[发明专利]一种石墨烯掺杂多芯MgB2超导线材的镁扩散制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯掺杂多芯MgB₂超导线材的镁扩散制备方法，该方法包括：一、将无定形硼粉和石墨烯粉末混合后研磨得到混合粉末；二、将镁棒装入铌管中心，再将混合粉末填充到镁棒和铌管的孔隙中得到第一装管复合体；三、将第一装管复合体旋锻得到单芯线材；四、将单芯线材和CuNb棒组装到蒙奈尔合金管中得到第二装管复合体；五、将第二装管复合体进行旋锻拉拔得到多芯线材；六、将多芯线材进行真空烧结得到多芯MgB₂超导线材。本发明将石墨烯掺杂与中心镁扩散法结合制备多芯线材，使石墨烯均匀掺杂在MgB₂层中，有效提高了MgB₂超导芯丝的致密度、临界电流密度及其机械性能。

技术领域

本发明属于超导材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯掺杂多芯MgB₂超导线材的镁扩散制备方法。

背景技术

MgB₂超导体自2001年发现以来，由于其临界温度为39K，具有相干长度大、不存在晶界弱连接等优点，倍受国内外科学家的关注，但MgB₂缺乏有效的磁通钉扎中心，其临界电流密度J_c在磁场下迅速衰减。经过十多年大量系统的研究，发现元素掺杂是提高MgB₂线材磁场下J_c性能最有效的方法，其中采用石墨烯掺杂能明显细化MgB₂晶粒并提高晶粒连接性，从而提高了MgB₂的临界电流密度(J_c)，得到高性能的MgB₂超导材料，在医疗用MRI磁体、低速大扭矩风电电机及超导传输电缆等方面应用广泛。

目前MgB₂线材的主要制备方法为粉末套管法技术，该技术主要有先位法(ex-situ)和原位法(In-situ)两种路线方法。先位法(ex-situ)采用反应成相的MgB₂作为先驱粉末，直接将MgB₂粉末装入金属管中，再通过旋锻、拉拔和轧制工艺制备成线带材；该制备过程中需要使用高强度的Fe或Ti基包套材料，对MgB₂芯丝施加应力约束以增强晶粒连接，但高强度包套材料冷加工过程会导致线带材中的MgB₂芯丝形成裂纹等宏观缺陷，并且固态MgB₂不存在熔化反应，后续热处理过程无法形成液相弥合裂纹，因此线带材的整体性能很难进一步提高。原位法(In-situ)将Mg粉和B粉按MgB₂的化学计量比装入金属管中，通过拉拔、轧制制备成线带材，再进行热处理，最终生成MgB₂相；该方法的优点是热处理过程中Mg熔化与B反应成相可以弥合加工过程中形成的微裂纹，最终线带材中MgB₂超导相晶粒连接较好，并可通过调整热处理参数和引入有效的磁通钉扎中心提高线材中高场下的J_c值，但该方法制备的MgB₂线带材中存在大量的孔洞，降低了MgB₂的有效载流面积，特别是在多芯线材结构中更为明显。而发展具有高临界电流密度的MgB₂超导线材，必然要提高超导芯丝的致密度。受Mg-B体系固有的化学成相反应过程的制约，如果采用Mg-B混合粉末作为前驱粉末，提高样品致密度难度很大，制备高临界电流密度的多芯MgB₂超导线材也更为困难。

近年来，很多研究者开始使用内部镁扩散法(Internal Mg Diffusion，IMD)生产MgB₂线带材，这种方法生产的线材国际上称为二代线材。IMD法在阻隔层的中心位置放置镁棒并在其周围填充硼粉，热处理时熔融的镁棒渗透到硼粉中生成致密的MgB₂层，这种方法减少了原位法镁粉渗透到硼粉反应后留下的大量孔洞，获得的线材具有优异的临界电流密度。而且致密的MgB₂层使线材的机械性能得到很大的提高，更适合大规模生产。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孔洞，这种工艺在制备MgB₂线材方面仍然不够成熟。

发明内容