本文關(guān)鍵詞：甘氨酸摻雜二硼化鎂多晶塊體的制備及超導(dǎo)性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：通過簡單的化學(xué)摻雜獲得高性能的超導(dǎo)材料部件是目前MgB_2超導(dǎo)材料研究的一個主要方向,經(jīng)過了十余年的發(fā)展,轉(zhuǎn)變溫度為39 K的超導(dǎo)體MgB_2已經(jīng)逐漸被應(yīng)用于變壓器、線圈和粒子加速器等大型裝置中。其中,含碳化合物是為了滿足這些應(yīng)用中高載流的要求而加入的一種主流添加劑以實(shí)現(xiàn)碳摻雜。鑒于常用的含碳化合物都局限于僅含有C、H和O三種元素,本文選用最簡單的氨基酸(一類含C和N的化合物)甘氨酸作為添加劑,著眼于影響MgB_2性能的兩個主要因素:磁通釘扎中心和晶粒間連接性,在固相反應(yīng)動力學(xué)機(jī)制分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合機(jī)械球磨、溶液包覆、低溫?zé)Y(jié)和兩步燒結(jié)技術(shù),對添加甘氨酸的多晶MgB_2塊體進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,旨在獲得高性能的MgB_2材料,并澄清這一類添加劑在MgB_2體系中的作用機(jī)理。主要的研究方法包括通過X 射線衍射技術(shù)和電子顯微技術(shù)確定樣品的相組成和微觀組織中可作為有效磁通釘扎中心的雜質(zhì)相顆粒,觀察晶粒間的連接性,再通過物理性能測試評估其超導(dǎo)性能,從而在MgB_2材料的組織和超導(dǎo)性能之間建立聯(lián)系。完成的主要研究工作和獲得的主要結(jié)論有:首先向Mg B體系中添加2~8 wt.%甘氨酸制備MgB_2多晶塊體,以確定獲得最高臨界電流密度時所對應(yīng)的添加濃度。雖然氮元素并未體現(xiàn)出有利作用,但少量的甘氨酸除了作為碳源,還可以在低溫下與Mg反應(yīng)生成可作為有效磁通釘扎中心的MgO。采用多重速率掃描法(Flynn Wall Ozawa法)對添加3 wt.%甘氨酸的Mg B體系的固 固反應(yīng)動力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了分析,由于固 固反應(yīng)前MgO的生成,充當(dāng)了形核位置,與未摻雜的Mg B體系的二級Avrami Erofeev機(jī)理函數(shù)不同,Mg B的固 固反應(yīng)是界面控制生長的一級反應(yīng),且反應(yīng)激活能有所降低。于是對MgB_2體系而言,甘氨酸是一種頗有前途的添加劑,3 wt.%甘氨酸的添加在較大的磁場范圍內(nèi)提高了臨界電流密度和不可逆磁場,為最佳添加量。后文則在添加3 wt.%甘氨酸的基礎(chǔ)上采用了不同的制備技術(shù)以獲得優(yōu)異性能。采用機(jī)械球磨法對B粉進(jìn)行前期處理,制備了含3 wt.%甘氨酸的多晶MgB_2塊體。前期球磨在B粉中儲存的能量有利于Mg B固 固階段的反應(yīng),從而降低了樣品的結(jié)晶度、促進(jìn)了碳摻雜和減小了晶粒尺寸,對高磁場下的臨界電流密度產(chǎn)生了有利的影響。適時的球磨使來自瑪瑙球的適量Mg2Si雜質(zhì)顆粒和來自甘氨酸的MgO作為有效的磁通釘扎中心,與未摻雜和未球磨的添加甘氨酸的樣品相比,提高了高磁場下樣品的臨界電流密度。但過長時間的球磨對超導(dǎo)性能不利。通過溶液包覆法利用甘氨酸的酒精溶液對原始粉末進(jìn)行處理,分別單獨(dú)包覆Mg粉、單獨(dú)包覆B粉和同時包覆Mg粉和B粉,制備了含3 wt.%甘氨酸的多晶MgB_2。包覆法有利于MgO均勻地分散在樣品中,避免了團(tuán)聚成為大尺寸雜質(zhì)相惡化晶粒間連接性,且有利于碳摻雜水平的提高,在高低磁場下都提高了臨界電流密度�？偠灾�,包覆法同時實(shí)現(xiàn)了磁通釘扎效應(yīng)的增強(qiáng)和晶粒間連接性的優(yōu)化。在低溫?zé)Y(jié)的樣品中,Cu活化燒結(jié)解決了低溫下甘氨酸添加的Mg B體系只生成MgO相和Mg粉剩余的問題,大大促進(jìn)了燒結(jié)效率。低溫?zé)Y(jié)試樣中的釘扎作用主要來自于納米級的雜質(zhì)相顆粒,除了來自于甘氨酸和Mg反應(yīng)生成的MgO(~20 nm)之外,保溫8 h以下樣品中的雜質(zhì)相主要是Mg2Cu,而保溫12 h以上的樣品中雜質(zhì)相主要是MgCu2(~10 nm)。