1、制備具有高臨界電流密度的二硼化鎂超導(dǎo)體是當(dāng)前超導(dǎo)研究的熱點(diǎn)，近幾年發(fā)展起來的低溫?zé)Y(jié)技術(shù)為顯著改善臨界電流密度提供了可能。由于低溫?zé)Y(jié)過程中原子在固相中擴(kuò)散緩慢，MgB2的合成一般都需要很長時間才能完成，因此尋找一種低廉有效的方法來提高燒結(jié)效率，在低溫條件下快速合成具有更高臨界電流密度的MgB2超導(dǎo)材料成為目前亟待解決的問題。在此背景下，本文首先闡明了低溫條件下MgB2的活化燒結(jié)機(jī)理和摻雜機(jī)制；以此為指導(dǎo)，把有效碳摻雜和球磨自氧化技術(shù)成

2、功地應(yīng)用到Cu活化燒結(jié)MgB2的低溫制備中；利用這兩種新技術(shù)在低溫下快速合成具有優(yōu)異臨界電流密度的MgB2超導(dǎo)體，基本可滿足應(yīng)用要求。上述研究包含的主要內(nèi)容及獲得的結(jié)論有：
　　 綜合采用原位X-射線衍射和掃描示差量熱分析方法對Mg-B體系從低溫到高溫?zé)Y(jié)全過程進(jìn)行了探究，其后結(jié)合等溫動力學(xué)分析重點(diǎn)闡明了低溫成相動力學(xué)機(jī)理。結(jié)果表明，Mg-B體系低溫固相反應(yīng)是由可變的動力學(xué)機(jī)制控制，反應(yīng)剛開始階段活化的Mg和B原子較少，反應(yīng)速率

3、比較慢，該階段主要為相界面控制的反應(yīng)過程；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，生成的MgB2層越來越厚，Mg的擴(kuò)散變得越來越困難，此時一維擴(kuò)散成為控制性環(huán)節(jié)。上述動力學(xué)機(jī)理導(dǎo)致反應(yīng)激活能隨著反應(yīng)進(jìn)行先減小而后增大。
　　 系統(tǒng)研究了不同金屬(Cu、Sn和Ag)添加對MgB2低溫?zé)Y(jié)效率的影響，據(jù)此澄清了金屬活化低溫?zé)Y(jié)MgB2的機(jī)理，并提出了金屬活化劑選取的判據(jù)。結(jié)果表明：在Mg-Cu-B體系中，Cu首先與Mg在485℃左右形成Mg-Cu共晶液相，

4、它可為Mg向B的擴(kuò)散提供快速通道，降低MgB2相的生成溫度，促進(jìn)MgB2的生成。添加Cu的MgB2燒結(jié)過程符合活化燒結(jié)機(jī)理。Ag和Sn的添加均能形成低溫液相，明顯提高M(jìn)gB2低溫?zé)Y(jié)效率，但對MgB2低溫?zé)Y(jié)效率的提高比添加Cu弱。結(jié)合活化燒結(jié)機(jī)理分析確定了微量Cu作為最佳活化劑。
　　 結(jié)合微觀組織形貌觀察和超導(dǎo)性能測試全面分析了在低溫和高溫?zé)Y(jié)條件下活化劑Cu對MgB2微觀組織和超導(dǎo)性能的影響?；罨瘎〤u在MgB2燒結(jié)過程中

5、能夠有效減少M(fèi)gO雜質(zhì)的生成，提高低磁場下的臨界電流密度。在較低的燒結(jié)溫度下，局部Mg-Cu液相的生成能夠溶解和包覆部分Mg顆粒，隔絕了它們與氣態(tài)氧原子或者固態(tài)含氧物質(zhì)的接觸，因此可以減少它們的氧化。燒結(jié)溫度在Mg的熔點(diǎn)以上時，Cu的加入可明顯降低Mg熔體的蒸氣壓，減少M(fèi)g的揮發(fā)和氣化Mg原子的數(shù)量，最終減少了因氣化Mg原子與保護(hù)氣氛中殘余氧氣反應(yīng)生成的MgO雜質(zhì)的數(shù)量。不同添加量的Cu活化低溫?zé)Y(jié)制備的MgB2塊體的顯微組織形態(tài)差別明

6、顯。適量Cu添加可以生成層狀MgB2晶體組織，它取決于活化劑Cu添加后形成的Mg-Cu液相燒結(jié)環(huán)境。在該液相燒結(jié)環(huán)境中，MgB2晶體能夠以二維形核長大的機(jī)制最終形成層狀組織。與傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)形成的典型MgB2晶體組織相比，層狀MgB2晶體組織具有更優(yōu)異的晶間連接性。
　　 為了進(jìn)一步提高Cu活化低溫?zé)Y(jié)制備的MgB2的載流能力，本文還系統(tǒng)分析了低溫引入碳摻雜的機(jī)制，提出了碳摻雜在Cu活化低溫?zé)Y(jié)過程中有效引入的判據(jù)。研究表明，碳基

7、化合物低溫引入碳摻雜的關(guān)鍵是能夠在MgB2相生成之前或者同時釋放出活性足夠高的C。釋放C的活性決定了低溫引入碳摻雜的有效性。據(jù)此分析了納米SiC和葡萄糖的低溫引入碳摻雜機(jī)制的可行性：在燒結(jié)過程中，納米SiC在低溫下通過疊加反應(yīng)釋放出活性足夠高的C，形成有效碳摻雜；葡萄糖低溫分解釋放出的活性C相對較少，低溫時很難形成有效碳摻雜。在Cu活化低溫?zé)Y(jié)中能夠引入有效碳摻雜的碳基化合物應(yīng)該不與Cu反應(yīng)，不破壞Cu的活化燒結(jié)作用。反過來，Cu的活化

8、燒結(jié)也能夠促進(jìn)或者是至少不阻礙該碳基化合物低溫有效引入碳摻雜。根據(jù)此條件，選取了納米SiC為合適摻雜劑，在低溫活化燒結(jié)中快速合成了碳摻雜MgB2塊體。無論是在低磁場中還是在高磁場中，其臨界電流密度值都有明顯的提高。
　　 除了引入碳摻雜以外，還嘗試使用球磨處理和Cu活化燒結(jié)相結(jié)合的方法來進(jìn)一步提高低溫?zé)Y(jié)效率和相應(yīng)的臨界電流密度。在這個過程中，發(fā)現(xiàn)短時間球磨后粉末的微量氧化不僅不惡化臨界電流密度，反而會提高高場下的臨界電流密度大

9、小。在系統(tǒng)分析該現(xiàn)象的基礎(chǔ)上總結(jié)出球磨自氧化引入MgO摻雜的機(jī)制，并把這一機(jī)制應(yīng)用到Cu活化低溫?zé)Y(jié)MgB2中，最終發(fā)現(xiàn)其在中低磁場下的載流能力有了更優(yōu)異的表現(xiàn)。究其原因，一方面球磨自氧化機(jī)制可以促進(jìn)Cu活化低溫?zé)Y(jié)，提高燒結(jié)試樣的致密度，使得MgB2晶粒排列緊密，有些甚至呈層狀排列，這些因素都顯著優(yōu)化了MgB2的晶間連接性；另一方面球磨自氧化機(jī)制在細(xì)化MgB2晶粒的同時還可引入大量均勻分布的納米MgO顆粒，顯著增加了有效磁通釘扎中心。