一种二硼化镁线材或带材的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种二硼化镁超导材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]自从2001年发现超导转变温度高达39K的新型超导体二硼化镁以来，各国科学家对其进行了深入的研宄。由于其具有超导相干长度较长、较高的上临界场、晶界不存在弱连接、结构简单、成本低廉等优点，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，在制备高性能二硼化镁线材或带材的方法中，原位(in-situ)粉末套管(Powder-1n-Tube)技术比较简便实用，但是其临界电流密度Jc (超导电流除以超导芯的面积)比较低，虽然通过多种途经如高能球磨、提高原始粉末质量、纳米掺杂等技术来提高钉扎力和临界场，但是Jc仍然没有达到实际应用水平。
[0003]研宄发现，粉末套管法制备的超导芯的致密化程度比较低是导致其超导性能低的主要原因。为了解决上述问题，研宄人员又采用中心镁棒扩散法制备MgB2线材(Giunchi G, Ripamonti G, Perini E, Cavallin T and Bassani E 2007IEEE Trans.Appl.Supercond.172761)，该方法可以使得镁扩散到硼粉中形成反应层，从而有效的提高了二硼化镁超导反应层的致密化程度，进而使得其临界电流密度得到了显著提高。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，从而使得其工程临界电流密度Je，即超导电流除以整根超导线的总面积，大幅下降。只有去除或者尽量缩小孔洞的面积，那么样品的工程临界电流密度才会明显提升，才能满足实际应用的需求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种二硼化镁超导线材或带材的制备方法。本发明将中心镁棒扩散法制备的超导线材在保温阶段施加机械压或者气压，消除或者减少镁棒扩散到硼层后在样品中心产生的空洞，在提高超导芯致密度的同时减小超导线材或带材的总面积，从而不仅提高1882超导线材或带材的临界电流密度还能显著提高其工程临界电流密度。
[0005]本发明工艺步骤如下:
[0006](I)将镁棒装入金属管中央，在镁棒和金属管间隙中填充硼粉或硼粉与掺杂物的混合物，两端封口后经旋锻、拉拔或孔型轧制成单芯线材；将两根以上单芯线材装入金属管内再经旋锻、拉拔或孔型轧制成多芯线材；
[0007](2)在惰性气氛下加热，加热温度范围为400_950°C，保温时间为0.1_100小时。并在保温阶段对线材直接进行机械加压或者对线材两端密封后施加气压，压强为lkPa_5Gpa，使得中心镁棒与其四周的硼粉反应，生成二硼化镁超导线材或带材。
[0008]所述机械加压方式为两面或四面加压，加压模具材质为石墨、金属或者金刚石。
[0009]所述的镁棒纯度为90-99.99999% ;硼粉纯度范围为90% -99.9999%，硼粉粒径为10纳米-50微米；掺杂物种类为金属材料、无机非金属材料或有机物中的一种或两种以上，掺杂物纯度范围为90 % -99.9999 %，无机掺杂物质的粒径范围为10纳米-50微米，掺杂物与硼粉的重量比不超过50%，两种以上掺杂物之间的比例为任意配比。
[0010]所述的掺杂物中金属材料包括Mg、Cu、Ag、Sn、T1、Zr、Pb、In、Fe ;无机非金属材料包括 SiC、MgO、MgB2、MgB4,ZrSi2, ZrB2、WSi2、S12、S1、TiC、NbC、TaC、HfC、Y2O3、Dy2O3、Ho2O3、B4C ;有机物包括碳单质、碳氢化合物和碳水化合物。
[0011]所述的金属管种类为金属单质或合金，且金属管为单层或者双层以上的复合管。
[0012]所述步骤(2)中采用机械加压烧结后生成二硼化镁超导带材，采用气体加压烧结后生成二硼化镁超导线材。
【附图说明】
[0013]图1常压烧结二硼化镁超导线材的截面图；
[0014]图2气体加压烧结二硼化镁超导线材的截面图；
[0015]图3机械加压烧结二硼化镁超导带材的截面图；
[0016]图4机械加压和常压烧结二硼化镁超导样品的工程临界电流密度曲线图；
[0017]图5气体加压和常压烧结二硼化镁超导样品的工程临界电流密度曲线图。
【具体实施方式】
[0018]实施例1
[0019]将纯度90%的镁棒装入铁管的中心，并在镁棒和铁管之间的间隙填充硼粉，所述硼粉的纯度为90%，粒径为50微米。铁管两端封口后经旋锻、拉拔成单芯线材。在Ar气氛下对单芯线材加热，加热温度为400°C，保温时间为100小时，并在保温阶段将单芯线材直接放在金刚石模具中进行四面加压，压强为5GPa，得到二硼化镁超导带材。
