MgB_2超导线材的原位热处理研究_陈威东.pdf

第 39 卷第 2 期福建师范大学学报(自然科学版)Vol.39，No.2(2023 年 3 月)Journal of Fujian Normal University(Natural Science Edition)Mar.2023DOI:10.12046/j.issn.1000-5277.2023.02.010文章编号:1000-5277(2023)02-0080-06MgB2超导线材的原位热处理研究陈威东1，2，罗黄健1，2，赵勇1，2，3，冯勇4，王丽丽1，2(1.福建师范大学物理与能源学院，福建 福州350117;2.福建省先进高场超导材料与工程协同创新中心，福建 福州350117;3.西南交通大学超导与新能源研究开发中心，四川 成都610031;4.西北有色金属研究院，陕西 西安710016)摘要:通过原位 SPS 热处理和管式炉退火获得 SPS-AN MgB2线材样品 XD 结果表明热处理后的各样品中均有 MgB2相生成 在 SPS 热处理阶段，样品出现许多 MgB2片状颗粒 由于在 SPS 阶段样品分解程度不同，退火后样品的形貌出现明显差异 SPS-AN-800 样品保持了较大的片状形貌，在颗粒边缘有杂相堆积，导致样品的 Jc性能最差 SPS-AN-850 和 SPS-AN-880 样品在退火过程中片状颗粒分解成纳米颗粒，产生了更多的边界钉扎作用 由于 SPS-AN-880 样品分解生成的杂相小颗粒更多，其 Jc性能较 SPS-AN-850 样品更好关键词:二硼化镁;热处理;超导性能;线材中图分类号:O511.3文献标志码:A收稿日期:2022-12-16基金项目:福建省自然科学基金面上资助项目(2020J01132446)通信作者:王丽丽(1981)女，副教授，博士，研究方向为磁性和超导材料 llwang Study on in-Situ Heat Treatment of MgB2Superconducting WiresCHEN Weidong1，2，LUO Huangjian1，2，ZHAO Yong1，2，3，FENG Yong4，WANG Lili1，2(1.College of Physics and Energy，Fujian Normal University，Fuzhou 350117，China;2.Fujian Provincial Collaborative Innovation Center for Advanced High-Field SuperconductingMaterials and Engineering，Fuzhou 350117，China;3.Superconductivity and New Energy D Center，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;4.Northwest Institute for Nonferrous Metal esearch，Xian 710016，China)Abstract:In this paper，SPS-AN MgB2wire samples were obtained by in-situ SPS heat treatmentand tube furnace annealing XD results showed that MgB2phase was formed in all the samplesafter heat treatment In the SPS treatment stage，many MgB2flake particles appeared in thesamples Due to the different decomposition degree of samples in SPS stage，the morphologies ofsamples after annealing were significantly different Large flakes were maintained in the SPS-AN-800 sample，and there were impurity accumulations at the edge of the particles，resulting in theworst Jcproperties of the sample The flake particles of SPS-AN-850 and SPS-AN-880 sam-ples decomposed into nanoparticles during the annealing process，resulting in more boundary pin-ning The Jcproperty of the SPS-AN-880 sample was better than that of the SPS-AN-850 sam-ple because there were more small particles generated by decompositionKey words:magnesium diboride;heat treatment;superconductivity;wire自二硼化镁(MgB2)的超导性于 2001 年被日本科学家发现以来，因其超导转变温度较高(Tc=39K)1、化学成分简单、生产成本低等特点引起人们的广泛研究 目前，MgB2线材已在一些领域内有所应用，如磁共振成像(MI)和粒子加速器23 但其在高磁场下载流能力较弱，晶界连通性不足的第 2 期陈威东，等:MgB2超导线材的原位热处理研究劣势却限制了它的进一步推广与应用4 为了提高 MgB2线材在高磁场下的超导载流能力，特别是工程应用中的临界电流密度(Jc)，人们研究了多种制备方法 MgB2线材的制备通常分为前驱体线材(生线)的制备和后期热处理 