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1、第 2 7 卷 第 5 期 低 温 物 理 学 报 V o 1 2 7，N o 5 2 0 0 5年 1 1 月 C HI N E S E J O U R N A LO FL O WT E MP E R A T U R EP H Y S I C S No v ，2 0 0 5 实用化 Mg B 2 超导材料研 究进展 冯 勇 闫果 张平祥 周廉 西北有色金属研究院超导所，西安，7 1 0 0 1 6 本文综述了实用化 Mg B 2 超导材料的最新研究进展 最新的理论和实验结果表明通过 元素替代和掺杂，有希望进一步提高 Mg B z 超导线带材的临界电流密度和磁通钉扎特性，完 全可以达到实用化要
2、求 目 前 Mg B 2 超导磁体的制备技术研究已经开始，极有可能开发出采 用闭路循环制冷机制冷的核磁共振成像仪(MRI)取代现在医学上使用的基于低温超导的核 磁共振成像系统 关键词：Mg B 2 超导材料，磁通钉扎，线带材，MRI 磁体 1引 言 2 0 0 1 年 1 月二硼化镁(Mg B z)超导 电性 的发现引起 了国 内外科学家的普遍关 注 ，随 即在全世界范围内掀起了研究的热潮 ，因为该超导体是一种新 的简单 的二元金属间化 合物超导体(每个元胞只有三个原子)，而且其超导转变温度()高达 3 9 K，几乎是 A1 5 型 金属间化合物超导体，如 N b a G e(一2 3 2 K
3、)和 Y P d 2 B 2 C金属间硼碳化合物 的两倍 尽 管在过去的几十年间，低温超导体和高温超导体的研究取得了很大的进展，但由于低温超导 材料的 很低，严重制约了其应用范围，而高温超导体的弱连接和陶瓷性使其高质量长线 带材的加工十分困难，导致其 _ 厂 在磁场中较低，同样也阻碍了高温超导体的广泛应用，但刚 发现的 Mg B z 超导体由于其具有远高于低温超导体的，又不存在高温超导体中难于克服 的弱连接问题 ，同时 Mg B z 超导体的发现给超导技术应用带来新的契机 它具有双能隙的 特点，其科学内容很丰富，同时可以采用粉末套管法制备实用化线带材，利用这些特点可以 发展出一些重要的应用途径
4、 因此，Mg B 2 超导体无论对基础研究还是应用研究都具有十分 重要的意义，综合制冷成本和材料成本，Mg B z 超导体在 2 0 3 0 K，低场条件下应用具有很 明显的价格优势，尤其在 MR I 磁体(工作磁场 l 2 T)制造领域 这也是国际 Mg B z 超导体 应用研究持续升温的关键原因之一 7 2改善 Mg B z 磁通钉扎的研究 热力学参量的测量表明 引，Mg B 2 是典型的第 类超导体，其下临界磁场为 0 0 3 T，上 国家自然科学基金(5 0 4 7 2 0 9 9)及“8 6 3 计划(2 0 0 2 A A)资助项目 收稿日期l 2 0 0 5-0 4-0 1 维普
5、资讯 http:/ 8 2 0 低 温 物 理 学 报 2 7卷 临界磁场为 1 2 5 T 第 类超导体内部充满了量子化的磁通，除非将磁通钉扎，否则当超导 电流流动时会产生能量耗损 目前国际上 Mg B 2 超导体的应用基础研究进展很快 但是 Mg B 2 超导体的实际应用必须解决一个关键问题，即提高 Mg B 2 超导体的不可逆场 纯 Mg B 2 超导体在 2 0 K下的不可逆场值仅为 4 -5 T E ，主要原因是 Mg B 2 超导体中缺乏有效 钉扎中心，这就导致在高场下的 Mg B 2 超导体的临界电流密度(J )较低，影响了Mg B 2 超导 体在高温(2 0 K)高场下(4 T
6、)的实际应用 因此提高 Mg B 2 超导体的磁通钉扎是 目前 Mg B 2 超导体应用基础研究的重点 L a r b a l e s t ie r 等 10 首先研究了Mg B 2 超导体的临界电流密度特性，研究结果表明：多晶 的 Mg B 2 晶界问的强耦合作用使得在非织构的样品即可获得较高的J 值，晶界对超导电流 是”透明的”同时研究发现 Mg B 2的磁通钉扎特性与 Nb s S n超导体类似 闻海虎小组在 Mg B 2 磁通动力学方面做出了大量出色的研究工作 他们很快认识到二硼化镁超导体的上 临界磁场和磁 通融 化磁场之 间存在一 个 巨大的差距，提 出了合理 的图像来 解释这个差
7、距 1 他们与挪威 的科学家 1。用不 同的方法独立地发现在二硼化镁超导薄膜 中存在细小密 集的磁通跳跃，而且明确地界定 了这个磁通跳跃的范围，为以后克服弱电应用中的困难起到 了积极作用 目前国际上很多研究小组开展了提高 Mg B 2 超导体的磁通钉扎特性的研 究 1。叫引 其 中纳米颗粒的掺杂和 B位 C替代取得了较好的结果 D o u S X E 等将镁粉和硼 粉(化学计量比1：2)与纳米 S i C按照 Mg B 2(S iC)的比例混合，在流通氩气中 8 0 0 烧结 3 O分，临界超导转变温度()测试结果表 明与纯 Mg B 2 超导体相 比 仅降低约 0 6 K，2 0 K 下不可
