掺杂改善MgB_2超导体晶间连接性和磁通钉扎性能研究

【摘要】：自2001年发现MgB_2的超导电性以来,关于MgB_2的界面组织和电学性能已经有了多重形式的研究。然而,作为一种在具有广阔应用前景的材料,MgB_2在高场下的临界电流密度还远远不够。所以目前研究的重点是如何提高MgB_2的晶间连接性和增加更多的钉扎中心来提高在高场下的临界电流密度。 本研究主要采用掺杂Cu和Al来提高MgB_2的晶间连接性和磁通钉扎性能。Cu掺杂的机制是Cu与Mg反应生成稳定的化合物MgCu_2,填充了MgB_2的晶间空隙来改善MgB_2的组织形态,同时可作为一种有效的钉扎中心。相比于Cu掺杂,Al掺杂则是直接进入MgB_2的晶体结构,替代Mg的位置,引起晶格畸变,从而产生有效的钉扎中心。 由于MgB_2的晶间连接性与制备工艺有很大的关系,在不同参数下进行了MgB_2粉末和块材的制备。在Cu掺杂下的MgB_2粉末制备中,通过Cu掺杂比例,烧结温度,保温时间的改变,以及在不同表面积的不锈钢网上烧结进行分析,得到了两个具有良好的晶间连接性的烧结参数: Mg : B :Cu=1.1:2:0.1,600°C+5h保温和750°C+2h保温,额外的10%Mg增加了熔融Mg的流动以及弥补了烧结中Mg的挥发。Al含量的增多会造成更剧烈的晶格畸变,Mg的含量会影响组织中的相成分。Mg:B:Al=1:2:0.1,750°C+2h保温是一个良好的试验参数。 在MgB_2块材的制备中,对质量和密度等宏观物理性质进行了分析。质量和密度都有不同比例的减小,而体积却相对增加。原因在于烧结过程中Mg的挥发和应力释放。Cu掺杂的块材在高温下晶界模糊,在750°C可以获得良好的相纯度和晶粒间连接性。Al掺杂的块材在高温下会有杂质相生成,晶粒长大明显,晶格畸变加剧,在低温下能够表现出良好的六方棱柱形态。 由于Cu与Mg的两种不同掺杂机制,本实验还尝试了将Cu与Al共掺杂到MgB_2中,然而在Cu,Al,Mg共同存在的区域,出现了杂质相,初步判定为Al_2Mg和Al_4Cu_6,这些杂质相的存在势必会影响MgB_2的电学性能。如果能够使它们的晶粒尺寸小于MgB_2的相干长度,这些杂质相会成为有效的钉扎中心。 对共掺杂样品的超导临界转变温度表明,临界温度主要受Al相对含量的影响,在临近超导区域,由于超导涡流态的影响,出现二次临界温度转变的线性变化,表明共掺杂改善了材料的磁通钉扎性能。