专利名称：一种高临界电流密度MgB的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高临界电流密度MgB2基超导体及其制备方法。
背景技术：
2001年初临界温度为39K的二硼化镁(MgB2)新超导体的发现引起了国际学术界的普遍关注，因为它创造了金属间化合物超导材料转变温度的新记录，对理论研究和应用研究都有十分重要的学术价值。虽然MgB2超导体的临界温度仅为39K，但与氧化物高温超导体不同，MgB2具有十分简单的化学成分和晶体结构，材料的成本很低，晶界能承载很高的电流，其本征临界电流密度(Jc)非常高(超过107A/cm2)。同时MgB2的相干长度与钙钛矿型结构的氧化物相干长度要大，这就意味着MgB2中更易于引入有效磁通钉扎中心，改善超导电性。MgB2可以在液氢温区(20K-30K)就实现应用，而低温超导体在这一温区无法工作，液氢温区通过制冷机就能容易获得而无需复杂和昂贵的液氦。综合制冷成本和材料成本，MgB2超导体在20-30K，低场条件下应用具有很明显的价格优势，尤其在MRI磁体(工作磁场1-2T)制造领域。
但是MgB2超导体的实际应用必须解决一个关键问题，即提高MgB2超导体的磁通钉扎。纯MgB2超导体在20K下的不可逆场值仅为4-5T，主要原因是MgB2超导体中缺乏有效钉扎中心，磁通钉扎较弱，这就导致在高场下的MgB2超导体的临界电流密度(Jc)较低，影响了MgB2超导体在高温(＞20K)高场下(＞4T)的实际应用。因此提高MgB2超导体磁通钉扎特性将大大促进MgB2超导体的实用化。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种制备过程简单并适宜于大规模生产、且在3特斯拉以上的背景磁场中具有高临界电流密度的MgB2基超导体及其制造方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种高临界电流密度MgB2基超导体，其特征在于该超导体为在MgB2基超导体中弥散分布着碳、锆及其化合物，该超导体原子比组成为Mg∶Zr∶B∶C＝1-x∶x∶2-x∶x，其中0.05≤x≤0.20。
本发明的一种高临界电流密度MgB2基超导体，其特征在于该MgB2基超导体为片状或块状。
本发明的一种高临界电流密度MgB2基超导体，其特征在于该MgB2基超导体为截面形状为圆型的线材。
一种高临界电流密度MgB2基超导体的制备方法，其特征在于制备过程为首先将干燥的镁、硼、锆和碳粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝1-x∶x∶2-x∶x的比例充分混合1-2小时，其中0.05≤x≤0.20；将混合后的粉末施加压力为20-80MPa压制成片或块，然后置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，然后以大于60℃/分钟的升温速率将制得的片或块材加热，在740℃-760℃的温度下保温1-10小时，最后以大于25℃/分钟的冷却速率冷却至室温，制成高临界电流密度的MgB2基片或块材超导体。
本发明的一种高临界电流密度MgB2基超导体的制备方法，其特征在于制备过程是首先将干燥的镁、硼、锆和碳粉末，按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝1-x∶x∶2-x∶x的比例充分混合1-3小时，其中0.05≤x≤0.20；将混合后的粉末装入无缝低碳钢管或铌管，再将这一复合体装入无氧铜管中组装成复合体，再将复合体进行室温冷加工过程，经过旋锻、孔型轧制和拉拔三种加工工艺的综合使用加工成线材，线材的最终截面形状为圆型；将加工到最终尺寸和形状的线材置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，然后以不低于60℃/分钟的升温速率将线材加热，在740℃-760℃的温度下保温1-10小时，最后以不低于25℃/分钟的冷却速率将线材冷却至室温，制成截面形状为圆型的MgB2基超导线材。
针对本发明的方法的研究，发现采用镁和硼的混合粉末作为烧结粉末，在等于大气压条件下制备的常规方法无法获得在高场下具有高临界电流密度的MgB2超导体。而如果在镁和硼的混合粉末中同时添加适量的碳和金属锆作为助烧剂，在等于大气压条件下制备的MgB2基超导体中弥散分布着碳、锆及其化合物，MgB2基超导体表现出高临界电流密度的特征。
本发明的方法采用碳和金属Zr作为助烧剂，在烧结过程完成后，碳、锆及其化合物弥散分布在最终获得的MgB2基超导体中，所获得的MgB2基超导体在3特斯拉以上的背景磁场中具有高的临界电流密度。碳、锆及其化合物弥散分布在最终获得的MgB2基超导体中，使最终形成的MgB2晶粒细化，有效强化了MgB2晶粒连接。本发明可实现MgB2基超导材料的低成本制备，同时引入了第二相粒子，有效改善了MgB2基超导体的磁通钉扎。
