[发明专利]Cu包覆Mg棒中心扩散法低温制备二硼化镁超导线材的方法

说明书

技术领域

本发明涉及Cu包覆Mg棒中心扩散法制备MgB₂超导线材的方法，为低温制备高载流(通常以临界电流密度来表示，临界电流密度越高，载流能力越强)MgB₂超导线材新技术，属于超导技术领域。

背景技术

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，在15K到25K，中低磁场环境中具有广阔的应用前景，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MgB₂超导线材大多通过传统原位粉末装管法(Powder In Tube,PIT)来制备。但是由于Mg粉和B粉反应生成MgB₂本身是一个体积缩小的过程，这导致最终的PIT线材MgB₂超导线芯中不可避免地存在着大量的微小孔洞。这些孔洞的存在大大降低了超导线材的致密度和横截面有效载流比率(一般为10％)，最终恶化线材的临界电流密度，尤其是工程临界电流密度(临界超导电流与整个超导线材横截面的比值，J_e)，大大限制了MgB₂超导体的广泛推广和应用。

针对以上PIT法制备MgB₂超导线材的弊端，近几年发展了Mg棒中心扩散法(Internal Mg Diffusion,IMD)制备MgB₂线材。该方法能够在线材内部形成致密的无孔洞的MgB₂超导层，该超导层能够承载更大的超导电流，从而整个线材拥有更高的工程临界电流密度，比PIT线材提高了5倍以上。目前IMD技术制备MgB₂线材大多采用纯Mg棒作为初始反应物，不过由于固态Mg的扩散速率较低，扩散距离也有限，所以IMD法制备MgB₂线材大多需要在镁熔点以上温度进行。最近研究表明，即使同时采用较高的加热温度(镁熔点以上)以提高扩散速率和较小的线材直径尺寸(约0.55mm)以减小扩散距离，在IMD线材超导层中仍然存在未反应的B或者富B区域。这些非超导区域降低了MgB₂的晶间连接性，进而限制了J_e的进一步优化。需要指出的是，更高的加热温度(675～750℃)和更小的线材直径尺寸(小于0.80mm)也意味着更高的制备成本和推广难度。因此开发一种新技术能够在较低的温度(650℃以下)下制备出大直径尺寸(大于0.80mm)高载流MgB₂超导线材具有非常重要的工程意义，这也一直是超导应用技术领域的研究热点。

发明内容

本发明采用一定厚度的Cu膜对Mg棒进行包覆，然后进行预热处理在Mg棒表面形成一层致密的Mg-Cu合金层。随后以该Mg棒为初始反应材料采用IMD法制备MgB₂超导线材。该技术能够使IMD法的加热合成温度降低至Mg的熔点以下，并能制备出大直径高载流的MgB₂超导线材。其J_e比PIT法制备的MgB₂线材提高了6倍以上，即使与传统IMD法制备的同直径尺寸的MgB₂线材相比也提高了2倍以上。

具体技术方案如下：

一种Cu包覆Mg棒中心扩散法制备MgB₂超导线材的方法，对Mg棒进行Cu膜包覆处理，然后对Cu膜包覆的Mg棒进行预热处理；随后将热处理后的Cu包覆Mg棒固定于金属管中心位置，Cu包覆的Mg棒与金属管之间的空隙用碳掺杂的非晶或晶体硼粉压实填充；将填充后的金属管经过多次冷拉拔成直径为0.80～1.40mm的线材；最后采用650℃以下温度，对线材进行加热处理，保温时间为5～20小时，炉冷至室温。

所述的Mg棒直径优选为2mm～4mm。

所述的Cu膜包覆厚度与Mg棒直径比例优选为0.25％～0.5％。

Cu膜包覆的Mg棒进行预热处理是在管式炉中对该Cu膜包覆的Mg棒进行预热处理，处理温度为500℃～550℃，保温1～3个小时后随炉冷至室温，整个过程在高纯氩气保护气氛下进行。

金属管优选为Fe管、以铌为内衬的蒙乃尔合金管或不锈钢管。

Cu包覆Mg棒与金属管内径比例优选为1:2。