金属Sn掺杂MgB2超导体及低温快速制备方法技术

本发明专利技术涉及一种金属Ｓｎ掺杂ＭｇＢ↓［２］超导体及低温快速制备方法。超导体结构式为（Ｍｇ↓［１．０２］Ｂ↓［２］）↓［１－ｘ］Ｓｎ↓［ｘ］，其中ｘ＝０．０１～０．０５。将Ｍｇ粉、Ｂ粉和Ｓｎ粉按原子比充分混合，在２～１０ＭＰａ的压力下压制成圆柱体薄片，然后放入高温差示扫描量热仪或管式烧结炉中进行烧结；以５～２０℃／ｍｉｎ升温速率的连续加热到５５０～６００℃间进行烧结处理，然后以３０～４０℃／ｍｉｎ的冷却速度降至室温。从各种分析结果可以看出所得的ＭｇＢ↓［２］超导体的临界电流密度相比相同烧结条件下所得的ＭｇＢ↓［２］超导体有很大的提高。本发明专利技术制备方法简单，原料成本低廉，制备所需温度和时间较短，获得的超导体的超导特性明显，是一种非常有潜力的研究方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超导
，特别是涉及一种金属Sn掺杂MgB2超导体及低温快速制备 方法。
技术介绍
自1911年H.K. Onnes发现汞的超导性以来w，人们一直对这种超导现象进行着艰苦不 懈的探索。经过了近百年的努力，人类对超导的认识以及超导体的实际应用方面取得了很 大的进展，但是迄今为止仍有新的超导体被发现。由于超导体可用在在电力输送、电动机 以及军事技术等领域，使得超导技术有着广泛应用前景和巨大发展潜力。2001年，日本科学家J. Nagamatsu等人发现了迄今为止超导转变温度最高(7>39K) 的金属间化合物超导体——MgB2超导体，该超导体的发现引起了人们极大的兴趣。与高 温超导材料相比，MgB2的超导电性不受晶界弱连接的影响，即大角度晶界也可以使电流通 过"—7]，因此其能够承受较高的临界电流密度(/J。然而，MgB2超导体在高场下的临界密度 较小、不可逆磁场较低,使其实际应用受到严重影响。目前，人们研究的热点就是如何 提高MgB2超导体在高磁场下的临界电流密度值。在MgB2的制备技术中，块体制备是广泛应用的制备技术，需要指出的是，以往的MgB2块 体制备多采用高温粉末烧结法(镁的熔点以上)。由于MgB2相干长度大，高温烧结法通过 加入掺杂物引入磁通钉扎中心以提高不可逆磁场来改进材料的物理性能，使超导材料在一 定的外加磁场下仍然具有较高的临界电流密度。由于高温烧结制备块材MgB2过程中对容 器的密闭性具有一定的要求和困难，而且研究表明，MgB2晶体在高温下容易长大，结晶度 高，从而导致临界电流密度降低。近些年来， 一些科研人员利用传统的低温(特指镁熔点以下温度)固相烧结成功的制 备出具有较高丄的纯MgB2超导体""12]和掺杂MgB2超导体"3'14]。与高温下制备的相同成分的 试样相比，这些低温下制备的MgB2超导体一般都具有比较高的临界电流密度。但是传统低 温烧结过程中原子在固相中的扩散速率远比在液相中慢，因而以往低温固相烧结一般需要 较长的烧结时间才能得到高超导性能的MgB2。所以寻求一种低温下快速制备高超导性能 MgB2超导体的方法具有重要的实际意义。近来，低温下不同的方法被尝试应用于合成MgB2超导体，以求在获得高临界电流密度 的同时，降低合成温度和减少合成时间，例如金属间化合物掺杂低温烧结法。虽然金 属元素或者金属间化合物掺杂MgB2超导体的合成与制备已经得到广泛的研究，但是这些研 究大都局限于高温烧结的范围，而对金属元素掺杂MgB2超导体的低温烧结研究却是处于开 始探索阶段，而且这些先行的研究对金属掺杂低温烧结的机理还没有给出系统的阐述和论 证，从而导致金属元素的选择具有一定的盲目性。本文根据总结出的促进低温下制备MgB2 超导体的金属掺杂元素选取判据选取金属Sn作为低温制备元素，并获得了高性能的MgB2 超导体，这在其他文献中是没有报道的。
技术实现思路
