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MgB2超导材料制备讲述
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R-T特性曲线 1911年荷兰著名低温物理学家昂纳斯(H.K.Onnes)发现在T=4.1k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R-T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=H0[1-(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Ⅱ类超导体,下临界磁场为20~30mT,上临界磁场则可高达39T,可用作超强磁体。 2.3MgB2 的优点 MgB2 的优点 价格便宜、重量轻和较柔软,易于加工超导。 转变温度Tc高, 比原先一些金属间化合物的约高20K 制造工艺可借助于Bi系带材的制造工艺-粉末套管法,工艺成熟 MgB2 材料由Mg和B两种元素组成, 制作中组成元素发生变动可能性小, 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,高压合成在提高材料的密度上具有很大优势,而且反应
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