MgB-,2-釘扎性能的研究.pdf

1、全文主要包括以下方面內(nèi)容： 第一章簡要介紹了MgB2超導(dǎo)材料的研究背景，分析了目前所存在的主要問題，提出了本文的研究目標(biāo)和研究內(nèi)容。第二章回顧了超導(dǎo)電性的基本內(nèi)容和MgB2超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)過程，著重介紹了MgB2超導(dǎo)體釘扎性能的研究情況以及其它相關(guān)物性，并詳細(xì)回顧了MgB2化學(xué)摻雜的研究現(xiàn)狀。第三章介紹了本文中用于制備MgB2超導(dǎo)材料的三種制備方法：固相反應(yīng)法、擴(kuò)散法和化學(xué)溶液法，并簡單介紹測量相關(guān)的表征手段。 第四章研究了

2、單質(zhì)Al和碳納米管單獨(dú)摻雜對MgB2超導(dǎo)電性和釘扎行為的影響。在單獨(dú)摻Al的研究中發(fā)現(xiàn)，Al原子可以替代Mg進(jìn)入到MgB2的晶格當(dāng)中，使c軸方向的晶胞參數(shù)減小。當(dāng)Al摻雜量大于10％時，MgB2晶格有相分離的情況出現(xiàn)，可能在材料中同時有兩種合金相存在。另一方面，Al摻雜明顯的抑制了MgB2的超導(dǎo)電性，隨著Al雜量的增加，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度線性下降。同時Al摻雜樣品的Hc2、Jc等性能也受到了明顯的抑制。然而，從釘扎力曲線的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻雜并

3、沒有改變體系的釘扎機(jī)制，晶界釘扎仍是體系中主要的釘扎作用。 分析單獨(dú)CNTs摻雜對MgB2的晶體結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)電性的影響時，發(fā)現(xiàn)碳納米管摻雜可以在一定程度上提高M(jìn)gB2超導(dǎo)體的臨界電流密度，但是當(dāng)摻雜量過高時，摻雜樣品在低場下的載流性能被明顯的抑制。另一方面，用固相反應(yīng)法制備的樣品孔洞較多，實(shí)際密度只為理論密度的50％左右，因而其性能仍有較大的提升空間，用擴(kuò)散法制備是解決這一問題的可能途徑。 在一體系中，還詳細(xì)的研究了隨著碳

4、納米管摻雜量的變化，系列樣品中δTc和δl釘扎的行為特性。發(fā)現(xiàn)在我們的MgB2樣品中，δTc和δl兩種釘扎行為同時存在，并且隨著碳納米管摻雜量的增加δl釘扎的比重逐漸增加，得到的實(shí)驗結(jié)果和理論分析有很好的擬合，結(jié)果也說明了碳納米管摻雜不但可以往樣品中引入點(diǎn)釘扎的作用和，另外由于C摻雜引起的δl釘扎的增強(qiáng)，也可以極大的提高樣品的釘扎作用。但在高溫的情況下，由于溫度等因素的影響，即使是高摻雜的樣品在接近轉(zhuǎn)變溫度的區(qū)域，δTc釘扎仍表現(xiàn)出較大

5、的作用。 在擴(kuò)散法制備碳納米管摻雜的MgB2超導(dǎo)材料研究中，制備得到了較高致密性的超導(dǎo)塊材，并且擴(kuò)散法可以有效減少樣品中MgO雜相的存在，同時極大的提高樣品在低場下的臨界電流密度。但是過于緊密的晶界連接反而削弱了MgB2超導(dǎo)體晶界釘扎的作用從而導(dǎo)致高場下釘扎力較快衰退，因而有必要優(yōu)化制備條件引入更有效的釘扎中心提高其高場下的性能。碳納米管的摻雜在兩組樣品中都表現(xiàn)出了提高高場下釘扎力的能力，特別是0.5％摻雜量的樣品，在整個磁場范

6、圍都有較好的表現(xiàn)。 第五章研究了Al/C和Ti/C同時摻雜對MgB2超導(dǎo)電性和釘扎性能的影響。 研究MgB2樣品中同時摻雜Al和C時發(fā)現(xiàn)，Al替代Mg和C替代B這兩種作用可以同時發(fā)生，并且當(dāng)電子摻雜作用相當(dāng)時，Al摻雜對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)的抑制作用要更加明顯，而另一方面Al摻雜卻可以減緩C摻雜對Tc的影響。在對超導(dǎo)臨界電流密度的影響方面，少量的Al摻雜可以提高M(jìn)gB2超導(dǎo)體在低場下的臨界電流密度，C摻雜則可以顯著改善高

7、場下的性能。當(dāng)樣品中同時摻入1％Al和1％C時對Jc的改善達(dá)到最優(yōu)化的效果，在1-7T范圍內(nèi)都表現(xiàn)出優(yōu)于純MgB2樣品的的臨界電流密度性能。釘扎力性能的分析也印證了這一點(diǎn)，在低場下釘扎力達(dá)到最大值以前Al摻雜樣品和共摻雜樣品的釘扎力強(qiáng)度都要大于純的樣品，但當(dāng)磁場增加以后共摻雜的樣品則表現(xiàn)出了最好的性能。 最后一節(jié)利用測量交流磁化率和直流磁化強(qiáng)度的方法研究了Ti，C共摻對MgB2磁通釘扎行為的影響，發(fā)現(xiàn)Ti，C共摻顯著提高了MgB

