专利名称：层状二硼化镁晶体组织及合成方法
技术领域：
本发明涉及层状二硼化镁晶体组织及合成方法，为合成具有更佳超导性能MgB2晶体组织的新技术，属于超导技术领域。
背景技术：
二硼化镁(MgB2)是2001年发现的第二类超导体，虽然它的超导转变温度(39K)与高温超导体相比并不算很高，但它以其自身的优点引起了科学家对其基础物理性质及其应用可能性的广泛关注。与铜氧化物高温超导体相比，MgB2具有如下显著优势⑴各向异性小，超导电性能稳定；(2)超导电流基本不受晶界连接性限制，穿晶损耗非常低；(3)相干长度更大，易于引入磁通钉扎中心并提高其超导电性；⑷原材料价格低廉，容易加工和制成块材、薄膜及线材。 尽管MgB2很大程度上可代替甚至超过铜氧化物高温超导材料在超导轴承、储能、发电机以及磁悬浮等领域的使用，但是其较弱的临界电流密度(J。)大大限制了 MgB2超导体的广泛推广和应用。因此，如何提高MgB2超导体的载流能力逐渐成为研究热点。最新研究表明单一的MgB2因缺乏足够的磁通钉扎中心而导致其J。值随外磁场的增加而急剧降低，改善MgB2块材的磁通钉扎特性已成为提高其载流能力的重要途径。世界各地的研究小组积极尝试采用辐照、化学掺杂和球磨处理等方法来增强其磁通钉扎能力。这些方法的确明显提高了的临界电流密度，特别是高磁场下的临界电流密度。但这些试样的载流能力仍然达不到实际应用要求，有待进一步提高。根据超导理论，第二类超导体的临界电流密度受两个关键因素的影响晶间连接性的好坏和磁通钉扎中心的多少。包括前述各种改善MgB2磁通钉扎能力的方法在内，目前大部分研究只是集中在如何提高磁通钉扎中心，而往往忽略甚至牺牲晶间连接性，这本身也限制了 MgB2超导体J。值的进一步提高。晶间的连接性不仅受到试样中孔洞、杂质相和缺陷等外在因素的影响，更是由MgB2本身的晶体形态组织和结晶程度等内在因素决定。因此，发展一种技术通过设计和控制MgB2超导体的晶体组织以改善晶间连接性，则有利于提高MgB2的载流能力，推进它们实用化进程。
发明内容
本发明合成了一种与MgB2传统高温烧结晶体组织不同的新型MgB2晶体组织，MgB2晶体沿c轴有明显的取向排列，呈现出典型的层状晶体组织。该组织的晶间连接性与传统闻温烧结晶体组织相比有大幅度提闻。本发明的一种层状二硼化镁晶体组织，其六方的MgB2晶体在c轴方向上呈现出层状排列；在X射线图谱上，Cu粉的添加在低温烧结条件下形成了宽化的液相峰，Mg-Cu共晶液相，使MgB2晶粒的形核-长大环境由原来的完全固相变成局部液相；其c轴方向上晶面衍射峰的相对强度高于传统烧结合成的随机排列的MgB2晶体组织c轴方向上晶面衍射峰强度；在c轴上的相对织构度达到12%以上。
具体技术方案如下本发明的层状二硼化镁晶体组织MgB2晶体组织合成方法，将Mg粉、Cu粉和B粉按Mg Cu B=1 0. 04、. 10 2的原子比例在玛瑙研钵或行星式球磨机中充分混合和研磨2(Γ60分钟，然后在flOMPa的压力下制成薄片，最后将薄片放入高温差示扫描量热仪或者管式烧结炉进行低温烧结，升温速率1(T4(TC /min，升至50(T6(KrC后，在此温度保温烧结
2 10个小时，然后以1(T40°C /min的冷却速度降至室温。本发明的主旨是通过掺杂Cu粉末在低温烧结条件下形成Mg-Cu共晶液相(见图I，Mg和Cu第一共晶点的温度远低于Mg的熔点，大概在485 °C左右)，促进MgB2的低温形成，并改变MgB2晶体的低温形核-长大环境。由图2给出的575°C烧结保温试验的原位X-射线图谱可以看出，与传统的未添加Cu的MgB2试样相比，Cu的添加使MgB2晶粒的形核-长大环境由原来的完全固相变成局部液相(见图2 (b)中Cu添加原位X-射线图谱的液相宽化峰)，这将促使MgB2晶体生长模式发生改变。