高临界电流密度二硼化镁超导材料研究

摘要

二硼化镁(MgB2)作为一种新型的实用“磁体级”超导材料，在医用核磁共振超导磁体(MRI)和强磁场磁体应用方面有着广泛的前景；但是，由于缺少有效的磁通钉扎中心和多孔性特征，较低的临界电流密度(Jc)性能已成为制约该材料及其相关技术发展的“瓶颈”。本文围绕MgB2超导体Jc性能过低的特点，深入研究高密度MgB2超导体的制备方法以及不同类型掺杂剂共同掺杂的MgS2线带材，完成的主要工作和取得的主要结论如下：
　　 ⑴提出了一种新型的少量Mg粉预添加的扩散法制备MgB2超导块材，发现该方法制备的MgS2超导体具有致密性高、MgO杂质含量低、超导相均匀和晶界钉扎性能良好等一系列优点。采用该方法制备的石墨掺杂MgB2超导体，在5K、7T下Jc可以达到纳米C、碳纳米管等掺杂同样的水平，约2×104A/cm2；当2wt.％石墨掺杂时，在10K、自场下Jc达到5.8×105A/cm2，明显优于普通固相反应法制备的样品的性能。另外，利用该方法我们还进行了纳米Pr6O11掺杂研究，发现Pr6O11掺杂后可以加快Mg的扩散，降低Mg/B的反应温度和时间，提高MgB2超导体的Jc和不可逆场(Hirr)；
　　 ⑵系统研究了固相反应法制备的MgB2超导体性能，并首次在常压下制备得同时具有“致密无孔”和“纳米晶粒尺寸”特征的MgB2超导体。首先，通过不同Mg/B化学计量比对MgB2超导体磁通钉扎性能的影响，发现适量的Mg不足有利于提高Jc性能；当MgxB2中x=0.90～0.95时，Jc和磁通钉扎性能最好。其次，我们研究了纳米稀土氧化物掺杂的MgB2超导体性能，发现纳米Pr6O11掺杂后，Pr原子可以少量的替代MgB2晶格中的Mg原子，从而造成Tc轻微的下降，以及Jc、Hirr和磁通钉扎性能一定程度的提高；另外文中对过渡族铁磁性元素掺杂显著抑制MgB2的超导电性、而强顺磁性的稀土元素掺杂则不导致MgB2超导电性下降的机理给出了合理的解释。最后，文中以预处理后的无定形硼粉作为原料，通过控制残余甲苯的量，在常压下制备出了同时具有“致密无孔”和“纳米晶粒尺寸”特征的MgB2超导体；通过优化条件，使得纯的MgB2超导块材的密度提高到1.8～1.9g/cm3，该超导体的Hirr在20K时达到5.1T，Jc在10K、7T时超过1000A/cm2。
　　 ⑶研究了金属Ti和纳米SiC共同掺杂的MgB2带材Jc性能，并发现金属Ti掺杂后可以显著改善纯的和SiC单独掺杂的MgB2带材输运Jc性能。对于纯的MgB2带材，当10wt.％Ti掺杂、热处理条件为660℃/1h时Jc性能达到最佳，Ti掺杂对Jc的改善作用尤其体现在较低的磁场下。与SiC掺杂相比，Ti+SiC共同掺杂带材Jc性能提高了50～100％，如：660℃/1h热处理时，在4.2K、10T下，10mol％SiC掺杂带材Jc=4150A/cm2；而5wt.％Ti+10mol％SiC共掺带材Jc=7885 A/cm2。
　　 ⑷通过对几种“不同类型”掺杂剂的共同掺杂研究，发现它们对MgB2超导带材Jc性能的提高可以起到累积效果。首先，文中研究了有机溶剂辅助混合掺杂的MgB2带材的超导性能，并发现采用乙基苯溶剂辅助混合可以系统提高纯的、Ti掺杂、SiC掺杂和Ti+SiC共同掺杂的MgB2带材Jc性能。其次，对苹果酸掺杂、C9H11NO掺杂、苹果酸+纳米SiC共同掺杂、苹果酸+C9H11NO共同掺杂以及Ti+C9H11NO共同掺杂等进行了系统性的研究，发现“不同类型”掺杂剂共同掺杂后，它们对MgB2带材Jc性能的影响可以达到累积效果，比如：660℃/1h热处理的样品，10wt.％苹果酸掺杂时Jc=7900A/cm2，5mol％SiC掺杂时Jc=9900A/cm2，而10wt.％苹果酸+5mol％SiC共同掺杂时Jc=14100A/cm2；600℃/4h热处理样品，10wt.％苹果酸掺杂时Jc=11300A/cm2，4wt.％C9H11NO掺杂时Jc=9200A/cm2，而10wt.％苹果酸+4wt.％C9H11NO共同掺杂时Jc=14900A/cm2。最后，文中研究了MgH2为原料的MgB2带材在“不同类型”掺杂剂共同掺杂后的性能，也证实了上述结论。