专利名称：一种高温超导材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种超导材料及其制备方法，特别涉及一种高温超导材料及其制备方法，确 切地说是一种化学式为SmO!-xFxFeAs(0《x《0. 4)高温超导材料及其制备方法。二、 背景技术超导现象于1911年由荷兰人昂纳斯教授发现，至今已有近百年的历史。当一种材料进 入超导状态时，主要表现出两种特征现象 一个是零电阻现象，另一个是完全排磁通现象。 正是由于超导体具有以上两种特性，使其应用前景非常广泛，例如利用其零电阻特性可以制 成强磁场线圈以提供强磁场，超导磁体的应用范围也很广泛，如在固体物理研究、高能物理、 受控核聚变反应堆、发电机、电动机、变压器、磁流体发电机、电磁推进装置以及医学人体 核磁共振成像装置等许多方面，而完全排磁通现象也已经应用于磁悬浮列车中。如此广泛 的应用前景使得人们对其机理和应用的研究的热情空前高涨。但是，在超导材料的应用方 面，传统超导体的临界温度都比较低(<23K)，这成为限制其应用的不利因素。而在超导理 论方面，著名的BCS超导理论也预言了超导体的临界温度不会超过40K，这对于超导现象的 应用无疑是雪上加霜。1986年，瑞士苏黎世IBM研究室学者J. G. Bednorz和K. A. Muller共同发现高临界 温度的铜氧化合物超导体，其超导温度达到35K (-238'C)，并且在随后的相关研究中发现 在该类铜氧化合物材料中其超导温度最高可达到130K (-143°C)，该温度已经突破了液氮温 度(77K)。正是由于高温超导铜氧化合物的发现，使得人们再一次看到了 "室温超导"的可 能性，并且其对传统的超导理论也带来巨大的冲击。高温超导铜氧化合物的发现到现在也已 经有二十多年的历史了，到目前为止，该类材料是唯一的超导临界温度突破40K的超导材料。 但是其超导的机理仍然悬而未决，并且最大超导临界温度也停滞在130K。现在，人们正在 努力探索新的高温超导体，目的是进一步提高超导临界温度，并且为超导的机理研究带来更 多的可用的信息。最近，东京工业大学界面研究中心教授细野秀雄等2008年2月18日宣布，在含铁的氧 磷族元素化合物(LaOFeAs)中发现了超导电性，其最高临界温度为32K (-241. 15°C)。这无 疑又是一次对超导科学界的冲击，人们正期待在该类材料中能发现更高的超导临界材料。三、 发明内容本发明借鉴LaOFeAs这一超导材料，旨在提供一种超导临界温度(Tc)更高的新的超导材料，所要解决的技术问题是遴选新的稀土元素取代镧(La)并进行掺杂，同时构建相应的 制备方法。本发明所称的高温超导材料是化学式为SmO^FJeAs,所示的化合物，其临界超导温 度Tc为0 53K，式中X取自0 0. 4。本高温超导材料的制备方法是先制备前驱物，再制备目标物，包括混合、焙烧和冷却， 所述的前驱物为砷化钐(SmAs)，取纯度99. 99%的Sm粉和纯度99. 99%的As粉，在无氧和水 分含量小于或等于lppm的气氛中研磨混合均匀，压制成片置于容器中，然后在真空度小于 或等于10—3Pa的条件下升温至500 65(TC焙烧3~10小时，再继续升温至800 95(TC焙烧 5~10小时，最后冷却出料。用前驱物同三氟化钐(SmF3)、铁(Fe)、砷(As)和氧化铁(Fe203) 制备目标物，具体方法是将SmAs粉同纯度99. 99%的SmF3粉和纯度98%的Fe粉，纯度99. 99% 的As粉以及纯度99%的Fe203粉按比例在无氧和水分含量小于或等于lppm的气氛中研磨混合 均匀并压制成片，包覆钽(Ta)膜片后置于容器中，在真空度小于或等于10—3Pa的条件下升 温至1000 120(TC焙烧40 60小时，再降至室温，剥离Ta膜便得到目标物。所述的按比例 是指各原料的摩尔比，即SmAs : SmF3 : Fe : Fe203 : As: (l-x)/3 : x/3 : (l+2x)/3 : (l-x)/3 :x/3，式中X取自0-0.4，所述的升温和降温是按l~8°C/min的速率升温和降温， 优选2~6°C/min.无氧条件是用惰性气体隔绝空气形成的，所述的惰性气体选自高纯的氩气或氦气或氮气 或C02气体。隔绝空气的作用是防止单质Sm和As的氧化，严格控制水分含量旨在防止SmF3 的吸湿、潮解。包覆Ta膜片旨在防止高温条件下容器物质(内壁)参与的不良反应。本材料用稀土 Sm取代La，并在氧位上掺杂氟离子，是除高温超导铜氧化合物系列之外， 具有最高超导临界温度的、新型的铁砷系列高温超导材料。通过Sm替换La后超导临界温度 Tc从2服显著提高到53K， Sm(O， F)FeAs是目前铁砷系列高温超导材料中具有最高超导临界 温度的材料,其超导临界温度为53K，这已经打破了 BCS理论预言常规超导体超导临界温度 Tc不可能超过40K的理论值，同时它也大于具有最高超导临界温度TC=39K的非铜氧化合物超 导体MgB2。同时此材料的优点是具有很高的临界温度以及很高的临界磁场，将具有比MgB2 等材料更为广阔的应用前景。这还将有利于进一步帮助理解铜氧化合物高温导体的物理机制 以及强关联体系中的一些基本物理，为理论工作者提供了挑战和实验题材。 四