8、逆场提高到 7 4 T，2 0 K，3 T条件下 J 也高达 i 0 A c m。S S o l t a n i a n “小组采用镁 粉和硼粉(化学计量 比 1：2)和不同比例的纳米 C粉(1 0 1 0 0 n m)混合在 8 5 0 烧结 1小 时，超导电性结果表明：2 0 K，3 T条件下临界 电流密度达到 6 1 0 A c m2，与未掺杂 Mg B e 超导体相比，磁通钉扎特性得到了明显改善 赵勇小组 1 5 采用镁粉 和硼粉和不 同比例的 1 O 2 0 n m纳米金刚石粉按照 Mg B z 一 (C)和 Mg B a(C)两种掺杂方式混合，在 8 0 0 烧结 2 小时，测试结
9、果表 明，两种掺杂方式均可 以有效改善 Mg B 2 超导体 的磁通钉扎特性，其 中 Mg B 2(C)的磁通钉扎特性 的影响 比 Mg B 2 一 (C)掺杂显著 Mg B 2(C)0-s 在 2 0 K下 的不可 逆场达到 6 3 T 西北有色金属研究院 1 开发 出 Z r 掺杂 Mg B 2 超导块材的制备技术，Mg o。Zr o B 2 样品的 高达 1 8 1 0 A c m。(2 0 K，自场)发现在掺 Z r 的 Mg B 2 块材 中存在大量 的纳米级干净的晶界，使 Mg B 2 的磁通钉扎能力得到大幅度增强 目前研究结果显示，纳米 级的晶界和第二相粒子可以有效提高 Mg B
10、 2 超导体的磁通钉扎特性，主要原因是 Mg B 2 超 导体的相干长度较大，与相干长度可 以相比的纳米第二相粒子的存在可以提供有效 的钉扎 中心 3 Mg B z 超导材料成材研究进展 Mg B 2 的线带材价格较 HT S 及 L T S低，因此在 2 5 K，1 T的条件下Mg B 2 的线带材的应 用有很大的优势 研究和开发高 的 Mg B 2 超导长线带材制备技术具有重要意义 目前 Mg B 2 成材制备技术主要有三种方法：(1)直接用 Mg B 2 粉末装管拉拔轧制：目前 H y p e r T e c h 公司可以用 C T F F技术制备 6 O 米长、直径 1 2 m m的M
11、g B 2 单芯线材；(2)原位法：用 Mg 粉和 B粉按 Mg B 2 的化学计量比装管拉拔轧制，再进行原位热处理，最终生成 Mg B 2 维普资讯 http:/ 5期 冯勇等：实用化 Mg B 2 超导材料研究进展8 2 1 相 原位法是目前主流工艺 主要的研究集中在先驱物、热处理温度和时间对超导性能的影 响，以及稳定长线加工工艺；(3)化学气相沉积法：以郗小星小组 1B 开发的 Mg(g)+B 2 H 6 (g)化学气相沉积法为典型代表 B源采用 B 2 H 气体，Mg 源采用 Mg 块 利用 Mg 易气化 的特点，在密闭的腔体中沉积 Mg B 2 薄膜 这种方法易于对 Mg B 2 进
12、行掺杂，在 S i C基片上 制备的C掺杂 Mg B 2 薄膜的结果显示，C掺杂明显改善了Mg B 2 在高温和高场下的临界电 流密度，增强了磁通钉扎 用原位法制备的Mg B 2 线带材取得了较好的结果 相关分析表明其主要原因是在热处 理过程中 Mg熔化成相可以弥合加工过程中形成的微裂纹 西北有色金属研究 院u 孔 开发 出原位 P I T线材制备技术，成功获得了高质量的 Mg B 2 F e 线材，其 J，达到 2 3 4 1 O A c m。(2 5 K，3 T)，同时首次采用在 Mg 位和 B位进行 Z r 和 C的同时掺杂，制备出厂 达到 4 4 5 1 0 A c m2(4 2 K，
13、5 T)，提出细小 的晶粒尺寸、高密度的层错和小尺度的第二相粒子是 厂 提高和不可逆场改善的原因 西北有色金属研究院 已经制备出5 O 米 Mg B 2 线材，整根 线材 L达到3 8 0 A(4 2 K，3 T)，并开始 Mg B z 磁体制备研究工作 目前大量研究结果研究发 现用原位法制备的 Mg B 2 线带材过程中通过调整热处理参数和二相粒子的引人 可 以提高 线材 的 厂 值 M D S u mp t i o n小组 D j 采用原位 P I T技术 制备 了纳米级 S i C掺杂 的 Mg 线材，采用 1 5 n mS i C掺杂的 F e包套(Mg B 2)。_ 9(S i C)
14、。1 线 材在 7 2 5 热处理 3 O分钟后 4 2 K下线材不可逆场达到 2 9 T，上临界场达 到 3 3 T，线材 的磁通 钉扎得到 了明显改善 TE M 结果显示磁通钉扎改善的主要原因是 Mg B 2 超导基体中存在大量纳米级 S i C，而纳米级 S i C 起到 了磁通钉扎中心的作用 4 Mg B z 超导磁体制备技术研究 目前 Mg B 2 磁体制备技术已经成为研究热点之一 美国 Hy p e r T e c h 公司 I j 采用 C T F F技术制备的 4 2 米Mg B 2 C u 线材制备出Mg 磁体 骨架材料选用不锈钢 所用 Mg B 2 C u线材中采用 Mg粉
