MgB2超导材料制备

1、MgB2 超导材料的制备目录一、超导材料概述二、MgB2 超导材料的介绍三、MgB2 超导材料的制备四、结束语一、超导材料概述 1.1超导材料 超导材料，是指具有在一定的温度条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。 1.2超导材料的特性 （1）零电阻效应 材料在一定温度以下，其电阻为零的现象。超导体的RT特性曲线 1 9 1 1 年 荷 兰 著 名 低 温 物 理 学 家 昂 纳 斯（H.K.Onnes）发现在T4.1k下汞具有超导电性。采用“四引线电阻测量法”可测出超导体的RT特性曲线，如图所示。 （2）迈斯纳效应 1933年，迈斯纳（W.Meissner）发现：当置于磁场中的导体

2、通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外（见下图），超导体内磁感应强度变为零这表明超导体是完全抗磁体，这个现象称为迈斯纳效应。 （3）同位素效应 超导体的临界温度TC与其同位素质量M有关。M越大，TC越低，这称为同位素效应。M与TC有近似关系：TCM1/2=常数。 （4）约瑟夫森效应 当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层，超导电子（对）能通过极薄的绝缘层，这种现象称为约瑟夫森（Josephson）效应，相应的装置称为约瑟夫森器件。如图所示。 1.3基本临界参考量 临界温度：外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料

3、不同而异。 临界磁场：使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T的关系为Hc=H01-(T/Tc)2，式中H0为0K时的临界磁场。 临界电流和临界电流密度：通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。二、MgB2 超导材料的介绍 2.1MgB2的发现 MgB2超导体的发现是日本青山学院大学四年级学生永松纯在其毕业论文研究中偶然得出的。 当时作Mg-Ti-B三元相图实验中发现了少量的超导信号,进一步减少Ti的含量后,超导体的体积分数突然增加,最

4、终判明Mg与B的中间化合MgB2是超导体原形。 2.2MgB2 的结构 MgB2为AlB2 型六方晶格结构，B原子呈石墨蜂窝型排列，Mg原子则呈一定规律插入在B原子间，空间群为P6/mmm。MgB2是典型的第类超导体，下临界磁场为2030mT，上临界磁场则可高达39T，可用作超强磁体。 2.3MgB2 的优点价格便宜、重量轻和较柔软价格便宜、重量轻和较柔软, ,易于加工超导。易于加工超导。转变温度转变温度TcTc高高, , 比原先一些比原先一些金属间化合物的约高金属间化合物的约高20K20K制造工艺可借助于制造工艺可借助于BiBi系带材系带材的制造工艺的制造工艺- -粉末套管法，工粉末套管法，

5、工艺成熟艺成熟MgBMgB2 2 材料由材料由MgMg和和B B两种元素组两种元素组成成, , 制作中组成元素发生变动制作中组成元素发生变动可能性小可能性小, , 过程稳定性提高。过程稳定性提高。MgB2 强电领域弱电领域块材带材薄膜 2.4MgB2 材料的形式三、MgB2 超导材料的制备 3.1MgB2带材的制备 工艺流程：前驱粉体 制备 填充至 管体拉拔轧制退火成型PIT 法制备MgB2带材的工艺流程 PIT 为powder-in-tube 的缩写。PIT 法可分为两种方法： 原位法（in situ）和离位法（ex situ） , 前者采用Mg+2B 混合粉末作为PIT 导体的内芯, 粉末

6、相互作用形成MgB2; 后者的PIT 导体内芯充填MgB2粉末。 ex situ 过程: MgB2 粉末在金属管内压实后经挤压或旋镦、拉拔和轧制, 随着超导体内芯的变形程度增加, 会使超导临界电流密度值Jc 增加。另外, 经变形后采取退火处理能进一步改进超导制件的Jc 值。 in situ 过程: Mg 和B 粉通过反应扩散形成MgB2相, 其反应式为: Mg+ 2(B)MgB2 3.2MgB2块材的制备 MgB2块材的合成方法一般有固相反应法、扩散法、高压合成法和液相烧结法等。 固相反应法流程如下： 为避免固相反应法所得样品内部松散的缺点，衍生了高压合成法。与常压合成方式相比，高压合成在提高

7、材料的密度上具有很大优势，而且反应通常在密闭容器内进行，可以有效地抑制组分的挥发以及氧化，且有利于化学反应速率的提高，尤其适用于单相MgB2的制备。镁粉、硼粉1 2 混合保护气体中充分 球磨均匀压制成块烧结得到块材 扩散法与PIT 法有相似之处，工艺如下：将未经混合的镁粉与硼粉装入金属管，轧制成带状，通过某种方式将带的头尾端封闭，高温下反应，最后冷却、剥离，得到带状的MgB2块材。值得注意的是，Mg的熔点约648 ，B的熔点约2300 ，后者远高于前者，所以该反应其实是液态Mg 与固态B 反应。反应最初在镁粉与硼粉的表面发生，随后镁粉缓慢扩散，逐渐在硼粉内层生成MgB2相，因此利用该法制备块材

8、时需较长的热处理时间。3.3MgB2薄膜的制备 尽管超导薄膜的应用不如超导带材广泛，但其在弱电领域仍有着广泛的应用。制备薄膜的传统方法或是制备其他超导薄膜的方法一般都可用来制备MgB2薄膜。本处仅对电子束蒸发法、HPCVD、共蒸发法和溅射法进行介绍。 电子束蒸发法：利用电子束加热坩埚中的材料，使其熔融或升华气化，并在基底上冷凝得到薄膜的过程。通过水冷，可以避免蒸发材料与坩埚壁发生反应,由此可制备出高纯度MgB2 薄膜，原理如图所示. K.Yonekura等以高纯镁块（99.9%）与硼（99.5%）为原料，在低于510-7 Pa 的压力下，利用电子束蒸发法在铝基底上沉积了250 nm厚的MgB2

9、薄膜，基底与MgB2之间用B作为缓冲层。结果表明，利用电子束蒸发法制备的MgB2薄膜性能优于PIT 法制备的材料性能。 混合物理化学气相沉积法( HPCVD)：将物理气相沉积和化学气相沉积组合一起制作MgB2 薄膜。采用硼烷B2H6 和H2 的混合气作气相硼源, 加热块状镁来获得镁蒸汽, 总压力保持1313 9311kPa ( 100 700Toor ) , 基材被加热至1003 1033K。在这样条件下, MgB2 薄膜将在基材上形成。 共蒸发法（Co-evaporation）：即利用不同或同种方式使不同材料同时挥发，以气态原子或分子反应后，在基底上得到目标产物。Y.J.Lim 等采用共蒸发法在钨线上制备了MgB2/W复合材料。以镁块（纯度99%）和硼靶（纯度99.99%）为原材料，利用射频磁控溅射法和热蒸发法，使Mg 和B 同时挥发。 溅射法（Sputtering）：即在高真空条件下充入Ar，在阴阳极间施加数百千伏直流电（以靶材为阴极），Ar 电离产生Ar+，在磁场作用下，Ar+高速撞向靶材，原子逃离靶材，沉积到基底上。溅射法具有膜层致密、均匀，结合力好等优点。四、结束语 MgB2超导材料是超导发展史中一个重要的发现，其组分简单，合成原料丰富且成本低，在超导磁体领域已有应用实例。超导技术能否发展，最