具体实施方案一种高临界电流密度MgB2基超导体，其特征在于该超导体为在MgB2基超导体中弥散分布着碳、锆及其化合物，该MgB2基原子比组成为Mg∶Zr∶B∶C＝1-x∶x∶2-x∶x，其中0.05≤x≤0.20。制备步骤为(1)将干燥的镁、硼、锆和碳粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝1-x∶x∶2-x∶x的比例充分混合1-2小时，其中0.05≤x≤0.20；(2)将混合后的粉末施加压力为20-80MPa压制成片或块，然后置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，然后以大于60℃/分钟的升温速率将制得的片或块材加热，在740℃-760℃的温度下保温1-10小时，最后以大于25℃/分钟的冷却速率冷却至室温，制成高临界电流密度的MgB2基片或块材超导体。(4)或者将混合后的粉末装入无缝低碳钢管或铌管，再将这一复合体装入无氧铜管中组装成复合体，再将复合体进行室温冷加工过程，经过旋锻、孔型轧制和拉拔三种加工工艺的综合使用加工成线材，线材的最终截面形状为圆型；将加工到最终尺寸和形状的线材置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，然后以不低于60℃/分钟的升温速率将线材加热，在740℃-760℃的温度下保温1-10小时，最后以不低于25℃/分钟的冷却速率将线材冷却至室温，制成截面形状为圆型的MgB2基超导线材。
下面具体说明符合本发明的技术实例。
实例1将干燥的镁(99％)、硼(99％)、锆(99％)和碳(99％)粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝0.95∶0.05∶1.95∶0.05的比例充分混合2小时。混合后的粉末用油压机压制成直径20mm的块，施加压力为20MPa，然后置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，然后以不低于60℃/分钟的升温速率将线材加热，在740℃的温度下保温10小时，最后以不低于25℃/分钟冷却速率将片或块材冷却至室温，便制成超导转变温度为38.6K，临界电流密度为4.1×104A/cm2(20K，4T)的MgB2基超导体。
实例2将干燥的镁(99％)、硼(99％)、锆(99％)和碳(99％)粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝0.9∶0.1∶1.9∶0.1的比例充分混合1小时。混合后的粉末用油压机压制成直径20mm的片，施加压力为80MPa，然后置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，然后以不低于60℃/分钟的升温速率将片或块材加热，在760℃的温度下保温1小时，最后以不低于25℃/分钟冷却速率将线材冷却至室温，便制成超导转变温度为37.2K，临界电流密度为5.2×104A/cm2(20K，4T)的MgB2基超导体。
实例3将干燥的镁(99％)、硼(99％)、锆(99％)和碳(99％)粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝0.8∶0.2∶1.8∶0.2的比例充分混合1.5小时。混合后的粉末用油压机压制成直径20mm的片，施加压力为60MPa，然后置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，然后以不低于60℃/分钟的升温速率将线材加热，在750℃的温度下保温6小时，最后以不低于25℃/分钟冷却速率将片或块材冷却至室温，便制成超导转变温度为35.3K，临界电流密度为2.0×104A/cm2(20K，4T)的MgB2基超导体。
实例4将干燥的镁(99％)、硼(99％)、锆(99％)和碳(99％)粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝0.95∶0.05∶1.95∶0.05的比例充分混合1小时。将研磨后的粉末装入0.9米长低碳钢管(内径10mm，壁厚1.5mm)中，使粉末在管中达到充实、紧密，然后封闭钢管两端，再将钢管装入1米长无氧铜管(内径13.5mm，壁厚2mm)中。继而，对这一组装的复合体进行旋锻，按照每次0.5mm的道次加工率加工至直径为7mm。然后进行孔型轧制，按照每次1.0mm的道次加工率加工成边长为3mm的方线。将方线按照每次0.2mm的道次加工率加工成直径为1.2mm，长度为50米的线材。将加工后线材置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待达到10-3Pa的真空度后充入纯氩气(＞99％)，然后开始以不低于60℃/分钟的升温速率将线材加热，在750℃的温度下保温3小时，最后以不低于20℃/分钟冷却速率将线材冷却至室温，便制成超导转变温度为35.2K，临界电流密度达到7.0×104A/cm2(25K，1T)的MgB2实用超导复合线材。
