[发明专利]基于MgB4先驱粉的二硼化镁超导线材的镁扩散制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二硼化镁超导线材的制备方法。

背景技术

自从2001年二硼化镁(MgB₂)超导电性的发现以来，这种超导材料一直吸引着世界各国科学家对其进行深入地研究。MgB₂超导材料由于其结构简单、成本低廉、临界转变温度高(39K)、相干长度较长、上临界场较高、晶界不存在弱连接等优点，在超导电力、电子器件及医疗仪器，特别是核磁成像磁体等方面具有广泛的应用前景。目前国际超导界对MgB₂已经达成共识：综合制冷成本和材料成本，MgB₂超导材料在20-25K，1-3T的磁场范围内应用，优势非常明显。2006年，意大利Columbus超导公司联合其他两家公司共同开发完成了世界上第一台开放式基于MgB₂的MRI系统，该系统采用GM制冷机制冷，可以产生0.5T的磁场强度。低成本高性能的MgB₂线带材的研制有利于MRI系统的进一步普及，具有重大经济和社会效益。因此MgB₂极具潜力成为新一代广泛应用的超导材料，研制开发该材料的实际生产应用具有重大的科学和现实意义。

目前，制备高性能MgB₂线材的主要方法有连续装管成型技术(CTFF)、粉末套管技术(PIT)、中心镁扩散技术(IMD)等。目前美国Hyper Tech公司采用CTFF工艺已制备出了千米级多芯MgB₂超导长线，然而该技术不但需要复杂的设备和加工工艺，而且连续进料均匀性仍难以控制，在包套材料接口处会形成一道缝，不利于形成紧密超导芯，临界电流密度较低。PIT法制备的线材性能较好，工艺比较成熟，但是这种方法形成的超导相致密度较低，晶粒连接性较差，大大降低了MgB₂线材的性能。为了提高MgB₂线材性能，科学家们采用化学掺杂、冷压、热压等方法来解决超导芯多孔性、改善晶粒连接性、增强磁通钉扎性能等，从而提高线材临界电流密度。2008年，Nardelli等人提出使用四硼化镁(MgB₄)先驱粉代替PIT法中的硼先驱粉，然后使按一定比例混合的MgB₄和镁混合粉原位反应，从而生成MgB₂超导相。这种方法降低了超导相孔洞密度，增大了超导相比例，从而在一定程度上提高了线材临界电流密度，但是这种方法制备的线材临界电流密度仍然需要进一度提高。

而IMD法是利用在热处理过程中熔融态的镁向外层混合粉扩散形成超导相，是一种有效 提高线材临界电流密度的方法。这种方法制备的线材超导相致密度很高，临界电流密度在4.2K/10T下达到10⁵A/cm²以上。然而，该方法的缺点是中心镁棒扩散到硼层后，镁棒原来的中心位置会形成很大区域的孔洞，超导相填充率较低在5％以下，从而使得其工程临界电流密度大幅下降，而且这种工艺在制备MgB₂线材方面仍然不够成熟。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中存在的不足，提供一种基于MgB₄先驱粉的二硼化镁超导线材的镁扩散制备方法。本发明采用中心镁扩散方法，使用MgB₄作为先驱粉，实现高性能MgB₂超导线材的制备。本发明所制备的MgB₂线材，与使用MgB₄先驱粉的PIT工艺所制备的线材相比，具有更致密的超导相和更高的临界电流密度；与使用硼先驱粉的IMD工艺所制备的线材相比，具有更高的超导相填充率和更高的工程临界电流密度。

为了达到上述目的，本发明基于MgB₄先驱粉的二硼化镁超导线材的镁扩散制备方法，包括以下步骤：

步骤一、按照MgB₂线材制备工艺中MgB₄粉末生成所需的镁、硼和碳摩尔比例称取镁粉、无定形硼粉和纳米碳粉装入球磨罐中混合，然后按照MgB₂线材制备工艺中MgB₄粉末生成所需的原料与研磨球质量比例放入研磨球，最后将装有原料和研磨球的球磨罐密封后并固定至行星式球磨机上，按照MgB₂线材制备工艺中MgB₄粉末生成所需的球磨速率和球磨时间对原料混合粉末进行球磨，球磨结束后筛除研磨球，得到球磨后的原料混合粉末；