石墨烯掺杂MgB2块材超导性能和微观结构的研究

因为原材料相对低廉,综合制冷成本和材料成本,MgB2在20-25 K,1-3 T的中低磁场范围内应用具有明显的技术优势,有希望在这一工作温区替代传统的低温超导材料和氧化物高温超导材料,应用前景十分广泛。随着超导材料实用化的到来,对MgB2性能的要求也在逐渐提高,而影响它性能的主要因素磁通钉扎强度和晶粒连接性成为了人们的研究重点。本文通过直接掺杂石墨烯、石墨烯包覆硼掺杂、石墨烯丙酮溶液掺杂三种方法,系统研究了石墨烯采用不同方法掺杂时MgB2块材的晶体结构、临界电流密度(Jc)、磁通钉扎性能(Fp)。通过直接掺杂,MgB2在低场下临界电流密度值得到了明显提高,而包覆法和溶液法掺杂石墨烯由于在空气中氧化严重并没有改善MgB2超导性能。     

石墨烯掺杂和烧结温度对MgB_2块体微观结构和超导性能的影响（英文）

采用未掺杂石墨烯的粉末制备MgB_2块体作对比,研究了石墨烯掺杂对MgB_2块材微观结构和超导性能的影响,以及退火温度对石墨烯掺杂MgB_2块材微观结构和超导性能的影响。对烧结后的样品采用XRD,SEM,SQUID进行相组成,微观结构和超导性能等的分析检测。研究发现,石墨烯掺杂明显提高了MgB_2超导材料的临界电流密度,在20 K和1 T磁场下,最大的临界电流密度达到1.8×105A/cm~2。     

马来酸掺杂对MgB_2带材超导性能的影响

采用马来酸掺杂制备了MgB2/Fe超导带材。利用X光衍射、扫描电镜、电测和磁测等手段对样品进行了表征。结果显示,马来酸掺杂显著提高了带材在磁场下的临界电流密度和上临界场。掺杂样品在高磁场下具有良好的临界电流性能主要归因于马来酸分解产生的高活性C对B的替代引起的HC2提高和由晶粒细化而引入的磁通钉扎中心。     

不同包套石墨烯掺杂MgB_2超导线材的性能

分别采用Fe和Nb作为阻隔层包套材料,通过原位粉末装管法(in-situ PIT)制备出石墨烯掺杂的MgB_2/Fe(Nb)/Cu线材和Nb包套未掺杂的MgB_2单芯线材。线材在高纯氩气保护下、670～800℃保温2 h热处理。XRD结果显示,670℃热处理的线材其主相均为MgB_2超导相,其中Fe包套线材中含有Fe_2B杂相。3种线材的微观结构显示,未掺杂线材基体中的孔洞相对较大,而石墨烯掺杂的Fe、Nb包套线材基体中的孔洞相对较小。线材样品的拉伸结果显示,热处理前由于加工硬化,3种线材的拉伸应变值远远低于热处理后的拉伸应变值,其中铁包套线材的硬化最为严重,但无论是否热处理,Fe包套样品的强度都是最大的。样品的四引线法传输性能测试显示,670℃热处理Nb包套掺杂线材的临界电流密度(J_c)在4.2 K,2 T、4 T、6 T范围内均高于Fe包套掺杂线材的J_c,石墨烯掺杂线材(Nb、Fe包套)在2 T具有更好的传输性能,Nb包套掺杂线材的J_c最高可达到4.59×10~5 A/cm~2。当外加磁场大于4 T后,2种包套的掺杂线材的J_c均低于未掺杂的线材,Fe包套样品的超导性能降低更大,显示其掺杂未全部进入晶格,导致其在高场下磁通钉扎作用下降。     

石墨烯掺杂对Cu-Nb复合线材微观结构及性能影响

本文采用粉末套管工艺,结合集束拉拔技术成功制备出了石墨烯包覆铌粉末增强Cu-Nb的7芯复合线材(8#)、及纯铌粉末增强Cu-Nb的7芯复合线材(9#)。通过优化热处理工艺后,线材在塑性加工过程中的断芯现象得到了明显的改善,尤其是石墨烯包覆铌粉末增强Cu-Nb的复合线材(8#),其芯丝分布较为规则和均匀,协调变形能力较好。通过对不同尺寸(Φ2.49mm、Φ2.29mm、Φ2.02mm、Φ1.84mm)的两种线材的微观结构、力学性能及电学性能的分析,结果表明,相比同尺寸条件下纯铌粉增强Cu-Nb线材,石墨烯包覆铌粉末增强Cu-Nb线材的力学性能虽然仅提高了几十个MPa,但其导电性明显增强,接近10 IACS%,最后分析了两种不同尺寸线材的塑性变形机制及引起线材性能变化的微观机理。     