实例5将干燥的镁(99％)、硼(99％)、锆(99％)和碳(99％)粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝0.9∶0.1∶1.9∶0.1的比例充分混合1小时。将研磨后的粉末装入0.9米长低碳钢管(内径10mm，壁厚1.5mm)中，使粉末在管中达到充实、紧密，然后封闭钢管两端，再将钢管装入1米长无氧铜管(内径13.5mm，壁厚2mm)中。继而，对这一组装的复合体进行旋锻，按照每次0.5mm的道次加工率加工至直径为7mm。然后进行孔型轧制，按照每次1.0mm的道次加工率加工成边长为3mm的方线。将方线按照每次0.2mm的道次加工率加工成直径为1.2mm，长度为50米的线材。将加工后的线材置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待达到10-3Pa的真空度后充入纯氩气(＞99％)，然后开始以不低于60℃/分钟的升温速率将线材加热，在760℃的温度下保温1小时，最后以不低于20℃/分钟冷却速率将线材冷却至室温，便制成超导转变温度为35.1K，临界电流密度达到7.7×104A/cm2(25K，1T)的MgB2实用超导复合线材。
实例6首先将干燥的镁(99％)、硼(99％)、锆(99％)和碳(99％)粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝0.8∶0.2∶1.8∶0.2的比例充分混合2小时。将研磨后的粉末装入0.9米长低碳钢管(内径10mm，壁厚1.5mm)中，使粉末在管中达到充实、紧密，然后封闭钢管两端，再将钢管装入1米长无氧铜管(内径13.5mm，壁厚2mm)中。继而，对这一组装的复合体进行旋锻，按照每次0.5mm的道次加工率加工至直径为7mm。然后进行孔型轧制，按照每次1.0mm的道次加工率加工成边长为3mm的方线。将方线按照每次0.2mm的道次加工率加工成直径为1.2mm，长度为50米的线材。将加工后线材置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待达到10-3Pa的真空度后充入纯氩气(＞99％)，然后开始以不低于60℃/分钟的升温速率将线材加热，在740℃的温度下保温10小时，最后以不低于20℃/分钟冷却速率将线材冷却至室温，便制成超导转变温度为35.2K，临界电流密度达到5.9×104A/cm2(25K，1T)的MgB2实用超导复合线材。
权利要求
1.一种高临界电流密度MgB2基超导体，其特征在于该超导体为在MgB2基超导体中弥散分布着碳、锆及其化合物，该超导体的原子比组成为Mg∶Zr∶B∶C＝1-x∶x∶2-x∶x，其中0.05≤x≤0.20。
2.根据权利要求1所述的一种高临界电流密度MgB2基超导体，其特征在于该MgB2基超导体为片状或块状。
3.根据权利要求1所述的一种高临界电流密度MgB2基超导体，其特征在于该MgB2基超导体为截面形状为圆型的线材。
4.根据权利要求1和2所述的一种高临界电流密度MgB2基超导体的制备方法，其特征在于制备过程为首先将干燥的镁、硼、锆和碳粉末按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝1-x∶x∶2-x∶x的比例充分混合1-2小时，其中0.05≤x≤0.20；将混合后的粉末施加压力为20-80MPa压制成片或块，然后置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，然后以大于60℃/分钟的升温速率将制得的片或块材加热，在740℃-760℃的温度下保温1-10小时，最后以大于25℃/分钟的冷却速率冷却至室温，制成高临界电流密度的MgB2基片或块材超导体。
5.根据权利要求1和3所述的一种高临界电流密度MgB2基超导体的制备方法，其特征在于制备过程是首先将干燥的镁、硼、锆和碳粉末，按照原子比Mg∶Zr∶B∶C＝1-x∶x∶2-x∶x的比例充分混合1-3小时，其中0.05≤x≤0.20；将混合后的粉末装入无缝低碳钢管或铌管，再将这一复合体装入无氧铜管中组装成复合体，再将复合体进行室温冷加工过程，经过旋锻、孔型轧制和拉拔三种加工工艺的综合使用加工成线材，线材的最终截面形状为圆型；将加工到最终尺寸和形状的线材置于真空退火炉中，于室温下抽真空，待真空度达到10-3Pa后充入纯氩气或氩气与氢气的混合气，然后以不低于60℃/分钟的升温速率将线材加热，在740℃-760℃的温度下保温1-10小时，最后以不低于25℃/分钟的冷却速率将线材冷却至室温，制成截面形状为圆型的MgB2基超导线材。
全文摘要
本发明涉及一种高临界电流密度MgB
文档编号C01B35/04GK1812000SQ20051013272
公开日2006年8月2日 申请日期2005年12月28日 优先权日2005年12月28日
发明者闫果, 冯勇, 卢亚锋, 李成山, 纪平, 吴怡芳, 王庆阳 申请人:西北有色金属研究院