镍掺杂对MgB2相的形成及超导性能的影响

摘要

随着人们对掺杂MgB2超导体研究的不断深入,掺杂元素对MgB2的成相过程及超导性能的影响具有越来越重要的指导意义。本文首先采用传统的固相反应法对纯MgB2进行烧结并确定最佳的工艺参数。在此基础上,选取不同粒度的金属Ni作为掺杂对象,结合显微组织观察、差热分析技术、粉末烧结理论,热力学和动力学分析手段,系统研宄了Ni的颗粒大小对MgB2相的形成、微观形貌以及超导电性的影响。另外,以金属Ni纳米颗粒作为催化剂,在B基体上沉积单质碳并掺入MgB2超导体,试图通过纳米相的引入来增加磁通钉扎中心,以提高MgB2的临界电流密度值。上述研究包含的主要内容及获得的结论有:
　　 利用高精度差热分析仪对Mg和B的混合粉末进行烧结处理,并分析不同升温速率(5、10、20和30 K/min)对MgB2相的形成过程产生的影响。临界电流密度测试结果表明,以5 K/min的加热速率烧结可以促进MgB2在低温下的反应过程,进而提高MgB2晶粒间的连接性,改善高磁场下MgB2的临界电流密度值。然而,高的升温速率(30K/min)容易导致孔隙率的增加和MgB2晶粒间连接性的恶化,从而使得MgB2样品的超导性降低。
　　 同样采用热分析手段,进一步研究了Ni掺杂对MgB2体系成相过程的影响,结果表明:在Ni掺杂的MgB2体系烧结过程中,Mg和Ni在506℃下形成共晶液相,大大提高了Mg和B原子的扩散速率,使大部分MgB2颗粒在固相阶段形成。Mg-Ni-B体系的反应模型表明,MgNi2.5B2相的析出是从MgB2晶粒边界处转至晶粒内部。
　　 实验选取不同粒度的金属镍粉对MgB2超导体进行掺杂,通过研究粒度对MgB2的成相过程以及化学成分的影响,进一步比较不同条件下超导性能的变化,以研究第二相颗粒大小在其中所起作用。结果表明:小尺寸镍颗粒可以促进第二相MgNi2.5B2在更低的温度下形成。在镍粒度为10μm的掺杂样品中,MgNi2.5B2相颗粒呈螺旋状沿MgB2晶粒内部析出,进一步揭示了MgB2晶体的生长符合螺旋位错的生长机制。临界电流密度测试表明,临界电流密度大小与第二相颗粒的大小相关,较大的MgNi2.5B2相颗粒更容易导致临界电流密度值的降低。
　　 利用还原法在B基体上成功制备出金属Ni纳米颗粒,通过与Mg粉的混合烧结制得了掺杂Ni纳米颗粒的MgB2超导体。对前驱体粉末和MgB2样品进行透射电镜观察、X-射线衍射以及超导性能测试后发现:在B基体上形成了平均晶粒直径为5纳米的Ni纳米颗粒,与大颗粒Ni掺杂相比,更能够改善MgB2晶粒间的连接性,提高低磁场下MgB2超导体的临界电流密度值。
　　 以Ni纳米颗粒作为催化剂,利用化学气相沉积法在500℃下将甲烷分解并在B基体上沉积生成碳洋葱及碳纳米管。经过与Mg粉混合烧结得到碳掺杂的MgB2超导体,并获得了具有较高临界电流密度的超导试样,结果表明:B基体中沉积的碳含量随着通甲烷时间的延长逐渐增多,但是在1.5小时达到一个饱和值,此后的碳含量维持不变。由于碳原子层的包裹,使得Ni无法与Mg/B反应生成第二相MgNi2.5B2。但是提高的临界电流密度表明,碳包覆Ni纳米颗粒可以作为有效的磁通钉扎中心。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 超导体的基本特性

1.2.1 零电阻效应

1.2.2 完全抗磁性

1.2.3 同位素效应

1.2.4 临界磁场和临界电流

1.2.5 BCS理论及超导体的分类

1.2.6 超导体的发展历史

1.3 MgB2超导体的超导性能介绍

1.3.1 MgB2的晶体结构

1.3.2 MgB2超导体的类型

1.3.3 MgB2超导体的临界电流密度

1.3.4 MgB2超导体的临界磁场和磁通钉扎

1.4 MgB2超导材料的制备方法

1.4.1 MgB2块体的制备

1.4.2 线、带材的制备

1.4.3 MgB2薄膜的制备

1.5 MgB2超导体的掺杂研究

1.5.1 金属元素掺杂

1.5.2 碳元素掺杂

1.6 Mg-B体系反应动力学

1.7 本论文工作的意义及主要研究内容

第二章 研究内容与方法

2.1 引言

2.2 研究内容

2.3 样品制备

2.3.1 球磨Ni粉的制备

2.3.2 金属Ni纳米颗粒的制备(Ni/B前驱体粉末)