B_(10)C掺杂MgB_2/NbZr/Cu线材的超导性能研究

通过原位法粉末装管工艺制备了B10C掺杂的MgB2/NbZr/Cu超导线材。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜(SEM)、PPMS测试仪等测试手段检测了样品的成相情况、微观结构以及超导电性。结果显示该掺杂对MgB2/NbZr/Cu超导线材的磁通钉扎性能及临界电流密度有一定的影响:750℃/2h的热处理制度能够使C元素成为有效磁通钉扎中心,线材的磁通钉扎性能和超导电性均有所提高。20K时,MgB2/NbZr/Cu超导线材的不可逆磁场Hirr达到5.2T;在20K、2T外磁场条件下,其临界电流密度达到2×104A/cm2。     

冷却速度对高能球磨法制备MgB_2块材的组织及性能影响

研究了不同的冷却速度下,采用高能球磨法制备的MgB2块材的组织结构及性能。研究表明,高能球磨法制备的MgB2块材的晶粒尺寸细小,晶粒呈近等轴状,晶粒连结性较好。冷却速度对MgB2超导体的临界电流密度和磁通钉扎有很大的影响,Jc-B特性曲线呈现鱼尾效应,表明晶界或非超导第二相(富B相)充当了磁通钉扎中心,提高了MgB2超导体在磁场下的临界电流密度。     

MgB_2的超导特性

1 引 言 MgB2是20世纪50年代就早已熟悉的老材料，只是最近才发现它是超导体(Akimitsu, Nagamatsu et al 2001)，它具有简单六方结构，超导转变温度近40K。在BCS理论框架内，低质量元素产生较高频率的声子模，可导致更高的转变温度。过去曾有人预言，最轻的元素，氢，在高压下具有最高的超导转变温度。MgB2的发现再一次证实含有轻元素的化合物具有更高Tc的这一预言。MgB2高达40K的超导转变温度已接近或已高于BCS理论所预言的超导转变温度的理论上限。据统计，自2001年1月10日Akimitsu小组在日本森代的一次会议上报告了MgB2的超…     

不同包套石墨烯掺杂MgB2线材的超导性能研究

分别采用Fe和Nb作为阻隔层包套材料,通过原位粉末装管法工艺(in-situ PIT)制备出石墨烯掺杂的MgB₂/Fe(Nb)/Cu线材和Nb包套未掺杂的MgB₂单芯线材。在高纯氩气保护下、670~800 ℃保温2 h热处理线材。X-ray衍射显示,670 ℃热处理的线材主相均为MgB₂超导相,其中Fe包套线材的MgB₂相中含有Fe₂B杂相。三种线材的微观结构显示,未掺杂线材基体中的孔洞相对较大,而石墨烯掺杂的Fe、Nb包套线材晶粒之间的孔洞相对较小。线材样品的拉伸性能结果显示,热处理前由于加工硬化,三种线材的拉伸应变值远远低于热处理后的拉伸应变值,其中铁包套线材的硬化最为严重,但无论是否热处理,Fe包套样品的强度都是最大的。四引线法传输性能测试显示,670 ℃热处理Nb包套掺杂线材的临界电流密度(J_c)在4.2 k,2 T、4 T、6 T范围内均高于Fe包套掺杂线材的J_c,石墨烯掺杂线材(Nb、Fe包套)在2 T具有更好的传输性能,Nb包套掺杂线材的J_c最高可达到4.5×10₅A/cm₂。大于4 T后,两种包套的掺杂线材的J_c均低于未掺杂的线材,Fe包套样品的超导性能降低更大,显示其掺杂未全部进入晶格,导致在高场失去了磁通钉扎作用。     

多芯MgB_2超导线材的挤压技术及其微观结构研究

为了提高多芯MgB_2超导线材中芯丝相互之间的结合强度和超导芯丝的致密度,将传统的热挤压技术引入到MgB_2线材制备过程中。采用挤压工艺制备180芯导体结构的多芯MgB_2/Nb/Cu超导线材,Φ64mm的复合包套通过单道次挤压工艺加工到Φ20 mm。挤压后的线材通过冷拉拔和中间退火热处理最终加工到Φ0.81 mm。对加工不同阶段的复合线材进行了微观结构分析,发现多芯线材中MgB_2超导芯丝分布良好,Nb阻隔层厚度分布较为均匀,无破损现象。通过该工艺已成功制备出百米量级长度的多芯MgB_2超导线材。该技术为MgB_2超导长线的制备提供了新途径。     

