专利名称：含碳的MgB的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种含碳的MgB2超导材料及其制备方法。
背景技术：
MgB2是2001年发现的新型超导材料，具有较高的转变温度、较大的相干长度、较高的上临界场、晶界不存在弱连接、结构简单、成本低廉等特点。这些应用上的优点使MgB2成为应用在20K-30K温度范围的材料最有力的竞争者。然而，目前制备的MgB2材料的临界电流密度与低温超导体和A15超导体相比还比较低。临界电流密度是决定一种超导材料能否大规模应用的关键特性，薄膜或块状MgB2超导体在零场下具有较高的临界电流密度(在4.2K时，JC＞106A/cm2；在20K时，JC＞5×105A/cm2)，但在一定的磁场中，MgB2临界电流密度随着磁场强度的增加而急剧的减小，表现出较低的不可逆场，如纯MgB2超导体在20K下的不可逆场值仅为4-5T。MgB2超导体具有如此低的不可逆场的主要原因就在于MgB2超导体中缺乏有效钉扎中心，这就导致在高场下的MgB2超导体的临界电流密度较低，影响了MgB2超导体在高温(＞20K)高场(＞4T)下的实际应用。因为实际应用中要求材料可以在高磁场以及液氦或者其它商业冷却系统环境中工作，因此提高MgB2超导材料的磁通钉扎能力是MgB2超导材料实用化的一个必须解决的问题。
碳由于具有和硼相近的原子直径，类似的电子层结构等特点被人们视为掺杂(替代)研究的热点。目前的实验结果已经表明，碳掺杂(替代)会大幅度提高MgB2块材的不可逆场，同时使得MgB2块材的临界电流密度也得到提高，这为通过掺杂来提高MgB2材料的性能提供了一种新的掺杂物质。但是关于碳掺杂提高MgB2线带材性能方面的报道却很少。这一方面与掺杂用的碳原料有关，另一方面与线带材的加工热处理工艺有关。这影响了MgB2材料实用化方面的进一步研究。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有MgB2超导材料性能的不足，提供一种具有高性能的MgB2超导材料及其制备方法。
本发明的MgB2超导材料组分为Mg、B和C，其组成摩尔比为Mg∶B∶C＝(0.8-0.975)∶(1.6-1.95)∶(0.025-0.2)。
本发明的制备方法如下。
本发明在原料Mg粉，B粉中加入纳米C粉(原料纯度均为市售化学纯)，其组成的摩尔比为Mg∶B∶C＝(0.8-0.975)∶(1.6-1.95)∶(0.025-0.2)。
将Mg粉，B粉，纳米C粉按照摩尔比(0.8-0.975)∶(1.8-1.95)∶(0.025-0.2)配制并混合均匀，装入铁管，铁铜复合管或者其它金属管中密封后以一定的变形率5％～20％按顺序先后进行旋锻、拉拔或轧制，得到含C的MgB2超导线材或带材。或者将混合均匀的原料粉用压片机进行压片，得到含C的MgB2超导块材。将得到的线带材或块材放在真空炉中，抽真空后充入氩气，在600℃-1000℃保温0.5-2小时，最终得到含有C的MgB2超导材料。
化学掺杂可以增大MgB2晶体的结构缺陷，引入钉扎中心以及改善晶粒间的连接性，从而减弱MgB2超导材料对磁场的依赖性，达到提高MgB2临界电流密度的目的。可以本发明通过优化加工工艺，先旋锻提高密度，再拉拔、轧制进一步提高密度，细化晶粒，并通过掺杂纳米C，在MgB2晶格中引入缺陷，这些都可以增强MgB2材料的磁通钉扎能力。而且由于C的原子半径为0.077nm，接近B原子半径0.097nm，掺杂后对MgB2超导转变温度影响较小，从而减小了由超导转变温度降低产生的对MgB2临界电流密度的负面作用。
本发明方法制备的MgB2超导带材采用标准四引线法(以1μV/cm为标准)测量得到的临界电流密度在4.2K，10T条件下达到1.85×104A/cm2，在4.2K，14T条件下达到2.8×103A/cm2，且重复性很好。不但在世界上首先利用碳掺杂制备MgB2超导带材获得较好的试验结果，而且得到的试验数据已经接近世界最好水平(4.2K，10T条件下，电流密度达到2.5×104A/cm2)[Matsumoto A等，Effect of impurity additions on the microstructuresand superconducting properties of in-situ processed MgB2tapes，Supercond.Sci.Technol.17(2004)S319-S323)]。纳米碳掺杂制备MgB2超导带材不但成本费用远低于Matsumoto A等人的产品，而且通过优化制备工艺，碳掺杂MgB2超导材料的性能还可以进一步得到提高。
具体实施例方式
实例1制备(MgB2)0.95C0.05超导带材。将Mg粉，B粉，纳米C粉按照摩尔比0.95∶1.9∶0.05准确称量并混合均匀，装入直径为8毫米的铁管中密封后以10％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔、轧制，得到宽3.7毫米，厚0.5毫米的带材。将带材在流动气氛的氩气真空炉中750℃保温1小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含C的MgB2超导带材。采用标准四引线法测量，制得的带材的临界电流密度在4.2K，10T条件下达到1.85×104A/cm2，在4.2K，14T条件下达到2.8×103A/cm2。
实例2制备(MgB2)0.975C0.025超导带材。将Mg粉，B粉，纳米C粉按照摩尔比0.975∶1.95∶0.025准确称量并混合均匀，装入直径为8毫米的铁管中密封后以10％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔、轧制，得到宽3.1毫米，厚0.5毫米的带材。将带材在流动气氛的氩气真空炉中650℃保温1小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含C的MgB2超导带材。采用标准四引线法测量，制得的带材的临界电流密度在4.2K，10T条件下达到1.5×104A/cm2，在4.2K，14T条件下达到1.6×103A/cm2。