在600 oC下的長時間燒結(jié)顯著提高了樣品高磁場下的臨界電流密度,并維持了低磁場下的臨界電流密度水平,然而相比于溶液包覆法高溫?zé)Y(jié)的樣品,臨界電流密度卻有所降低。兩步燒結(jié)法使雜質(zhì)相的引入變得簡單,對未摻雜的MgB_2樣品進(jìn)行兩步燒結(jié),MgB_4以共格對應(yīng)關(guān)系從MgB_2晶粒中析出,隨著二次升溫的溫度的升高,MgB_4顆粒的長大使其與母相晶粒的關(guān)系逐漸變?yōu)榘牍哺窈头枪哺駥?yīng)關(guān)系。極少量的小尺寸自生MgB_4雜質(zhì)相顆粒有利于提高未摻雜MgB_2多晶塊體的臨界電流密度。將二次升溫技術(shù)應(yīng)用于含甘氨酸的MgB_2體系中,MgB_4雖然在提高臨界電流密度方面并沒有帶來積極作用,但可以作為雜質(zhì)散射中心以提高含甘氨酸的MgB_2樣品的上臨界磁場,由未摻雜時的11.9 T提高至14.2 T。最后,選取結(jié)構(gòu)、含碳量和熔點(diǎn)均與甘氨酸不同的組氨酸作為添加劑,通過比較組氨酸和甘氨酸在MgB_2材料中的作用機(jī)制,對如何選用作為添加劑的氨基酸作了總結(jié)。為獲得優(yōu)異的超導(dǎo)性能,作為添加劑的氨基酸應(yīng)當(dāng)具備以下條件:在低溫下可分解產(chǎn)生CO2氣體,與Mg反應(yīng)生成MgO釘扎中心,分解溫度盡量接近于Mg B的固 固反應(yīng)的溫度,并選擇含碳量較高的氨基酸,以實(shí)現(xiàn)更有效的碳摻雜。
【關(guān)鍵詞】：MgB_2超導(dǎo)體 機(jī)械球磨 溶液包覆 燒結(jié)技術(shù) 臨界電流密度
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM26
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 文獻(xiàn)綜述13-43
• 1.1 引言13
• 1.2 超導(dǎo)材料簡介13-15
• 1.3 二硼化鎂的晶體結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)電性15-26
• 1.3.1 晶體結(jié)構(gòu)15-16
• 1.3.2 二硼化鎂的超導(dǎo)性能16-21
• 1.3.3 二硼化鎂的超導(dǎo)電性機(jī)制21-26
• 1.4 二硼化鎂的制備方法26-31
• 1.4.1 塊體樣品26-28
• 1.4.2 線帶材28-30
• 1.4.3 單晶、薄膜制備方法30-31
• 1.5 二硼化鎂的超導(dǎo)性能的改善31-40
• 1.5.1 原始粉末31-32
• 1.5.2 化學(xué)摻雜32-38
• 1.5.3 二硼化鎂的優(yōu)越性及前景38-40
• 1.6 本文研究思路40-43
• 第二章 多晶MgB_2中甘氨酸的最佳添加量及作用機(jī)理43-57
• 2.1 引言43
• 2.2 添加甘氨酸的MgB_2樣品的制備及檢測43-44
• 2.3 含甘氨酸的MgB_2樣品的相組成及結(jié)構(gòu)特征44-49
• 2.3.1 樣品中各相的含量44-46
• 2.3.2 樣品中各相的顆粒尺寸及分布46-49
• 2.4 含甘氨酸的MgB_2樣品的超導(dǎo)性能49-52
• 2.4.1 樣品的臨界電流密度水平49-52
• 2.4.2 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的對比52
• 2.5 有效釘扎中心MgO的形成機(jī)理52-54
• 2.5.1 熱力學(xué)分析52-53
• 2.5.2 添加甘氨酸的MgB_2樣品的燒結(jié)過程53-54
• 2.6 小結(jié)54-57
• 第三章 添加甘氨酸的樣品的Mg B固相反應(yīng)動力學(xué)分析57-67
• 3.1 引言57
• 3.2 反應(yīng)動力學(xué)的研究方法57-59
• 3.2.1 研究方法的分類57-58
• 3.2.2 Flynn Wall Ozawa法58-59
• 3.3 添加 3 wt.%甘氨酸的樣品的熱分析數(shù)據(jù)59-61
• 3.4 Mg B固 固反應(yīng)階段的動力學(xué)分析61-66
• 3.4.1 最概然機(jī)理函數(shù)的確定61-64
• 3.4.2 激活能和指前因子的確定64-66
• 3.5 小結(jié)66-67
• 第四章 機(jī)械球磨法制備添加甘氨酸的多晶MgB_2塊體67-81
• 4.1 引言67-68
• 4.2 樣品的制備及檢測68-69
• 4.2.1 原始B粉的預(yù)球磨68
