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

【摘要】：通過簡單的化學摻雜獲得高性能的超導材料部件是目前MgB_2超導材料研究的一個主要方向,經(jīng)過了十余年的發(fā)展,轉變溫度為39 K的超導體MgB_2已經(jīng)逐漸被應用于變壓器、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用中高載流的要求而加入的一種主流添加劑以實現(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,在固相反應動力學機制分析的基礎上,結合機械球磨、溶液包覆、低溫燒結和兩步燒結技術,對添加甘氨酸的多晶MgB_2塊體進行了系統(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體系中的作用機理。主要的研究方法包括通過X 射線衍射技術和電子顯微技術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性能,從而在MgB_2材料的組織和超導性能之間建立聯(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 固反應動力學機制進行了分析,由于固 固反應前MgO的生成,充當了形核位置,與未摻雜的Mg B體系的二級Avrami Erofeev機理函數(shù)不同,Mg B的固 固反應是界面控制生長的一級反應,且反應激活能有所降低。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.%甘氨酸的基礎上采用了不同的制備技術以獲得優(yōu)異性能。采用機械球磨法對B粉進行前期處理,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,從而降低了樣品的結晶度、促進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行處理,分別單獨包覆Mg粉、單獨包覆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,避免了團聚成為大尺寸雜質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。總而言之,包覆法同時實現(xiàn)了磁通釘扎效應的增強和晶粒間連接性的優(yōu)化。在低溫燒結的樣品中,Cu活化燒結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,大大促進了燒結效率。低溫燒結試樣中的釘扎作用主要來自于納米級的雜質相顆粒,除了來自于甘氨酸和Mg反應生成的MgO(~20 nm)之外,保溫8 h以下樣品中的雜質相主要是Mg2Cu,而保溫12 h以上的樣品中雜質相主要是MgCu2(~10 nm)。在600 oC下的長時間燒結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燒結的樣品,臨界電流密度卻有所降低。兩步燒結法使雜質相的引入變得簡單,對未摻雜的MgB_2樣品進行兩步燒結,MgB_4以共格對應關系從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系逐漸變?yōu)榘牍哺窈头枪哺駥P系。極少量的小尺寸自生MgB_4雜質相顆粒有利于提高未摻雜MgB_2多晶塊體的臨界電流密度。將二次升溫技術應用于含甘氨酸的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,選取結構、含碳量和熔點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材料中的作用機制,對如何選用作為添加劑的氨基酸作了總結。為獲得優(yōu)異的超導性能,作為添加劑的氨基酸應當具備以下條件:在低溫下可分解產(chǎn)生CO2氣體,與Mg反應生成MgO釘扎中心,分解溫度盡量接近于Mg B的固 固反應的溫度,并選擇含碳量較高的氨基酸,以實現(xiàn)更有效的碳摻雜。
【關鍵詞】：MgB_2超導體 機械球磨 溶液包覆 燒結技術 臨界電流密度
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM26
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 文獻綜述13-43
• 1.1 引言13
• 1.2 超導材料簡介13-15
• 1.3 二硼化鎂的晶體結構和超導電性15-26
• 1.3.1 晶體結構15-16
• 1.3.2 二硼化鎂的超導性能16-21
• 1.3.3 二硼化鎂的超導電性機制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 二硼化鎂的超導性能的改善31-40
• 1.5.1 原始粉末31-32
• 1.5.2 化學摻雜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樣品的相組成及結構特征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 超導轉變溫度的對比52
• 2.5 有效釘扎中心MgO的形成機理52-54
• 2.5.1 熱力學分析52-53
• 2.5.2 添加甘氨酸的MgB_2樣品的燒結過程53-54
• 2.6 小結54-57
• 第三章 添加甘氨酸的樣品的Mg B固相反應動力學分析57-67
• 3.1 引言57
• 3.2 反應動力學的研究方法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 固反應階段的動力學分析61-66
• 3.4.1 最概然機理函數(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66-67
• 第四章 機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粉的預球磨68
• 4.2.2 燒結程序和檢測68-69
• 4.3 預球磨硼粉制備的含甘氨酸樣品的相組成和結構特征69-77
• 4.3.1 燒結樣品和球磨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過程93-95
• 5.6 小結95-97
• 第六章 添加甘氨酸的多晶MgB_2塊體的銅活化低溫燒結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樣品的銅活化低溫燒結99-102
• 6.3.1 樣品制備及檢測99-100
• 6.3.2 Cu活化的低溫燒結過程100-102
• 6.4 Cu活化低溫燒結樣品的超導性能102-108
• 6.4.1 燒結樣品的雜質相含量及尺寸102-104
• 6.4.2 燒結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 低溫燒結樣品中雜質相的釘扎機制108-110
• 6.6 小結110-111
• 第七章 兩步燒結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112-119
• 7.2.1 樣品制備和檢測112
• 7.2.2 決定樣品超導性能的因素112-117
• 7.2.3 樣品的超導性能117-119
• 7.3 添加甘氨酸的MgB_2樣品的兩步燒結119-122
• 7.3.1 添加甘氨酸樣品的制備和檢測119-120
• 7.3.2 樣品的超導性能120-122
• 7.4 小結122-125
• 第八章 氨基酸對多晶MgB_2作用機制的探討和總結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構特征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性能131-136
• 8.4.1 樣品超導轉變溫度的對比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MgB_2超導性能的機制133-136
• 8.5 氨基酸在MgB_2體系中作用方式的總結136
• 8.6 小結136-139
• 第九章 全文結論與創(chuàng)新點139-143
• 9.1 主要結論139-141
• 9.2 創(chuàng)新點與下一步工作思路141-143
• 參考文獻143-159
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明159-163
• 致謝163-165

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

本文編號：253087