[发明专利]一种含有硅和碳的Nb3Sn的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导材料的制备方法，尤其涉及一种掺杂Nb₃Sn的制备方法。

背景技术

Nb₃Sn是目前实际应用的临界转变温度最高的金属间化合物超导材料。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Nb₃Sn成为目前最常用的超导材料。特别是在低场领域，如在磁共振成像磁体应用方面，Nb₃Sn表现了极大的优势。然而，目前制备的Nb₃Sn材料的临界电流密度与低温超导体和A15超导体相比还比较低，而且会随着磁场强度的增加而急剧的减小。

提高Nb₃Sn的临界电流密度是本领域的一个难题，因为当电流通过超导体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Nb₃Sn在一定磁场下的临界电流密度，可以采用中子轰击、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Nb₃Sn磁通钉扎能力的主要方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有Nb₃Sn超导材料性能的不足，公开了一种Nb₃Sn超导材料的制备方法，其制得的超导材料具有高磁通钉扎能力。

本发明的含有硅和碳的Nb₃Sn的制备方法包括如下步骤：

本发明在原料Nb粉，Sn粉中加入纳米Si/N/C粉，原料纯度均为市售化学纯，其组成的摩尔比为：Nb：Sn：Si/N/C粉＝(0.8-0.975)：(1.6-1.95)：(0.025-0.2)。将Nb粉，Sn粉，纳米Si/N/C粉按照摩尔比(0.8-0.975)：(1.8-1.95)：(0.025-0.2)配制并混合均匀，烧结或锻造后制成超导材料；将超导材料放在真空炉中，抽真空后充入氩气，在500℃-800℃保温1.5-3小时，最终得到含有Si元素和C元素的Nb₃Sn超导材料。

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的技术方案，下面通过描述其具体实施方式。

本发明的含有硅和碳的Nb₃Sn的制备方法包括如下步骤：

本发明在原料Nb粉，Sn粉中加入纳米Si/N/C粉，原料纯度均为市售化学纯，其组成的摩尔比为：Nb：Sn：Si/N/C粉＝(0.8-0.975)：(1.6-1.95)：(0.025-0.2)。将Nb粉，Sn粉，纳米Si/N/C粉按照摩尔比(0.8-0.975)：(1.8-1.95)：(0.025-0.2)配制并混合均匀，烧结或锻造后制成超导材料；将超导材料放在真空炉中，抽真空后充入氩气，在500℃-800℃保温1.5-3小时，最终得到含有Si元素和C元素的Nb₃Sn超导材料。

Nb₃Sn晶体中缺乏能够对磁通蠕动进行钉轧的结构缺陷，所以其临界电流随磁场强度的增大而很快的减小。因此可以采用增加晶体缺陷或者增加晶格界面等方法增加晶体的钉扎中心来提高Nb₃Sn的磁通钉扎能力，从而提高材料的临界电流密度。一般来说，钉扎机制可分为两种，一种来源于晶粒内部的短程无序，另一种来源于和晶体结构以及晶界有关的长程不均匀性。掺杂可以引入钉扎中心以及改善晶粒间的连接性，从而达到提高临界电流密度的目的。本发明在优化材料加工工艺前提下，通过掺杂纳米Si/N/C，在Nb₃Sn晶格中通过C对Sn的替代引入缺陷，并且Si与Nb反应生成的部分粒径较小的杂质也可以作为钉轧中心，这些都可以增强Nb₃Sn材料的磁通钉扎能力。而且由于Si/N/C掺杂后对Nb₃Sn超导转变温度影响较小，从而减小了由超导转变温度降低产生的对Nb₃Sn临界电流密度的负面作用。

本发明采用采用Si/N/C纳米颗粒掺杂，不但可以提供在SiC纳米颗粒掺杂时起到关键作用的碳元素，而且不会产生太多由于SiC分解导致的Nb₂Si杂质。这些优点对于进一步提高Nb₃Sn材料的超导特性具有重要意义。