8、2超導(dǎo)體的臨界電流密度，并且在整個外場下的綜合性能要優(yōu)于單摻Ti和單摻C的結(jié)果。通過交流磁化率的測量結(jié)果，我們分析了摻雜對釘扎勢的影響。其中MgB2和Ti，C共摻的樣品分別得到了如下的關(guān)系式U(T，B，j)=U0[1-(T/Tirr)2]2(B/B0)-1.41(j0/j)-0.21和U(T，B，j)=U0[1-(T/Tirr)2]2(B/B0)-0.96(j0/j)-0.17，這一結(jié)果也同樣表明Ti，C摻雜明顯提高了MgB2材料的釘扎

9、性能。 第六章首先研究了檸檬酸摻雜對MgB2超導(dǎo)電性及臨界電流密度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，檸檬酸摻雜可以有效的提高M(jìn)gB2超導(dǎo)體在高場下的臨界電流密度(Jc)，但同一般的C摻雜類似，檸檬酸摻雜會導(dǎo)致超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)下降，所以在高溫下檸檬酸摻雜對Jc的提高并不是非常明顯。臨界電流密度和釘扎力性能的分析表明，檸檬酸摻雜可以有效的提高M(jìn)gB2在高場下的性能。在10K，4T條件下15％摻雜的樣品得到了最優(yōu)的結(jié)果，其臨界電流密度值達(dá)到了1.

10、2×104A/cm-2，要遠(yuǎn)高于沒有摻雜的樣品。但是當(dāng)摻雜量進(jìn)一步增加到20％時臨界電流密度反而出現(xiàn)了下降，因而檸檬酸的最優(yōu)摻雜可能在15-20％之間。 其次對于山梨酸的結(jié)果，也進(jìn)行了類似的分析。相對于檸檬酸，山梨酸含碳量相對較高，在相同摻雜量的情況下有更多的C被引入到MgB2體系中，從而表現(xiàn)出較高的載流性能。為了更好的分析摻雜對MgB2釘扎性能的影響，利用傳統(tǒng)釘扎力理論的標(biāo)度公fp∞hp(1-h)q對兩組不同摻雜樣品的約化釘扎

11、力曲線進(jìn)行了擬合，發(fā)現(xiàn)摻雜使得擬合的結(jié)果向著晶界釘扎的結(jié)果靠近。我們推測在MgB2體系中，臨界電流密度除受到釘扎力的影響外可能還受到晶粒的各向異性等其它因素的影響，而山梨酸和檸檬酸摻雜所引入的C摻雜則可能會減少這類影響。而在磁測量的結(jié)果中，這一影響并不能很好的利用滲流模型來加以解釋，為了更好的分析實(shí)驗結(jié)果，在滲流模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正和補(bǔ)充，釘扎力標(biāo)度的擬合公式和實(shí)驗本質(zhì)更為接近。 另一方面，綜合檸檬酸和山梨酸摻雜的結(jié)果，用化學(xué)

12、溶液法進(jìn)行摻雜與傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法相比較有其自身的優(yōu)點(diǎn)。因為納米顆粒有團(tuán)聚的性能，當(dāng)用固相反應(yīng)法進(jìn)行摻雜時，納米顆粒的團(tuán)聚作用有可能使摻雜物無法很好的在體系中均勻分散，從而導(dǎo)致局部過摻雜的情況。用化學(xué)溶液法進(jìn)行摻雜則可以有效的解決這一問題，當(dāng)化學(xué)溶液揮發(fā)以后，析出的摻雜物會在原料B粉的表面形成一層包裹膜，這樣就有利于摻雜反應(yīng)的進(jìn)行。因而在檸檬酸摻雜的樣品中，我們得到均勻性較好的摻雜樣品，適度摻雜的情況下，所有樣品的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變都較窄，從而進(jìn)一

13、步反映出樣品具有較好的超導(dǎo)性能。 第七章研究了鐵納米線，納米鐵粉和二茂鐵三種磁性物質(zhì)對MgB2摻雜的影響。發(fā)現(xiàn)鐵摻雜對MgB2超導(dǎo)電性的抑制主要是由于活性較強(qiáng)的Fe和B反應(yīng)造成的，只有納米鐵粉對疋表現(xiàn)出了較強(qiáng)的抑制作用，而納米鐵粉和二茂鐵的作用則相對較小。鐵納米線摻雜提高了MgB2超導(dǎo)體的臨界電流密度(Jc)，其原因可能是是由于摻雜的鐵納米線可以在中高磁下場提供額外的釘扎力，增加了樣品在高場下的的釘扎性能。二茂鐵摻雜對Jc也具有