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《西南交通大学》 2011年
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高临界电流密度二硼化镁超导材料研究

潘熙锋  
【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”。 本论文围绕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MgB2线带材,完成的主要工作和取得的主要结论如下: (一)文中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MgB2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); (二)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1000 A/cm2。 (三)文中首次研究了金属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=4150 A/cm2;而5wt.%Ti+10 mol%SiC共掺带材Jc=7885 A/cm2。 (四)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+CgH1iNO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。C/lh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1 0wt.%苹果酸+5mmo1%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。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TM265

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