实例3制备(MgB2)0.8C0.2超导线材。将Mg粉，B粉，纳米C粉按照摩尔比0.8∶1.6∶0.2准确称量并混合均匀，装入直径为8毫米的铁管中密封后以5％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔，得到直径为0.8毫米的线材。将线材在流动气氛的氩气真空炉中900℃保温0.5小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含C的MgB2超导线材。
实例4制备(MgB2)0.95C0.05超导带材。将Mg粉，B粉，纳米C粉按照摩尔比0.95∶1.9∶0.05准确称量并混合均匀，装入直径为8毫米的铁管中密封后以15％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔、轧制，得到宽4毫米，厚0.5毫米的带材。将带材在流动气氛的氩气真空炉中800℃保温0.5小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含C的MgB2超导带材。
实例5制备(MgB2)0.95C0.05超导带材。将Mg粉，B粉，纳米C粉按照摩尔比0.95∶1.9∶0.05准确称量并混合均匀，装入直径为8毫米的铁管中密封后以20％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔，得到直径1.0毫米的线材。将带材在流动气氛的氩气真空炉中600℃保温1小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含C的MgB2超导线材。
实例6制备(MgB2)0.8C0.2超导带材。将Mg粉，B粉，纳米C粉按照摩尔比0.8∶1.6∶0.2准确称量并混合均匀，装入直径为8毫米的铁管中密封后以10％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔、轧制，得到宽5毫米，厚0.5毫米的带材。将带材在流动气氛的氩气真空炉中700℃保温1.5小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含C的MgB2超导带材。
实例7制备(MgB2)0.8C0.2超导线材。将Mg粉，B粉，纳米C粉按照摩尔比0.8∶1.6∶0.2准确称量并混合均匀，装入直径为8毫米的铁管中密封后以10％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔，得到直径为1.5毫米的线材。将带材在流动气氛的氩气真空炉中650℃保温1小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含C的MgB2超导线材。
实例8制备(MgB2)0.975C0.025超导带材。将Mg粉，B粉，纳米C粉按照摩尔比0.975∶1.95∶0.025准确称量并混合均匀，装入直径为8毫米的铁管中密封后以5％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔、轧制，得到宽3毫米，厚0.5毫米的带材。将带材在流动气氛的氩气真空炉中700℃保温0.5小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含C的MgB2超导带材。
实例9制备(MgB2)0.975C0.025超导带材。将Mg粉，B粉，纳米C粉按照摩尔比0.975∶1.95∶0.025准确称量并混合均匀，装入直径为8毫米的铁管中密封后以15％的变形率按顺序进行旋锻、拉拔、轧制，得到宽3毫米，厚0.5毫米的带材。将带材在流动气氛的氩气真空炉中600℃保温1.5小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含C的MgB2超导带材。
实例10制备(MgB2)0.95C0.05超导块材。将Mg粉，B粉，纳米C粉按照摩尔比0.95∶1.9∶0.05准确称量并混合均匀，用压片机进行压片后在常压氩气氛中进行烧结，在800℃保温2小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含C的MgB2超导块材。
实例11制备(MgB2)0.8C0.2超导块材。将Mg粉，B粉，纳米C粉按照摩尔比0.8∶1.6∶0.2准确称量并混合均匀，用压片机进行压片后在常压氩气氛中进行烧结，在1000℃保温1.5小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含C的MgB2超导块材。
实例12制备(MgB2)0.9C0.1超导块材。将Mg粉，B粉，纳米C粉按照摩尔比0.9∶1.8∶0.1准确称量并混合均匀，用压片机进行压片后在常压氩气氛中进行烧结，在900℃保温1小时，然后在真空炉中冷却至室温，得到含C的MgB2超导块材。
以上实例说明本发明可以制备性能很好的线带材，这为MgB2超导材料实际应用提供了材料基础。
权利要求
1.一种含碳的MgB2超导材料，其特征在于其组分为Mg、B和C，其组成摩尔比为Mg∶B∶C＝(0.8-0.975)∶(1.6-1.95)∶(0.025-0.2)。
2.一种制备权利要求1所述的含碳的MgB2超导材料的方法，其特征在于，将Mg粉，B粉，纳米C粉按照摩尔比(0.8-0.975)∶(1.8-1.95)∶(0.025-0.2)配制并混合均匀，装入铁管，铁铜复合管或其它金属管中密封后，以5％～20％的变形率按先后顺序进行旋锻、拉拔、轧制，得到含C的MgB2超导线材和带材；或者将按上述比例混合均匀的Mg粉，B粉，纳米C粉进行压块，得到含C的MgB2超导块材；然后将制得的线带材或块材放置真空炉中，抽真空后充入氩气，在600℃-1000℃保温0.5-2小时，最终得到含有C的MgB2超导材料。
全文摘要
一种含碳的MgB
文档编号C01B35/04GK1986407SQ20051013071
公开日2007年6月27日 申请日期2005年12月23日 优先权日2005年12月23日
发明者张现平, 马衍伟 申请人:中国科学院电工研究所