銅活化二硼化鎂低溫燒結機制及超導電性.pdf

1、制備具有高臨界電流密度的二硼化鎂超導體是當前超導研究的熱點，近幾年發(fā)展起來的低溫燒結技術為顯著改善臨界電流密度提供了可能。由于低溫燒結過程中原子在固相中擴散緩慢，MgB2的合成一般都需要很長時間才能完成，因此尋找一種低廉有效的方法來提高燒結效率，在低溫條件下快速合成具有更高臨界電流密度的MgB2超導材料成為目前亟待解決的問題。在此背景下，本文首先闡明了低溫條件下MgB2的活化燒結機理和摻雜機制；以此為指導，把有效碳摻雜和球磨自氧化技術成

2、功地應用到Cu活化燒結MgB2的低溫制備中；利用這兩種新技術在低溫下快速合成具有優(yōu)異臨界電流密度的MgB2超導體，基本可滿足應用要求。上述研究包含的主要內容及獲得的結論有：
　　 綜合采用原位X-射線衍射和掃描示差量熱分析方法對Mg-B體系從低溫到高溫燒結全過程進行了探究，其后結合等溫動力學分析重點闡明了低溫成相動力學機理。結果表明，Mg-B體系低溫固相反應是由可變的動力學機制控制，反應剛開始階段活化的Mg和B原子較少，反應速率

3、比較慢，該階段主要為相界面控制的反應過程；隨著反應的進行，生成的MgB2層越來越厚，Mg的擴散變得越來越困難，此時一維擴散成為控制性環(huán)節(jié)。上述動力學機理導致反應激活能隨著反應進行先減小而后增大。
　　 系統(tǒng)研究了不同金屬(Cu、Sn和Ag)添加對MgB2低溫燒結效率的影響，據此澄清了金屬活化低溫燒結MgB2的機理，并提出了金屬活化劑選取的判據。結果表明：在Mg-Cu-B體系中，Cu首先與Mg在485℃左右形成Mg-Cu共晶液相，

4、它可為Mg向B的擴散提供快速通道，降低MgB2相的生成溫度，促進MgB2的生成。添加Cu的MgB2燒結過程符合活化燒結機理。Ag和Sn的添加均能形成低溫液相，明顯提高MgB2低溫燒結效率，但對MgB2低溫燒結效率的提高比添加Cu弱。結合活化燒結機理分析確定了微量Cu作為最佳活化劑。
　　 結合微觀組織形貌觀察和超導性能測試全面分析了在低溫和高溫燒結條件下活化劑Cu對MgB2微觀組織和超導性能的影響?；罨瘎〤u在MgB2燒結過程中

5、能夠有效減少MgO雜質的生成，提高低磁場下的臨界電流密度。在較低的燒結溫度下，局部Mg-Cu液相的生成能夠溶解和包覆部分Mg顆粒，隔絕了它們與氣態(tài)氧原子或者固態(tài)含氧物質的接觸，因此可以減少它們的氧化。燒結溫度在Mg的熔點以上時，Cu的加入可明顯降低Mg熔體的蒸氣壓，減少Mg的揮發(fā)和氣化Mg原子的數量，最終減少了因氣化Mg原子與保護氣氛中殘余氧氣反應生成的MgO雜質的數量。不同添加量的Cu活化低溫燒結制備的MgB2塊體的顯微組織形態(tài)差別明

6、顯。適量Cu添加可以生成層狀MgB2晶體組織，它取決于活化劑Cu添加后形成的Mg-Cu液相燒結環(huán)境。在該液相燒結環(huán)境中，MgB2晶體能夠以二維形核長大的機制最終形成層狀組織。與傳統(tǒng)高溫燒結形成的典型MgB2晶體組織相比，層狀MgB2晶體組織具有更優(yōu)異的晶間連接性。
　　 為了進一步提高Cu活化低溫燒結制備的MgB2的載流能力，本文還系統(tǒng)分析了低溫引入碳摻雜的機制，提出了碳摻雜在Cu活化低溫燒結過程中有效引入的判據。研究表明，碳基

7、化合物低溫引入碳摻雜的關鍵是能夠在MgB2相生成之前或者同時釋放出活性足夠高的C。釋放C的活性決定了低溫引入碳摻雜的有效性。據此分析了納米SiC和葡萄糖的低溫引入碳摻雜機制的可行性：在燒結過程中，納米SiC在低溫下通過疊加反應釋放出活性足夠高的C，形成有效碳摻雜；葡萄糖低溫分解釋放出的活性C相對較少，低溫時很難形成有效碳摻雜。在Cu活化低溫燒結中能夠引入有效碳摻雜的碳基化合物應該不與Cu反應，不破壞Cu的活化燒結作用。反過來，Cu的活化

8、燒結也能夠促進或者是至少不阻礙該碳基化合物低溫有效引入碳摻雜。根據此條件，選取了納米SiC為合適摻雜劑，在低溫活化燒結中快速合成了碳摻雜MgB2塊體。無論是在低磁場中還是在高磁場中，其臨界電流密度值都有明顯的提高。
　　 除了引入碳摻雜以外，還嘗試使用球磨處理和Cu活化燒結相結合的方法來進一步提高低溫燒結效率和相應的臨界電流密度。在這個過程中，發(fā)現(xiàn)短時間球磨后粉末的微量氧化不僅不惡化臨界電流密度，反而會提高高場下的臨界電流密度大

9、小。在系統(tǒng)分析該現(xiàn)象的基礎上總結出球磨自氧化引入MgO摻雜的機制，并把這一機制應用到Cu活化低溫燒結MgB2中，最終發(fā)現(xiàn)其在中低磁場下的載流能力有了更優(yōu)異的表現(xiàn)。究其原因，一方面球磨自氧化機制可以促進Cu活化低溫燒結，提高燒結試樣的致密度，使得MgB2晶粒排列緊密，有些甚至呈層狀排列，這些因素都顯著優(yōu)化了MgB2的晶間連接性；另一方面球磨自氧化機制在細化MgB2晶粒的同時還可引入大量均勻分布的納米MgO顆粒，顯著增加了有效磁通釘扎中心。