本专利技术的目的是在提高或者不降低MgB2超导性能的前提下，努力寻找新的金属掺杂元 素，力求降低其合成温度和烧结时间，以降低其合成成本，并达到低温快速制备MgB2超导 体的目的。此外，努力寻找一种判据，使之成为这类金属元素选择依据，以避免金属元素 选择的盲目性。根据液相强化烧结理论，本专利技术总结提出自己的促进低温下制备MgB2超导体的金 属掺杂元素选取判据，对金属Sn是否能够在低温下促进MgB2烧结做出判断。该判据依次 为(i)溶解度判据根据二元合金相图，Mg在掺杂金属中以及掺杂金属在Mg中至少有 一方要具备一定的溶解度，最好为Mg在掺杂金属中的溶解度要大于掺杂金属在Mg中的溶 解度，这样通过烧结可以获得烧结致密化的块材；(ii)偏析判据掺杂金属在二元合金相 图中具有较陡峭的固相线和液相线，保证液相偏聚在烧结颈处，为Mg原子向B原子扩散 提供良好的通道；(iii)扩散判据，由于液相的存在Mg在液相中的扩散一般较快；(iv)润湿角判据，根据l-cos0-A:(^-l)公式(其中h0.28,固体金属的熔点为&，熔融液态金属的熔点为^),计算出液态金属对固态金属的平面润湿角，判断能否进行润湿；(v) 二元合金相图应尽可能简单，二元相图的简单与否决定着掺杂所得产物的简单与否，这一 点可以通过下文的Sn掺杂的物相结果进行验证。 本专利技术的技术方案如下本专利技术的一种金属Sn掺杂MgB2超导体，结构式为(MgL。2BUn,，其中x=0. 01 0. 05。 本专利技术的金属Sn掺杂MgB2超导体的低温快速制备方法，是将Mg粉、B粉和Sn粉按原 子比充分混合，在2 10Mpa的压力下压制成圆柱体薄片，然后放入髙温差示扫描量热仪4或管式烧结炉中进行烧结；以5 2(TC/min升温速率的连续加热到550 60(TC间进行烧结 处理，然后以30 40。C/min的冷却速度降至室温。 具体说明如下将Mg粉、B粉和Sn粉按原子比(Mgl.。2B2) nSn"其中x=0. 01 0. 05混合，并在玛瑙研 钵中研磨0. 3 1小时使其充分混合，其中Mg过量2%以避免氧化损耗。将这些混合粉末在 2 10Mpa的压力下压制成圆柱体薄片，然后将压制的样品放入高温差示扫描量热仪或管式 烧结炉中进行烧结。以5 20tVmin升温速率的连续加热到800 90(TC进行烧结处理，然 后以30 4(TC/min的冷却速度降至室温，以获得连续加热条件下的反应过程情况。为了 防止氧化，整个烧结过程在高纯氩气的保护性气氛下进行，如图1所示。从中选择 (MgL。2B2)nSn, (x=0.02 0.04)试样确定合适的烧结温度，图2和图3为(Mgl.。2B2)卜xSnx(x=0. 02 0. 04)试样5 20°C/min速率加热到450 660。C不同温度保温4 6小时X-射 线衍射结果和相对应的SEM微观组织，其中(a)温度为450 500°C， (b) 500 550°C，(c) 550 600。C， (d) 600 660°C。结合在450 660。C烧结试样的X-射线衍射结果(图2)和扫描电镜微观组织结果(图3)，确定550 600'C间某温度为合适的低温烧结温度。采用同样的方法将(MgL。2B2)nSn,其中x=0.01 0.05混合压制好的试样放入高温差示扫描量热仪或管式烧结炉中，设定程序为升温速率5 2(TC/min，升至550 60(TC间某温度后保温4 6小时，直接以30 40°C/min的冷却速度降至室温。本专利技术根据(MgL。2B丄—xSnx (x=0.01 0. 10)试样5 20°C/min加热到550 600。C间某温度烧结4 6小时X-射线衍射结果(图4)和相对应的SEM微观组织(图5)，其中(a) x=0. 0，(b) x=0. 0 0.25， (c) x=0. 25 0. 40， (d) x=0. 40 0. 05，可以看出，在550 600。C间某温度烧结4 6小时试样中已经有大量的MgB2相，产物中其他的掺杂相为Mg2Sn相，且扫描电镜观察的微观组织和x-射线衍射结果吻合较好。由图6中(MgL。2B》卜xSnx (x=0.01 0.05)试样在550 600。C间某温度保温4 6小时后磁矩随温度变化关系曲线可以发现，Sn掺杂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属Ｓｎ掺杂ＭｇＢ↓［２］超导体，其特征是结构式为（Ｍｇ↓［１．０２］Ｂ↓［２］）↓［１－ｘ］Ｓｎ↓［ｘ］，其中ｘ＝０．０１～０．０５。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永长，姜海，马宗青，董治中，余黎明，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]