2 个步骤 MgB2生线的制备技术主要包括粉末装管法(PIT)5、连续管填充成形法(CTFF)6 和中心镁扩散法(IMD)7 PIT 技术由于工艺简单，对设备要求低，作为常规工艺被广泛应用 PIT 技术主要包括先位法(Ex-situ)8 和原位法(In-situ)9，其中原位法是将原料放入包套管中，通过拉拔工艺后获得生线 然后进行第 2 步热处理后得到 MgB2线材成品，不同的热处理工艺会影响最终产品的质量 因此，为了提高产品质量，研究了不同的热处理技术，如热压烧结技术(HP)10、热等静压技术(HIP)11 和放电等离子烧结(SPS)等 其中 SPS 是一种利用电流和压力的先进粉末冶金技术，由于其特殊的放电等离子烧结机理而受到广泛的研究12 SPS 技术能够控制粉末表面状况、原子扩散行为、相稳定性和晶体生长行为，以及加速难烧结材料的致密化 采用脉冲电流产生火花等离子体，单轴压缩对材料进行热处理，具有加热快、效率高、致密性好等特点13 本课题组在此前利用 SPS 烧结原位 PIT 法制备 MgB2生线的研究中，发现 SPS 热处理后的成品在形态结构、Jc和不可逆场(Hirr)方面与传统热处理方法(管式炉烧结)相比有不同程度的优化4 在本文中，对 MgB2生线进行一定热处理获得了一组 SPS-AN 样品，这些样品首先在真空中进行 SPS 热处理，然后在管式炉中通氩气 680 退火 1 h 通过对样品的结构、形貌和性能进行表征，分析热处理过程对样品的影响1实验部分1.1样品制备采用 SPS 与管式炉相结合的方法对 6+1 MgB2生线14 进行热处理 分别选用具有良好的稳定性和优良的导电性的铌(Nb)和铜(Cu)作为阻隔层和线包套 将镁粉(325 目，99%，STEM)、硼粉(亚微米，99%，Paveyzum)、碳化钛(亚微米，99%，STEM)按 1 1.92 0.08 物质的量比混合，在手套箱中，氩气环境下研磨 30 min，接着将混合粉末装入内径 10.0 mm、壁厚 1.0 mm 的纯 Nb 管后，再放入内径 13.0 mm、壁厚 1.0 mm 的 Cu 管内形成复合管，再将该复合管拉伸至直径为 3.53 mm 的细管 将 6 根拉伸后的细管与 1 根 Nb/Cu(V(Cu)V(Nb)=1 1)棒同时装入无氧铜管中重新组合，拉伸成直径 1.4 mm 的生线采用 SPS(SPS-3T-5-mini，上海晨华科技有限公司)对 MgB2生线进行热处理，然后在管式炉(GSL-1400X，HF-Kejing)中通氩气退火 5 根 MgB2生线样品(长度 15 mm，直径 1.4mm)并排放入石墨模具 3 个样品在 SPS 压头施加压力为50 MPa、炉内气压保持102Pa 的真空条件下，用4 min 时间从室温分别加热到 800、850、880，然后在目标温度下分别保温 30、10、2 min 最后将经 SPS 处理的样品在 680 的管式炉中常压下通氩气退火 60 min SPS 处理及管式炉退火参数如表 1 所示，将仅 SPS 热处理的样品称为 SPS 样品，先经 SPS 热处理再经管式炉退火的样品称为 SPS-AN 样品表 1样品的 SPS 热处理及管式炉退火参数Tab.1The SPS treatment and tubular furnace annealing parameters of samples样品SPS 热处理T(烧结)/t(保温)/minp/MPa管式炉退火T(退火)/t(退火)/minp/MPaSPS-AN-800 800305068060常压SPS-AN-850 850105068060常压SPS-AN-880 88025068060常压1.2样品表征将热处理后的样品埋于速干的 AB 胶中，打磨出纵截面，进行结构和形貌表征 X 射线衍射仪(Mini Flex 600，igaku)配备了 Cu 靶 K 辐射(Cu-K=0.154 05 nm)扫描角度为 2080，扫描速度为 10()min1，得到 XD 图像 采用金相显微镜(Bx51M，Olympus)和扫描电子显微镜(SEM，18福 建 师 范 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年SU8010，Hitachi)分别对试样抛光后的纵截面和未抛光的新鲜断面进行了显微组织研究 切割长约 3mm 样品中间部分用于物性测量系统(PPMS 9T，美国量子设计公司)测量磁性能 对试样边缘进行抛光除去表面石墨，得到矩形截面 在 09 T 的磁场下，测量样品在温度为 4.2、10、20 K 时的磁滞回线(M-H)，并根据 Bean 临界态模型计算样品的 Jc，见公式(1)15:Jc=20Mb(1 b/(3a)，(1)其中M(emucm3)为给定H处磁滞回线的宽度，a为样品横截面的长度，b为样品横截面的宽度H 垂直于 ab 平面图 1SPS-AN 样品的 XD 谱图Fig.1XD patterns of SPS-AN samples2结果与讨论图1 为 SPS-AN 样品的 XD 谱图 2=33.4和2=42.4处的衍射峰分别对应 MgB2的(100)面和(101)面，表明热处理后 3 个样品中均形成了 MgB2谱中剩余的衍射峰为 Cu 包套(JCPDS:040836)和Nb 阻隔层(JCPDS:340370)的衍射峰 此外，在2=28附近有一个小的衍射峰，这可能是 XD 试样制备过程中形成的 AB 胶环氧树脂的衍射峰 图 2为 SPS-AN 样品的纵截面照片，从照片的中心到边缘，黑色为 MgB2，灰色为 Nb，黄色为 Cu 从照片上看这 3 个 SPS-AN 样品的密度都相对较好图 3 和图 4 分别为零场冷却后外加磁场(H=3mT)下样品的 M-T 曲线及超导温度参数对比 结果表明，所有样品都能在低温下表现出明显的抗磁(a)SPS-AN-800;(b)SPS-AN-850;(c)SPS-AN-880 图 2抛光