原位Ni和C纳米颗粒共掺杂MgB2的反应机制及其超导电性

The discovery of superconductivity at 39 K in the binary intermetallic compound MgB2 has evoked worldwide attention because of its simple chemical composition and superior properties. However, the current carrying capability of pure MgB2 sintered at ambient pressure is largely limited by the increase of magnetic fields due to the weak flux pinning. In the past years, metal doping has evoked tremendous interest in fabricating high quality MgB2 tapes and wires by formation of secondary phase nanoparticles as the effective flux pinning centers. Moreover, it is suspected that the metallic nano-particle doping has aroused considerable interest in expect of successfully inducing more nanoparticle in the MgB2 matrix. In this study, a novel experimental approach for efficient Ni doping on the nanoscale via reduction of NiO in the B matrix will be developed, and the corresponding microstructure characteristics and superconducting properties of MgB2 sample will be thoroughly studied. Based on the formation kenitics of the secondary phase nanoparticles in the Ni-doped MgB2 superconducting materials, carbon will be also doped into MgB2 over Ni catalyst by chemical vapor deposition (CVD). The influences of CVD technics on the carbon yield, morphology and structure will be further investigated. According to discuss the possible relationship between the microstructure and the superconducting properties, the detailed mechanism of coaction of C and Ni doping of MgB2 will be probed. .

二元金属间化合物MgB2因其简单的化学组成和优异的物理性能受到了世界各国科学家的关注。由于缺少有效的磁通钉扎中心，MgB2的临界电流密度随着磁场强度的增加而急剧减小。近些年来的研究证实，金属掺杂可以在晶体内部形成第二相纳米颗粒，使其作为有效的磁通钉扎中心，进而提高了MgB2的载流能力。人们试图减小金属颗粒的尺寸，即通过金属纳米颗粒掺杂期望在超导样品内部获得更多纳米级的第二相颗粒。据此，本项目提出一种制备Ni纳米颗粒的新方法，即在B基体上对NiO进行原位还原制备金属Ni纳米颗粒。通过掺杂实验研究微观组织结构和超导性能之间的关系，进一步澄清第二相纳米颗粒的形成机制。在此基础上，以Ni纳米颗粒作为催化剂，采用化学气相沉积法在B基体上沉积单质碳。通过研究碳产率、形态及结构的变化规律，完善碳掺杂机制。结合纳米C和Ni共同掺杂MgB2样品的结构和超导性能分析，进一步探索双重掺杂的机理和有效性。

临界温度高达39K的金属间化合物MgB2是迄今发现的临界温度最高的简单、稳定的超导材料。由于其结构简单成本低，且超导电流不受晶界连通性的限制，因此在20-30K的低温温区有着广阔的应用前景。由于缺少有效的磁通钉扎中心，导致MgB2的临界电流密度随着磁场强度的增加而急剧减小，各国科学家试图通过各种办法来解决此问题。本项目采用金属和碳共同掺杂的方法，同时引入两种掺杂机制，即在MgB2 样品中生成第二相纳米颗粒，同时又使C 有效取代B 而产生晶格畸变，这些都可以作为有效的磁通钉扎中心，进一步提高MgB2的临界电流密度。主要采用的方法为以Ni 纳米颗粒作为催化剂，采用化学气相沉积CVD 法对甲烷气体进行分解并在B 基体上沉积单质碳。通过研究碳含量及形态随着催化时间的变化规律，确定掺杂碳含量的合理范围。综合分析Ni 纳米颗粒和纳米碳的加入对MgB2 超导材料烧结成相过程和超导性能的影响，通过调整其添加量和相应的烧结参数最终可在MgB2 超导材料中获得纳米级第二相粒子和晶格缺陷，以实现在双重钉扎机制下MgB2 临界电流密度的提高。实验结果表明，通过原位还原法在B基体上成功获得了碳包覆镍纳米颗粒，其颗粒直径平均为5纳米左右，与MgB2的相干长度基本一致。通过XRD物相分析和透射电镜观察发现，金属镍纳米颗粒均匀分布在基体上。对样品进行微观组织观察和超导性能结果发现，受到掺杂纯度和C取代的影响，临界转变温度值有所降低。但是与传统大尺寸掺杂样品相比，此Tc值又略有提高，这主要是因为碳包覆纳米金属颗粒尺寸小且均匀分布在样品内部而进一步降低非超导相对MgB2基体的影响。与纯MgB2和单独掺杂金属镍的样品相比，碳包覆镍纳米颗粒可以进一步提高MgB2晶粒间的连接性并且提供更多的磁通钉扎中心，这些都有利于提高MgB2超导体临界电流密度的提高，所获得的临界电流密度值在20K、1T磁场下达到了105 A cm-2。然而由于MgB2受到纯度的影响较大，因此过量的非超导相和杂质MgO会大大降低其临界电流密度值，今后的工作应当集中在如何控制掺杂物质的含量上。