[0020]实施例2
[0021]将纯度99.99999%的镁棒装入钽管的中心，并在镁棒和钽管之间的间隙填充硼粉和纳米碳及丙酮的混合物。所述硼粉的纯度为99.99999%，且粒径为10纳米；所述纳米碳的纯度为99.99999%，粒径为5nm ;所述丙酮的纯度为分析纯；纳米碳和丙酮的质量比为1:1 ;纳米碳和丙酮的混合物占硼粉质量的50%。钽管两端封口后再装入铜管中，经孔型轧制成单芯线材。然后将该单芯线材截成等长的7段，装入蒙乃尔合金管中经孔型轧制成7芯线材，将7芯线材两端完全焊接密封，在He气氛下加热，加热温度为950°C，保温时间为0.1小时。并在保温阶段对7芯线材进行气体加压，压强为lkPa，得到二硼化镁超导线材。
[0022]实施例3
[0023]将纯度99.99999%的镁棒装入铌管的中心，在镁棒和铌管之间的间隙填充上硼粉和纳米SiC的混合物。所述硼粉纯度为99.99999%，且粒径为10纳米。所述纳米SiC的纯度为99.9999%，粒径为5nm。所述纳米SiC占硼粉质量的0.1%。铌管两端封口后经拉拔成单芯线材。然后将该单芯线材截成等长的6段，将6段单芯线材和一根与截短后的单芯线材直径相等、长度相等的铜棒一起装入铜管中，铜棒位于铜管的中心。将铜管拉拔，制成6芯线材。再将所述的6芯线材截成等长的6段，再和一根与截短后的6芯线材直径相等、长度相等的铜棒一起装入铜管中，铜棒位于中心位置。继续将铜管拉拔成36芯线材。之后，再将36芯线材截成等长的6段，和一根与截短后的36芯线材直径相等、长度相等的铜棒一起装入铜管中，铜棒位于最中央。继续将铜管拉拔成216芯线材。然后将216芯线材截成等长的6段，和一根与截短后的216芯线材直径相等、长度相等的铜棒一起再装入铜管中，铜棒位于中心。将铜管继续拉拔成1296芯线材。将1296芯线材在Ne气氛下加热，加热温度为950°C，保温时间为0.1小时，并在保温阶段将1296芯线材直接放在耐高温金属模具中进行四面加压，压强为lkPa，得到二硼化镁超导带材。
[0024]实施例4
[0025]将纯度99%的镁棒装入银锰镍合金管的中心，并在镁棒和银锰镍合金管之间的间隙填充硼粉和甲苯的混合物。所述硼粉的纯度为99%，粒径为50微米。所述甲苯的纯度为分析纯，甲苯占硼粉质量的0.1%。将银锰镍合金管两端封口后经孔型轧制成单芯线材，然后将该线材截成等长的19段，继续装入银锰镍合金管中，经孔型轧制成19芯线材。再将19芯线材截成等长的19段，装入银锰镍合金管中孔型轧制成361芯线材。再将该361芯线材截成等长的19段，装入银锰镍合金管中孔型轧制成6859芯线材。将该6859芯线材两端焊接密封，在N2气氛下加热，加热温度为400°C，保温时间为100小时，并在保温阶段对6859芯线材进行气体加压，压强为5GPa，得到二硼化镁超导线材。
[0026]实施例5
[0027]将纯度99.5%的镁棒装入不锈钢管的中心，并在镁棒和不锈钢管之间的间隙填充硼粉和镁粉的混合物。所述硼粉的纯度为99.5%，粒径为I微米。所述镁粉的纯度为99.5%，粒径为I微米。镁粉占硼粉质量的15%。不锈钢管的两端封口后经孔型轧制、拉拔成单芯线材。然后将该单芯线材截成等长的19段，装入铜管中经孔型轧制、拉拔成19芯线材。将该19芯线材两端焊接密封，在Ar气氛下加热，加热温度为700°C，保温时间为0.5小时，并在保温阶段对19芯线材进行气体加压，压强为2GPa，得到二硼化镁超导线材。
[0028]实施例6
[0029]将纯度99.95%的镁棒装入铁管的中心，并在镁棒和铁管之间的间隙填充硼粉和纳米碳的混合物。所述的硼粉纯度为98.5%，粒径为30纳米；所述的纳米碳纯度为99.95%，粒径为20纳米；所述的纳米碳占硼粉质量的4.8%。将铁管两端封口后经拉拔成单芯线材。然后将该线材截成等长的7段，装入蒙乃尔合金管中经拉拔成7芯线材，将该7芯线材两端完全焊接密封，在Ar气氛下加热，加热温度为650°C，保温时间为5小时，并在保温阶段将7芯线材进行气体加压，压强为200MPa，得到二硼化镁超导线材。
[0030]实施例7
[0031]将纯度99.95%的镁棒装入铁管的中心，并在镁棒和铁管之间的间隙填充上硼粉和纳米碳的混合物。所述的硼粉纯度为98.5%，粒径为30纳米；所述的纳米碳纯度为99.95%，粒径为20纳米。纳米碳占硼粉质量的2.9%。铁管两端封口后经拉拔成单芯线材，在Ar气氛下热处理该单芯线材，加热温度为650°C，保温时间为5小时。并在保温阶段将单芯线材直接放在石墨模具中进行两面加压，压强为lOOMPa