2.3.3 碳纳米管的制备(Ni/B/C前驱体粉末)

2.3.4 块体纯MgB2及掺杂MgB2样品的烧结制备

2.3.5 主要合成仪器及设备

2.3.6 密度及相对密度测试

2.4 分析测试方法

2.4.1 显微组织分析

2.4.2 XRD衍射分析

2.5 超导性能的测量

2.6 技术路线

第三章 升温速率对MgB2超导材料结构及性能的影响

3.1 引言

3.2 不同升温速率下MgB2成相过程的差热分析

3.3 不同升温速率对MgB2样品的成分及形貌的影响

3.3.1 对相组成的影响

3.3.2 对晶粒大小及形貌的影响

3.4 不同升温速率对块体MgB2超导电性能的影响

3.4.1 超导临界转变温度

3.4.2 超导临界电流密度

3.5 本章小结

第四章 微米级Ni掺杂对MgB2超导体的成相过程及超导性能的影响

4.1 引言

4.2 Ni掺杂对MgB2成相过程的影响

4.3 烧结温度的选择

4.4 不同Ni含量对MgB2的影响

4.4.1 不同Ni含量对MgB2的组成及形貌的影响

4.4.2 镍掺杂对MgB2的液相辅助烧结作用

4.4.3 不同镍含量对块体MgB2超导电性能的影响

4.5 金属间化合物MgNi2.5B2的析出机制

4.5.1 MgNi2.5B2相的形态分析

4.5.2 MgNi2.5B2相的析出模型

4.6 本章小结

第五章 Mg-B-Ni体系的热分析动力学

5.1 热动力学分析基础

5.2 多晶MgB2相的固—固反应动力学研究

5.2.1 体积转变分数的确定

5.2.2 不同机理函数的拟合分析

5.2.3 机理函数的检验

5.3 Mg-B-Ni体系的反应机理分析

5.3.1 表观活化能E和指前因子A

5.3.2 相界面控制下的Mg-B-Ni体系反应机理

5.4 本章小结

第六章 掺杂Ni的粒度大小对MgB2超导体形成过程的影响

6.1 引言

6.2 镍的粒度对MgB2成相过程的影响

6.2.1 镍的粒度的选择

6.2.2 镍的粒度对MgB2成相过程的影响

6.3 镍的粒度对MgB2样品超导性能的影响

6.3.1 对超导转变温度的影响

6.3.2 对超导临界电流密度的影响

6.4 镍的粒度对第二相MgNi2.5B2颗粒的影响

6.4.1 第二相MgNi2.5B2的确定

6.4.2 第二相MgNi2.5B2的分布

6.4.3 第二相的形态分析

6.5 本章小结

第七章 原位制备Ni纳米颗粒并掺杂MgB2超导体的研究

7.1 引言

7.2 Ni/B前驱体粉末的制备与表征

7.2.1 Ni/B前驱体粉末的制备

7.2.2 Ni/B前驱体粉末的表征

7.3 纳米Ni掺杂对MgB2成份及形貌的影响

7.4 Ni掺杂对MgB2样品超导性能的影响

7.4.1 对超导转变温度的影响

7.4.2 对超导临界电流密度的影响

7.4.3 Ni纳米颗粒的液相辅助烧结作用

7.5 本章小结

第八章 原位碳掺杂MgB2超导体的研究

8.1 引言

8.2 Ni/B/C前驱体粉末的制备与表征

8.2.1 Ni/B/C前驱体粉末的制备

8.2.2 还原温度对Ni颗粒粒径的影响

8.2.3 通甲烷时间对碳产率的影响

8.3 碳掺杂对MgB2成分及超导性能的影响

8.3.1 碳掺杂对MgB2成分的影响

8.3.2 碳掺杂对MgB2形成过程的影响

8.3.3 碳掺杂对MgB2超导性能的影响

8.4 本章小结

第九章 主要结论与创新点

9.1 主要结论

9.2 主要创新点

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