• 4.2.2 燒結(jié)程序和檢測68-69
• 4.3 預(yù)球磨硼粉制備的含甘氨酸樣品的相組成和結(jié)構(gòu)特征69-77
• 4.3.1 燒結(jié)樣品和球磨B粉的相組成69-70
• 4.3.2 樣品中的相含量70-71
• 4.3.3 樣品的微觀組織71-77
• 4.4 樣品的超導(dǎo)性能77-79
• 4.4.1 球磨對碳摻雜水平的影響77-78
• 4.4.2 樣品的臨界電流密度78-79
• 4.5 小結(jié)79-81
• 第五章 溶液包覆法制備添加甘氨酸的多晶MgB_2塊體81-97
• 5.1 引言81
• 5.2 樣品制備及檢測81-82
• 5.3 包覆法制備的樣品中的MgO及樣品的超導(dǎo)性能82-86
• 5.3.1 包覆法對MgO含量的影響82-83
• 5.3.2 包覆法制備樣品的臨界電流密度83-84
• 5.3.3 樣品中MgO的尺寸84-86
• 5.4 影響包覆法制備樣品的臨界電流密度的其他因素86-93
• 5.4.1 有效碳摻雜量86-89
• 5.4.2 MgB_2的晶粒尺寸及結(jié)晶度89-92
• 5.4.3 樣品的晶粒間連接性92-93
• 5.5 包覆法制備的樣品的燒結(jié)過程93-95
• 5.6 小結(jié)95-97
• 第六章 添加甘氨酸的多晶MgB_2塊體的銅活化低溫?zé)Y(jié)97-111
• 6.1 引言97
• 6.2 僅含甘氨酸的MgB_2塊體的低溫制備97-99
• 6.2.1 樣品制備及檢測97-98
• 6.2.2 樣品的相組成和微觀組織98-99
• 6.3 含甘氨酸的MgB_2樣品的銅活化低溫?zé)Y(jié)99-102
• 6.3.1 樣品制備及檢測99-100
• 6.3.2 Cu活化的低溫?zé)Y(jié)過程100-102
• 6.4 Cu活化低溫?zé)Y(jié)樣品的超導(dǎo)性能102-108
• 6.4.1 燒結(jié)樣品的雜質(zhì)相含量及尺寸102-104
• 6.4.2 燒結(jié)樣品的臨界電流密度104-107
• 6.4.3 其他影響臨界電流密度的因素107-108
• 6.5 低溫?zé)Y(jié)樣品中雜質(zhì)相的釘扎機(jī)制108-110
• 6.6 小結(jié)110-111
• 第七章 兩步燒結(jié)法制備添加甘氨酸的多晶MgB_2塊體111-125
• 7.1 引言111-112
• 7.2 未摻雜的MgB_2樣品的兩步燒結(jié)112-119
• 7.2.1 樣品制備和檢測112
• 7.2.2 決定樣品超導(dǎo)性能的因素112-117
• 7.2.3 樣品的超導(dǎo)性能117-119
• 7.3 添加甘氨酸的MgB_2樣品的兩步燒結(jié)119-122
• 7.3.1 添加甘氨酸樣品的制備和檢測119-120
• 7.3.2 樣品的超導(dǎo)性能120-122
• 7.4 小結(jié)122-125
• 第八章 氨基酸對多晶MgB_2作用機(jī)制的探討和總結(jié)125-139
• 8.1 引言125
• 8.2 添加組氨酸的MgB_2樣品的制備及檢測125-126
• 8.3 含組氨酸的樣品的相組成及結(jié)構(gòu)特征126-131
• 8.3.1 相組成分析126-127
• 8.3.2 樣品中MgO形態(tài)的演變127-129
• 8.3.3 有效碳摻雜水平129-131
• 8.4 含組氨酸的樣品的超導(dǎo)性能131-136
• 8.4.1 樣品超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的對比131-132
• 8.4.2 樣品臨界電流密度的對比132-133
• 8.4.3 組氨酸摻雜提高M(jìn)gB_2超導(dǎo)性能的機(jī)制133-136
• 8.5 氨基酸在MgB_2體系中作用方式的總結(jié)136
• 8.6 小結(jié)136-139
• 第九章 全文結(jié)論與創(chuàng)新點(diǎn)139-143
• 9.1 主要結(jié)論139-141
• 9.2 創(chuàng)新點(diǎn)與下一步工作思路141-143
• 參考文獻(xiàn)143-159
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明159-163
• 致謝163-165

  本文關(guān)鍵詞：甘氨酸摻雜二硼化鎂多晶塊體的制備及超導(dǎo)性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：253087