通过进一步控制Cu的添加量来调节该局部液相在整个烧结体中所占的比例，最终适量Cu的添加可形成一种层状的MgB2晶体组织，如图 3(a)和(b)所示。从该微观组织形貌图片中还可以发现，六方的MgB2晶体主要是在c轴方向上呈现出层状排列。图4给出了传统高温烧结工艺和本技术发明中使用的Cu添加低温烧结工艺制备的两种MgB2试样的X-射线衍射图谱。其c轴方向上的(001) (1=1或者2)晶面的衍射峰相对强度明显高于传统MgB2晶体衍射峰根据这些X-射线衍射数据(见图4)，利用公式α 001= Σ Icicil/ Σ Ihkl (其中Icicil为c轴方向上晶面的相对强度之和，Ihkl为MgB2所有衍射峰相对强度之和)，可以估算出c轴方向上的织构取向度。据此，得到Cu添加低温烧结MgB2S样和传统高温烧结MgB2试样的c轴方向的织构度分别为12. 3%和7. 9%。织构度通常用来表示晶体在某些方向上择优排列的程度。一般来说某个方向上的织构度数值越高，说明该方向上晶体择优取向排列越明显。所以以上计算结果表明，Cu添加低温烧结MgB2S样与传统高温烧结试样相比在c轴方向上有更明显的取向排列，这与微观组织形貌中观察到的c轴方向上的层状MgB2晶体组织一致。与传统高温烧结工艺形成的MgB2晶体组织相比，本发明制备的层状MgB2晶体组织表现出更低的电阻率和更好的晶间连接性，其晶间连接性大于传统MgB2晶体组织的两倍(见图5和表I)。若辅以上述引入磁通钉扎中心的技术，则将会有利于进一步提高MgB2的载流能力，促进它的实际应用。表I低温烧结层状MgB2与高温烧结MgB2电阻特性(其中AT。为超导转变宽度； 为超导转变开始温度；Αβ和細8为40和300Κ时的电阻率(μ Ωαιι) ；RRR为剩余电阻
率，Af为横截面有效载流面积比率，它们的数值可有效表征晶间连接性，数值越高，晶间连接性越好)
权利要求
1.一种层状二硼化镁晶体组织，其特征是六方的MgB2晶体在C轴方向上呈现出层状排列；在乂射线图谱上，Cu粉的添加在低温烧结条件下形成了宽化的液相峰，Mg-Cu共晶液相，使MgB2晶粒的形核-长大环境由原来的完全固相变成局部液相；其c轴方向上晶面衍射峰的相对强度高于传统烧结合成的随机排列的MgB2晶体组织c轴方向上晶面衍射峰强度；在c轴上的相对织构度达到12%以上。
2.权利要求I的层状二硼化镁晶体组织MgB2晶体组织合成方法，其特征是将Mg粉、Cu粉和B粉按Mg Cu B=1 0. 04、. 10 :2的原子比例在玛瑙研钵或行星式球磨机中充分混合和研磨2(Γ60分钟，然后在2 10MPa的压力下制成薄片，最后将薄片放入高温差示扫描量热仪或者管式烧结炉进行低温烧结，升温速率1(T4(TC /min，升至50(T6(KrC后，在此温度保温烧结2 10个小时，然后以1(T40°C /min的冷却速度降至室温。
全文摘要
本发明涉及层状二硼化镁晶体组织及合成方法；将Mg粉、Cu粉和B粉按比例在玛瑙研钵或行星式球磨机中充分混合和研磨，在2～10MPa的压力下制成薄片,最后将薄片放入高温差示扫描量热仪或者管式烧结炉进行低温烧结，升温至500～600℃后，保温然后降至室温。晶体组织六方的MgB2晶体在c轴方向上呈现出层状排列；在X射线图谱上，Cu粉的添加在低温烧结条件下形成了宽化的液相峰，Mg-Cu共晶液相，使MgB2晶粒的形核-长大环境由原来的完全固相变成局部液相；其c轴方向上晶面衍射峰的相对强度高于传统烧结合成的随机排列的MgB2晶体组织c轴方向上晶面衍射峰强度；在c轴上的相对织构度达到12%以上。
文档编号C01B35/04GK102718230SQ20121015641
公开日2012年10月10日 申请日期2012年5月17日 优先权日2012年5月17日
发明者刘永长, 姜华, 蔡奇, 马宗青 申请人:天津大学