高临界电流密度的MgB2块材的掺杂研究

论文摘要

2001年超导转变温度高达39K的金属间化合物MgB2的发现激起了物理学界、材料界和工业界的广泛关注,本论文首先概要地分析了5年来MgB2超导体的研究进展,认为经过5年的发展,MgB2超导材料20K的上临界磁场已经超过了处于工业应用前沿的NbTi合金超导体液氦温度下的性能,而阻碍MgB2在20K温区大规模工业应用的主要原因在于由于缺乏合适的钉扎中心导致临界电流密度Jc随磁场的升高而下降很快。然后讨论了MgB2提高磁通钉扎性能的基本方法,认识到引入纳米级缺陷、细化MgB2晶粒和改善晶粒间的连接性是提高MgB2临界电流特性的有效途径。进而提出了本文的研究方案,论文选择化学掺杂作为主要的研究手段在MgB2引入有效钉扎中心并辅以对影响MgB2Jc性能的制备工艺参数进行优化组合,从而实现对MgB2超导体微观结构的主动控制,特别是主动控制材料的由生长条件变化引起的纳米尺度的化学组分调制、局域结构调制和缺陷结构变化。在此基础上,论文对MgB2超导材料由于掺杂引起的正常态性质、超导态性质和微观结构变化做了系统研究,并重点讨论了MgB2磁通钉扎行为。 论文的第二章在第一章的基础上系统地分析和评述了MgB2五年来的研究状况和重要进展。对MgB2的基本性质进行了讨论,认识到MgB2是典型的二类超导体,MgB2的高Tc来源,双能隙本质,以及一些基本超导参数。对块材和线带材制备工艺进行了综述,详细讨论了影响MgB2超导体Jc性能的各种参数,包括粉末原料的颗粒度及分布、热处理条件、反应机制以及镁和硼的化学计量比。认识到要获得高Jc的MgB2超导材料,必须满足:超导相体积分数大、晶粒小且致密性好、微裂纹和孔洞尽量少、各种杂相少且分布均匀,工艺研究表明镁向硼缓慢扩散能够形成高度致密的MgB2超导材料。论文其后对于MgB2的磁通钉扎性质和提高磁通钉扎工艺作了分析,认识到MgB2的磁通钉扎结构以及混合态下的电磁行为能够采用GLAG理论描述,了解了晶界研究的重要性和各种提高磁通钉扎工艺的现状、缺点和发展方向。本章最后关注了上临界磁场及其各向异性的研究,分析讨论了上临界磁场对MgB2临界电流特性的影响,结果表明,在高温超导体中工程应用范围决定于与磁通钉扎相关的不可逆磁场,与此相反,上临界磁场及其各向异性可能是影响MgB2临界电流特性更为重要的因素;对于MgB2的双能隙结构对上临界磁场的影响的分析表明,除了可以应用传统超导体通过增加杂质散射以缩短电子的平均自由程从而提高Hc2的方式,调整MgB2超导体中独特的σ面内散射、π面内散射以及σ与π的面间散射,成为提高MgB2的实用超导性能新方式。 目前大多数的MgB2掺杂研究主要在MgB2形成正常相粒子充当吸引性磁通钉扎中心,论文的第四章中,在氩气保护条件下,采用固相反应法制备了质量百分比为0,3,5和10%Bi2Sr2CaCu2O8含量的MgB2块状样品。用X射线衍射和

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 主要研究方法和研究内容
• 1.3 本文的组织结构
• 第2章 文献综述
• 2的基本性质'>2.1 MgB₂的基本性质
• 2临界电流特性的影响'>2.2 制备技术及工艺参数对MgB₂临界电流特性的影响
• 2.2.1 块材制备技术
• 2.2.2 线带材制备技术
• 2临界电流特性的影响'>2.2.3 热处理条件对MgB₂临界电流特性的影响
• 2临界电流特性的影响'>2.2.4 粉末原料对MgB₂临界电流特性的影响
• 2.3 提高磁通钉扎工艺
• 2的磁通钉扎特性'>2.3.1 MgB₂的磁通钉扎特性
• 2.3.2 辐照效应
• 2.3.3 掺杂研究
• 2.3.4 机械合金化工艺
• 2的磁通钉扎特性'>2.3.5 烧结过程中控制MgB₂的磁通钉扎特性
• 2的上临界磁场及其各向异性'>2.4 MgB₂的上临界磁场及其各向异性
• c的影响'>2.4.1 上临界磁场及其各向异性对于J_c的影响
• 2的超导体的理论研究'>2.4.2 高上临界磁场的MgB₂的超导体的理论研究
• 2的超导体的实验研究'>2.4.3 高上临界磁场的MgB₂的超导体的实验研究
• 2.5 本章小结
• 第3章 实验及其物理思想
• 3.1 固相反应法
• 3.2 样品的超导性能表征
• 3.2.1 磁化强度测量方法
• c测量'>3.2.2 临界温度T_c测量
• c2和不可逆场H_irr的测量'>3.2.3 上临界场H_c2和不可逆场H_irr的测量
• P和临界电流密度J_c的测量'>3.2.4 磁通钉扎强度F_P和临界电流密度J_c的测量
• 3.3 样品的微观结构表征
• 2Sr₂CaCu₂O₈掺杂的MgB₂超导电性'>第4章 Bi₂Sr₂CaCu₂O₈掺杂的MgB₂超导电性
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 2的高临界电流密度'>第5章 碳钛同掺的MgB₂的高临界电流密度
• 5.1 引言
• 2超导电性的影响'>5.2 钛掺杂对于MgB₂超导电性的影响
• 2晶体结构和临界电流密度的影响'>5.2.1 钛掺杂对MgB₂晶体结构和临界电流密度的影响
• 2微观结构的影响'>5.2.2 钛掺杂对MgB₂微观结构的影响
• 5.2.3 小结
• 2超导电性的影响'>5.3 碳掺杂对于MgB₂超导电性的影响
• 2临界温度、上临界场及其各向异性的影响'>5.3.1 碳掺杂对于MgB₂临界温度、上临界场及其各向异性的影响
• 2临界电流密度和不可逆场的影响'>5.3.2 碳掺杂对于MgB₂临界电流密度和不可逆场的影响
• 5.3.3 小结
• 2超导电性的影响'>5.4 碳钛同掺对于MgB₂超导电性的影响
• 5.4.1 实验设计与物理思想
• 2临界电流密度和不可逆场的影响'>5.4.2 碳钛同掺对MgB₂临界电流密度和不可逆场的影响
• 5.4.3 样品的XRD谱分析
• 5.4.4 样品的微结构分析
• 2临界电流密度的机理'>5.4.5 碳钛同掺提高MgB₂临界电流密度的机理
• 5.4.6 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文