C和SiC掺杂对分步反应法制备MgB_2块体和线材微观结构的影响（英文）

通过两步反应法制备了C和SiC掺杂的MgB_2块材和线材。首先,按一定比例均匀混合Mg粉、B粉和C或SiC粉,压块后在900℃密闭氩气条件下烧结2 h,得到C或SiC掺杂的MgB 4块体;将一次烧结后的MgB_4块体磨碎过筛,和补充的Mg粉混合作为前驱粉末制备MgB_2,MgB_2块体在密闭氩气条件下750℃烧结2 h而MgB_2线材在密闭氩气条件下680℃烧结2 h。同时采用传统的固态烧结法制备了C或SiC掺杂的Mg B2块体以作对比。对烧结后的样品进行了微观结构和相组成等分析检测。分步反应法与以往的固态烧结法相比,不仅因降低了Mg元素的影响而提高样品组织致密性,更因其采用了分步混合粉末而大大地提高了元素掺杂的均匀性。和SiC掺杂相比,C掺杂能更有效地进入MgB_2晶粒和晶界。     

烧结温度对MgB_2超导线材微观结构及超导电性的影响

使用干燥的B粉和Mg粉,采用分步反应法制备了SiC(40～45 nm)掺杂的MgB2/Nb/Cu超导线材。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜,研究了不同烧结温度对所制备样品的相组成、微观结构的影响。采用标准四引线法测定了样品的电阻温度曲线。结果表明:热处理温度对线材的微观结构有显著影响,适宜的热处理温度可提高C原子实际进入晶格取代B原子的数量。在750℃×2 h,C原子替代B的取代分数达3.73%。分步反应法制备MgB2超导线材可有效地引入B位C掺杂,从而提高线材在高磁场下的载流能力。     

混合粉末对先位法MgB_2超导带材性能的影响

将掺杂纳米C或SiC的预烧结粉与镁粉和硼粉进行混合作为先位(ex-situ)粉末套管法(Powder-In-Tube)的填充粉末,制备出MgB2/Fe超导带材。结果表明,掺杂纳米C或SiC样品的临界转变温度均比未掺杂样品的低1.5K左右。纳米C或SiC样品的临界电流密度(Jc)均得到了极大的提高。且在4.2K,8T下,掺杂纳米C样品的Jc最高,约为104A/cm2,比未掺杂样品以及采用商业MgB2制备样品的Jc高约1个数量级。在预烧结过程中纳米C或SiC中的C对B位的有效替代所产生的晶格畸变以及晶粒连接性的提高可能是掺杂样品的Jc提高的主要原因。     

CuAl掺杂对烧结MM-Fe-B磁体的性能和微观结构的影响

利用混合稀土金属(MM=La,Ce,Pr,Nd)制备的MM-Fe-B磁体,矫顽力Hcj较低,因此研究添加不同含量的CuAl以及不同退火温度两种条件对MM-Fe-B烧结磁体的磁性能和微观结构的影响。研究发现,添加CuAl使磁体去交换耦合作用增强,改善了富MM相与主相的浸润性,细化晶粒。在添加质量分数CuAl为0.25%,且退火温度达到470℃时磁性能达到最优,Br=0.944T、Hcj=164.0kA/m和(BH)max=80.6kJ/m3,其中矫顽力Hcj变化最大,与未添加CuAl磁体矫顽力Hcj相比,增长率为44.1%。     

CaCO3掺杂对MnZn功率铁氧体微观结构和性能的影响

采用传统陶瓷工艺制备了Zn16Mn0.73Fe2.11O4铁氧体材料,研究了CaCO3掺杂量对烧结试样微观组织和磁性能的影响.结果表明,适量的掺杂CaCO3能改善材料的微观结构,并且能明显提高材料的磁性能.当掺杂量为0.06wt％时,样品拥有最佳的磁性能,其中μi=-3110,25℃测试的Bs=535 mT,Br=69 mT,HC=11.5 A/m,100kHz、200 mT下测试的PCV～T曲线最低并且平缓,最低损耗PCV=297 kW·m-3.     