15、和 B粉为先驱物，直径 1 0 mm，填充因子 2 6 ，采用先绕后反应 的方 法在 6 7 0 流通氢气中烧结 3 o 分 磁体尺寸为 2 5 l O 0 8 6 c m 整个磁体在 4 2 K自场条 件下 达到 1 2 0 A，J 达到 1 5 9 1 0 A c m2(4 2 K，0 T)美 国 Hy p e r Te c h 公 司与俄亥俄 州大合作 2 使用 1 O 米长 C T F F技术制备的 Mg B 2 F e C u 线材绕制了螺线管磁体，并研究 了 S iC(粉末 2 0 0 n m)掺杂对线材及磁体性能的影响 线材直径 1 2 m m，填充因子 2 5 结果 表明 S
16、i C掺杂可以提高线材在高场下 的临界 电流密度 美 国 L o s Al a mo s 实验室 2。采用热 等静压的P I T技术制备了Mg B 2 磁体，其技术特点是使用 2 5 米长直径 l m m的e x-s i t u P I T 法 Mg B 2 线材，包套材料为不锈钢，绕制成内径 3 0 m m，外径 4 5 ra m的 Mg B 2 磁体，然后在 2 0 0 MP压力下 9 0 0 C 热处理3 0 m i r L 该磁体在 2 5 K自场条件下产生了 1 T e s l a的磁场；在 4 2 K、1 2 5 T的背场下产生了 1 6 T的磁场 这 一结果是 目前报道 的最好结
17、果 说明用 Mg B 2 制造 MR I 用磁体是完全可行的 另外值得注意的是日本国立材料研究院 已经采用 1 O 米 长不锈钢包套 Mg B 2 线绕制了磁体，中心孔径 1 0 m m 在 4 2 K条件下，中心磁场为 5 0 0 0 高 斯 美国空军实验室 2 0 0 3年和 Hy p e r T e c h R e s e a r c h公司签定 2年的合同研发 Mg B 2 超导 线材用于制造 MH D磁体 O h i o S t a t e 大学和美国国家高场实验室(NH MF L)正在使用 H y p e r T e c h R e s e a r c h公司制造的 Mg B 2
18、超导线材绕制磁体线圈 这说明 Mg B 2 长线及磁体制 维普资讯 http:/ 8 2 2 低 温 物 理 学 报 2 7 卷 备技术正在日益受到重视，其研发速度正在加快 5结论与展望 二硼化镁超导材料的研究和发展虽然仅有 4年的时间 但是在世界范围内对二硼化镁 超导材料已进行了大量的研究，目 前对其超导电性已有了相当的了解，超导线材和磁体的制 备技术研究取得了很大进展，并初步显示出巨大的应用潜力 但是与经过几十年发展的低温 超导材料和高温超导材料相比，很多基础科学研究进行得不够充分，很多工作有待进一步深 入 1 J N a g m x a t s u，e t a 1 N a t u r e
19、，4 1 0(2 0 0 1)6 3 2 3 J M R o w e l 1 e t a L S u p e r c o n d S c i T e c h n o L，1 6(2 0 0 3)，R 1 7 3 I L F l fi k i g e r，P h y s i c a C 3 8 5(2 0 0 3)，1 2 3 5 4 八 G u r e v i c h，S u p e r c o n d S c i T e c h n o 1 1 7(2 0 0 4)2 7 8 5 v F e r r a n d o。P h y s R e u B，6 8(2 0 0 3)，0 9 4 5 1
20、 7 6 L K a mb a r a e t a 1 S u p e r c o n d S c i T e c h n o 1 ，1 4(2 0 0 1)，L，5 7 M n S u m p t i o n，e t a L AP P L l E DP H Y S I C S L E T T E R S 8 6(2 0 0 5)，0 9 2 5 0 7 8 M P u t t i，AP P L 脚P HY s J I=ls L E T T E R S 8 6(2 0 0 5)1 1 2 5 0 3 9 M E i s t e r e r，e t a L P h y s R e v L f 9
21、 0(2 0 0 3)，2 4 7 0 0 2 1 O n C L a r h a l e s t i e r，N a t u r e 4 1 0(2 0 0 1)，1 8 6 1 1 L j S L，e t a 1 Ph y s Re v B。6 4(2 0 0 1)，0 9 4 5 2 2 1 2 we n H H，e t a 1 P h y s R e v B 6 4(2 0 0 1)1 3 4 5 0 5 1 3 S X D o u S u p e r c o n d S c T e c h n o 1 ，1 5(2 0 0 2)，1 5 8 7 1 4 J S S o I t a n
