高临界电流密度的MgB块材掺杂研究

摘要

由于较高的超导转变温度(Te)，原材料廉价和无弱连接效应，MgB2超导材料被认为有可能取代传统的Nb基超导材料，在制冷机工作温区(20 K~30 K)有可能成为工业化应用的超导材料，特别是在核磁共振成像(MRI)。缺乏合适的钉扎中心和较低的上临界场(Hc2)阻碍MgB2在20 K温区大规模工业应用。引入纳米级缺陷、细化MgB2晶粒和改善晶粒间的连接性是提高MgB2临界电流特性的有效途径。本文选择化学掺杂作为主要的研究手段引入有效钉扎中心，提高MgB2超导体的载流能力。 第一章简要介绍了MgB2超导材料的研究背景，分析了目前所存在的主要问题，提出了本文的研究目标和研究内容。第二章回顾了超导电性的基本内容和MgB2超导体的发现过程，着重介绍了MgB2超导体钉扎性能的研究情况以及其它相关物性，并详细回顾了MgB2化学掺杂的研究现状。第三章介绍了本文中用于制备MgB2超导材料的制备方法，并简单介绍测量相关的表征手段。 第四章研究两种不同的热处理工艺(淬火、预热)MgB2超导电性和显微结构的影响。结果显示淬火有助于细化晶粒，提高样品的临界电流密度；预热在一定程度上提高MgB2样品的致密度和磁通钉扎力，其中随炉升温600℃预热1h再升至750℃保温0.5h后淬火的样品自场Jc达到0.586×106A/cm2，不可逆场Hirr超过7T，20K下在0.8T达到最大钉扎力Fpmax。 第五章研究了在MgB2超导体中A1，C两种元素共同掺杂时对样品的超导性能的影响。研究发现，Al掺杂比C掺杂对超导电性有更强的抑制作用。当A1、C共掺时，A1的掺杂作用减缓C掺杂对Te的抑制作用。A1，C共掺和单独掺C的两组样品中掺C都有相似的行为特性。 第六章首先研究了柠檬酸掺杂对MgB2超导电性及临界电流密度的影响。研究发现，柠檬酸掺杂可以有效的提高MgB2超导体在高场下的临界电流密度(Jc)，但同一般的C掺杂类似，柠檬酸掺杂会导致超导转变温度(Tc)下降，所以在高温下柠檬酸掺杂对Jc的提高并不是非常明显。临界电流密度和钉扎力性能的分析表明，柠檬酸掺杂可以有效的提高MgB2在高场下的性能。在10K，4T条件下15％掺杂的样品得到了最优的结果，其临界电流密度值达到了1.2×104A/cm2，要远高于没有掺杂的样品。但是当掺杂量进一步增加到20％时临界电流密度反而出现了下降，因而柠檬酸的最优掺杂可能在15-20％之间。山梨酸掺杂也得到类似的结果。总之，虽然碳水化合物掺杂MgB2超导体，稍微了降低了超导转变温度，但明显的增大了C，B取代的水平，不可逆场Hirr，上临界场Hc2，提高了高场下的临界电流密度Jc，细化了晶粒，降低了烧结温度，减少了杂相的生成。碳水化合物廉价，容易获取，采用化学溶解法以碳水化合物为载体掺杂C到MgB2晶格中具有可行性，是一个新的C掺杂的方式，具有重大的科研意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景

1.2主要研究内容

1.3本文结构

第2章文献综述

2.1引言

2.2超导电性概述

2.3 MgB2的晶体结构

2.4 MgB2的超导电性

2.4.1超导转变温度Tc

2.4.2临界电流密度Jc和磁通钉扎

2.4.3原料对MgB2超导电性的影响

2.5MgB2超导电性的影响因素

2.5.1碳掺杂的影响

2.5.2碳氢化合物掺杂

2.5.3物理场的作用

2.5.4热处理的影响

2.6本章小结

第3章实验方法和MgB2超导体性能表征

3.1MgB2块材制备

3.1.1固相反应法

3.1.2粉末装管技术(PIT)

3.1.3机械合金化法

3.1.4化学溶液法

3.2表征手段

3.2.1晶体结构和显微结构

3.2.2超导性能表征

3.3本章小结

第4章热处理对MgB2超导电性和显微结构的影响

4.1引言

4.2实验

4.3结果和讨论

4.3.1淬火的影响

4.3.2预热的作用

4.4本章小结

第5章Al，C共掺对MgB2超导电性的影响

5.1引言

5.2实验

5.3结果和讨论

5.4本章小结

第6章碳氢化合物掺杂

6.1柠檬酸掺杂

6.1.1实验

6.1.2结果和讨论

6.1.3小结

6.2山梨酸掺杂

6.2.1实验

6.2.2结果和讨论

6.2.3小结

6.3本章小结

总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目及发表的论文