石墨烯掺杂和烧结温度对MgB<sub>2</sub>块体微观结构和超导性能的影响

我们采用未掺杂的粉末制备了MgB<sub>2</sub>块体作对比,研究了石墨烯掺杂对MgB<sub>2</sub>块材微观结构和超导性能的影响,研究了退火温度对石墨烯掺杂MgB<sub>2</sub>块材微观结构和超导性能的影响。对烧结后的样品采用XRD,SEM,SQUID进行了相组成,微观结构和超导性能等分析检测。研究发现石墨烯掺杂明显提高了MgB<sub>2</sub>超导材料的临界电流密度,在20 K和1 T磁场下,最大的临界电流密度达到1.8×10<sub>5</sub>A/cm<sub>2</sub>。     

MgB_2掺杂SiC的相变过程

用自蔓延法(SHS)在锥形模具内成功淬熄(CFQ)MgB2掺杂8%SiC的反应.对不同温度区域试样的XRD、SEM、EDS进行分析.结果表明:在527～650℃时Mg和B颗粒接触以扩散方式在表面发生了固—固反应,Mg的表层初次形成MgB2,在650～700℃时,包裹在初次生成的MgB2内部未反应的Mg将熔化,液态Mg的活性大大提高,以扩散、渗透的方式通过初次生成的MgB2层与B原子发生液-固反应,MgB2相界面不断地向B原子方向推进,直到完全形成MgB2;700～750℃时掺杂的SiC大部分与MgB2反应生成Mg2Si,同时有一部分C原子进入到MgB2取代了B原子,并有少量MgB2分解形成MgB4和Mg。在形核结晶过程中由于反应时间短,温度梯度大,部分Mg来不及扩散就重新结晶。     

纯MgB2和碳掺杂MgB2超导块材在酸浸过程中相成分和微观结构的演变

采用X射线衍射仪和扫描电镜系统研究了纯MgB2和碳掺杂MgB2超导块材在的盐酸溶液中(pH=2)酸浸后的相成分和微观结构演变过程.XRD结果显示,纯MgB2和碳掺杂MgB2超导块材均迅速与盐酸反应而分解.分解反应在5 h后完全结束,主要的固态产物是B(OH)3和MgCl2(6H2O).SEM结果显示,纯MgB2和碳掺杂MgB2超导块材与酸反应都是从晶界处开始,与纯MgB2块材相比,碳掺杂MgB2块材在与酸反应后仍保持致密的结构特征.而对酸浸10 min后纯MgB2和碳掺杂MgB2块材的临界超导转变温度测定结果显示,碳掺杂MgB2块材的临界超导转变温度保持不变,说明碳掺杂可提高MgB2在酸中的稳定性.     

TiC掺杂12芯MgB2线材微观结构以及超导电性

采用 PIT工艺,以分步法粉末为装管前驱粉,选用中心铜铌复合棒增强的导体结构制备了TiC掺杂MgB2多芯线材,研究了不同热处理温度对于粉末相组成、线材的微观结构以及超导电性的影响,结果表明分步法粉末能够有效提高C原子的取代水平,同时芯丝中MgB2晶粒尺寸达到亚微米级,MgB2晶粒连结性较好,制备多芯线材在4.2 K,5 T时,其Jc仍高达3×104 A/cm2。     

电流密度对超临界石墨烯电铸层微观结构与性能的影响

为获得电流密度对于超临界石墨烯复合铸层微观结构和力学性能的影响规律,在超临界二氧化碳流体(SCFCO_2)环境下进行了镍基石墨烯复合电铸试验,采用扫描电镜、数显式显微硬度计、微摩擦磨损试验机、光学轮廓仪等对镍基石墨烯复合电铸层进行表征。结果表明:当电流密度从3 A/dm~2逐渐增大至9 A/dm~2时,石墨烯复合电铸层的显微硬度、耐磨性呈持续增大趋势;当进一步增大电流密度时,复合电铸层显微硬度和耐磨性开始降低。在压力为10 MPa,温度为52℃,电铸时间为50 min,电流密度为9 A/dm~2时,石墨烯复合电铸层的显微硬度达到最大860 HV0.2,磨痕截面积最小1 145μm~2,石墨烯含量达最大0.713%。与普通电铸条件相比,SCF-CO_2电铸条件制备的石墨烯复合电铸层显微硬度和耐磨性分别提高了1.25倍和1.31倍。