[发明专利]一种分步反应制备碳掺杂MgB2超导体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种涂层导体前驱膜的制备方法，尤其是涉及一种分步反应制备碳掺杂MgB₂超导体的方法。

背景技术

2001年MgB₂超导电性的发现，轰动了整个凝聚态物理界，它创造了金属间化合物超导材料的新纪录，超导转变温度高达39K。MgB₂超导体较高的转变温度和上临界场、较大的相干长度、晶界不存在弱连接、结构简单成本低廉等优点，引起了世界各国的极大关注，但是MgB₂超导体临界电流密度随着磁场的增加而急剧减小，表现出较低的不可逆场，这些问题都严重地影响到它在工程方面的应用。研究结果表明，适量的C掺杂可以有效提高材料在高场下的临界电流密度。

目前，C掺杂MgB₂超导体的制备通常采用将Mg，B和C粉按照一定的原子数比直接混合研磨后进行烧结制备。该方法工艺简单，并且生产成本低。同时，很多研究小组以不同的碳化物为掺杂源制备了C掺杂MgB₂超导体，如B₄C、B₁₀C等，制得样品的临界电流密度(Jc)较直接混合法有了一定程度的提高，但是这些化合物由于受到价格以及合成条件的限制，很难大规模使用。直接混合烧结法虽然工艺简单，但是由于在较高的热处理温度下(一般高于900℃)进行较长时间的热处理，导致材料中产生较多的非超导的MgO颗粒，从而严重影响了晶粒间的连接性，同时超导体中孔洞较多，降低了超导材料的致密度，最终使得超导材料的上临界场和临界电流密度较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种分步反应制备碳掺杂MgB₂超导体的方法，以制备出高致密度，掺杂元素碳分布均匀的碳掺杂MgB₂超导体，从而提高碳掺杂MgB₂超导体的不可逆场和临界电流密度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种分步反应制备碳掺杂MgB₂超导体的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)将干燥的镁粉、硼粉和无定形碳粉或纳米碳粉按照1∶7-x∶x的原子数比充分混合研磨1-2小时，然后将粉末压制成片或块，其中0.15≤x≤0.70；

(2)将步骤(1)中压制成的片或块置于真空退火炉中烧结，对真空退火炉抽真空，待真空度达到5×10^-3Pa后，充入氩气或者氩气和氢气的混合气，然后以30-60℃/分钟的升温速率，升温至850-1100℃恒温0.5-8小时，最后以25-50℃/分钟的冷却速率冷至室温。

(3)将步骤(2)中烧结后的片或块进行破碎，以乙醇为溶剂湿法球磨，然后用酸洗液对球磨后的粉末进行酸洗，过滤后于烘箱中50-100℃烘干，按照Mg∶B∶C＝7∶14-2x∶2x的原子数比向烘干的粉末中添加镁粉，混合后充分研磨，压制成片或块，其中0.15≤x≤0.70；

(4)将步骤(3)中压制成的片或块置于真空退火炉中，对真空退火炉抽真空，待真空度达到5×10^-3Pa后，充入氩气或者氩气和氢气的混合气，然后以30-70℃/分钟的升温速率，在700-850℃的温度下恒温1-10小时，最后以25-50℃/分钟的冷却速率冷至室温，制得碳掺杂MgB₂超导体。

上述步骤(3)中所述酸洗液为浓盐酸和无水乙醇的混合溶剂，浓盐酸的质量浓度为36-38％，浓盐酸和无水乙醇的体积比为1∶5-10，酸洗时间为5-20分钟。

上述步骤(2)和步骤(4)中所述混合气中氩气与氢气的优选体积百分比为9-20∶1。

为了证明分步反应制备碳掺杂MgB₂超导体可行性，本发明专利申请发明人对Mg-B体系的成相物理化学过程进行了深入研究，发现Mg-B体系在700-1200℃范围内存在着MgB₂、MgB₄和Mg₂B₁₄三个热力学稳定相，而且在一定条件下存在以下可逆反应：MgB₄+Mg＝2MgB₂，Mg₂B₁₄+5Mg＝7MgB₂。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)第一步高温烧结更有利于元素C进入MgB₂晶格，从而提高MgB₂超导体的不可逆场。