晶结构。具有这种结构 的MgB₂超导体在高磁场下具有优异的临界电流密度。

本发明通过球磨粉末氧化控制并烧结高载流MgB₂超导体的方法，制备方法如下：

将Mg粉和B粉按原子比1∶2混合，然后将混合粉末放入球磨机中在惰性气体保护气 氛下进行球磨1～10h；然后将球磨后的粉末暴露于空气中进行自然氧化处理1～24h，接 着在2～10MPa的压力下制成薄片，将薄片放入高温差示扫描量热仪或者管式烧结炉进行低 温烧结，升温速率5～40℃/min，升至600～900℃后，在此温度保温烧结0.5～5个小时， 然后以10～40℃/min的冷却速度降至室温。

通过球磨和自然氧化共同处理后的原始粉末，经过烧结制备出的试样仍还是以MgB₂相 为主相，虽然氧化镁相与传统烧结试样相比明显增加，但是试样并没有被过度氧化，如图 1所示试样中主相仍为六边形的MgB₂晶粒。制备出来的超导体不仅具有比较细小的MgB₂晶 粒(100～250nm)，而且还在MgB₂晶体中引入了均匀的氧化镁纳米钉扎(如图2中箭头所 示为氧化镁颗粒)。与传统烧结法制备出的MgB₂超导体相比，拥有更多的有效钉扎中心， 因此在高临界磁场下具有比较优异的临界电流密度，如图3所示，实心黑点表示的是球磨 后试样的临界电流密度，它比实心方块表示的没有球磨的试样的临界电流密度值在外加磁 场大于15000oe(1T＝10000oe)时显著提高。