22、 i a n，e t a L P h y s i c a C3 6 l(2 0 0 1)，8 4 1 5 Y Z h a o，e t a 1 S u p e r c o n d S c i T e c h n o 1 1 6(2 0 0 3)，l 1 8 2 1 1 8 6 1 6 3 F e n g Y，J o u r n a l o f P h y s i c s：C o n d e n s e d Ma t t e r 1 5(2 0 0 3)，6 3 9 5 1 7 G Gr a s s o S u p erc o n d S c L Te c h n o L，1 6(2 0 0 3)
23、，2 7 1 1 8 X X x i e t a L N a t u r e Ma t e r i a l s 1(2 0 0 2)，3 5 1 9 F e n g Y，e t a L P h y s i c a C3 8 6(2 0 0 3)，5 9 8 2 O M DS u m p t i o n e t a 1S u p e r c o ndS c i T e c h n o L t 1 7(2 0 0 4)1 1 8 O l 1 8 4 2 1 MDS u m p t i o n e t a L A P P L J E DP H Y S I C SL r 1 E R s 8 6(2 0
24、 0 5)，1 0 2 5 0 1 2 2 八 S e r q u i s，e t a 1 c o n d-m a t 0 4 0 4 0 5 2，2 3 S S h i mu r a，e t a L P h y s i a C(2 0 0 5)i n p r e s s 2 4 Y F e n g，e t a 1 P h y s i c a C(2 0 0 5)i n p re s s 维普资讯 http:/ 5 期 冯勇等：实用化 Mg B 2 超导材料研究进展 8 2 3 PROGRES S OF M g B2 S UPERCONDUCTOR FOR PRACTI CAL APPLI C
25、ATI ON F E N G YO N G YA N Gu o Z HA N G PI N G-XI A N G Z Ho u Lt A N No r t h w e s t I n s t i t u t e o r No n f e r r o u s Me ml Re s e a r c h，POBo x 5 1，Xi a n 7 1 0 0 1 6 (Re c e i v e d 1 Apr i l，2 0 0 5)W e r e p o r t t h e r e c e n t d e v e l o p me n t o f M g B z s u p e r c o n d u
26、 c t o r B o t h f r o m t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i me n t a l s t u d i e s，i t h a s b e e n f o u n d t h a t flu x p i n n i n g i n Mg B 2 c a n b e i mp r o v e d b y e l e me n t s d o p i n g，wh i c h c a n me e t t h e r e q u i r e me n t o f p r a c t i c a l a p p l i c a t
27、i o n Th e r e c e n t s t u d i e s o n Mg B z c o i l i n d i c a t e s t h a t i t i s p o s s i b l e t o ma k e Mg Bz s u p e r c o n d u c t i n g ma g n e t f o r M RI u s i n g M g B z wi r e s o r t a p e s，wh i c h c a n wo r k a t 2 0 K wi t h a c l o s e d c i r c l e r e f r i g e r a t
28、 o r a n d r e p l a c e LTS MRI f o r me d i c a l a p p l i c a t i o n Ke y w o r d s：M g s u p e r c o n d u c t o r，f l u x p i n n i n g，wi r e s a n d t a p e s，MRI ma g n e t S u p p o r t ed b y Na t i o n a l n a t u r a l s c i e n ce f o u n d a t i o n(5 0 4 7 2 0 9 9)a n d 8 6 3 p r o j e e t(2 0 0 2 AA)维普资讯 http:/