图1是Sm0卜fJeAs材料样品1的Meissner效应，在超导临界温度Tc以下，超导材料体 现一个Meissner态，即磁化率体现为负值，这磁化率开始转变的温度Te=43K是跟2图电阻 转变的中点是一致的。图2是SmOhFxFeAs材料样品1的电阻率曲线，电阻开始明显下降的温度为44K，在将 近40K时电阻已经降到零。同时测量了不同磁场下的电阻，发现7特斯拉对这个材料的超导 临界温度没有明显的影响，这说这种材料的临界磁场非常的大。图3是SmOhF,FeAs材料样品2的电阻率曲线，电阻开始明显下降的温度为52K，在将 近48K时电阻已经降到零。 五具体实施方式
1、前驱物SraAs的制备在隔绝空气的高纯氩(99.999%)气氛下，并且H20含量小于lppm，把Sm粉(99. 99%)和 As粉(99. 99%)充分研磨均匀，并压制成片，然后放入石英管中，将其抽至真空度小于10-3Pa， 密封后将石英管放入马伏炉中。以每分钟2~6摄氏度速率升温至500~650度保温3~10小 时，然后再以每分钟2~6摄氏度速率升温至800-950度保温5~10小时，最后随炉冷却至室 温，将反应物从石英管中取出后即完成前驱物制备过程。2 、目标物SmOkFJeAs的制备在隔绝空气的高纯氩(99. 999%)气氛下，并且H20含量小于lppm，将制备好的前驱物SmAs 粉末、SmF3粉末(99.99%)、 Fe粉末(98%)、 Fe2。3粉末(99%)、 As粉末(99.99%)按照化学 计量SmAs : SmF3 : Fe : Fe203 :As= (l_x)/3 : x/3 : (l+2x)/3 : (1-x)/3 :x/3，混合研 磨均匀，并压制成片，再用Ta膜片包裹好放入石英管中抽真空至真空度小于10—3Pa，密封 后将石英管放入高温管式炉中。以每分钟2-6摄氏度速率升温至1000 1200度保温40 60 小时，再以2~6°C/min降至室温，将反应物从石英管中取出后即完成最终化合物的制备过程。当Xi. 15时，制备的为样品l，当xi.2 0.3时，制备的为样品2。
权利要求
1、一种高温超导材料，其特征在于以化学式SmO1-xFxFeAs所示的化合物，其临界超导温度0～53K，式中X取自0～0.4。
2、 由权利要求1所述的高温超导材料的制备方法，先制备前驱物，再制备目标物，包括 混合、焙烧和冷却，其特征在于所述的前驱物为SmAs，取纯度为99. 99%的Sm粉和As粉 在无氧和水分含量《lppm的气氛中研磨混合均匀并压制成片，然后在真空度《10—3Pa的条件 下升温至500 65(TC焙烧3~10小时，再继续升温至800 95(TC焙烧5~10小时后冷却；所 述的目标物的制备是将SmAs粉、纯度99. 99%的SmF3粉、纯度98%的Fe粉、纯度99%的Fe203 粉和纯度99.99%的As粉按SmAs : SmF3 : Fe : Fe203 : As=(l-x)/3 : x/3 : (l+2x)/3 : (l-x)/3 :x/3的摩尔比在无氧和水分含量《lppm的气氛中研磨混合均匀并压制成片，包覆 Ta膜片，然后在真空度《10—3Pa的条件下升温至1000 120(TC焙烧40~60小时，再降至室 温；所述的升温和降温是按1 8tVmin的速率升温和降温。
3、 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于:升温和降温的速率为2 6'C/min。
全文摘要
一种高温超导材料，是化学式SmO<sub>1-x</sub>F<sub>x</sub>FeAs所示的化合物，Tc 0～53K，式中0≤X≤0.4。其制备方法是先制备前驱物，再制备目标物，前驱物为SmAs，由高纯的Sm粉和As粉在无氧和低水分的气氛中混合均匀并压片，然后在高真空条件下于500～650℃焙烧3～10小时，再升温至800～950℃焙烧5～10小时后冷却得到，用前驱物同高纯的SmF<sub>3</sub>粉、Fe粉、Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>粉和As粉按比例在无氧和低水分的气氛中混合均匀并压片，包覆Ta膜片后在高真空条件下于1000～1200℃焙烧40～60小时，降至室温后剥离Ta膜片便得到目标物。
文档编号C04B35/622GK101265099SQ20081002363
公开日2008年9月17日 申请日期2008年4月11日 优先权日2008年4月11日
发明者刘荣华, 刚 吴, 涛 吴, 房岱峰, 红 陈, 陈仙辉 申请人:中国科学技术大学