一种高致密MgB2块材的制备方法与流程
一种高致密MgB2块材的制备方法与流程
MgB2（镁硼化合物）是一种具有超导特性的材料，自2001年被发现以来，因其组成元素简单、原料成本低、材料本征各向异性较弱等优势，被广泛认为是最有可能率先实现大规模应用的超导材料。本文介绍了一种新型的高致密MgB2块材制备方法，通过优化制备工艺，解决了现有方法中存在的成本高、致密度低等问题。
背景技术
2001年，MgB2被发现在临界温度（Tc）为39K时具备超导特性，这一发现引起了研究人员的广泛关注。由于其组成元素简单、原料成本低、材料本征各向异性较弱以及临界温度相对较高等优势，MgB2被国内外普遍认为是最有可能率先实现大规模应用的超导材料，具有比较广阔的商业化前景。
在磁共振成像（MRI）领域，研究人员认为未来MgB2有可能取代成本极高、热稳定性较差的NbTi及Nb3Sn，进一步降低MRI系统的制造和使用成本。此外，MgB2块材也有潜力作为固体氧化物燃料电池中的储氢材料、航空领域的推进剂、Li-S电池中的阴极溶液，甚至在光催化等领域中得到应用（Green Chemistry Letters and Reviews, 2022, 15(3):646-657）。
目前制备MgB2块材的方法主要包含热等静压法和固相烧结法。热等静压法可以制备出致密几乎100%的高性能MgB2块材，然而其设备成本高、工序复杂，不适用于大批量的商业化生产。固相烧结法虽然工序简单，容易操作，然而固相烧结法制备得到的MgB2块材常伴随晶粒间连接性差、孔洞多、致密低等缺点，导致MgB2块材的临界电流密度Jc较低，严重限制了其商业化应用进程。也有研究人员采用Mg粉和B粉共混后的两步热处理法制备高致密的MgB2块材。
现有制备方法存在的问题：热等静压法成本较高，难以满足工业化需求；固相烧结法制备出的MgB2是疏松多孔的低致密块材；而两步法的问题在于反应充分性不足，可能出现Mg或B的剩余；此外，长时间高温保温处理容易产生MgB4等非超导相，影响晶粒连接性。
技术实现思路
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高致密MgB2块材的制备方法。该方法先将B粉压制成致密的B块后再在其周围铺设Mg粉进行热烧结处理，使得Mg粉向位于中心的B块扩散并快速生成MgB2块材，而生成MgB2时产生的空隙集中在外部，从而获得高致密MgB2块材，且不易发生Mg、B的残留，降低制备成本，解决了现有制备方法成本高、MgB2为疏松多孔的低致密块材的难题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高致密MgB2块材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：将B粉放入玛瑙研钵充分研磨，另取Mg粉放入另一玛瑙研钵充分研磨，分别获得均匀无团聚的研磨B粉及研磨Mg粉。
步骤二：将步骤一中获得的研磨B粉放入压块模具中，然后装载到液压机上进行压制，得到B块。
步骤三：将步骤二中得到的B块置于压块模具中，并在B块周围铺设步骤一中获得的研磨Mg粉，然后装载到液压机上进行压制，得到混合块体。
步骤四：将步骤三中得到的混合块体装入石英舟中，并用铁丝将石英舟密封，然后置于管式真空炉中，在氩气氛围保护下升温进行热烧结处理，随后随炉冷却，得到高致密MgB2块材。
本发明中将B块置于压块模具中后，在B块周围铺设研磨Mg粉，避免了在B块底部铺设Mg粉导致压制后的混合块体中B块底部平整度难以保持控制的问题，提高了制备方法的重复稳定性，简化了操作工艺。
步骤一中所述Mg粉和B粉的质量比为1～1.3:1。本发明通过控制Mg粉和B粉的质量比，以弥补后续热烧结过程中Mg粉的挥发损失，保证Mg粉和B粉之间的反应充分进行，从而获得高纯度的MgB2相。
步骤二中所述压制采用的压强为4MPa～20MPa，保压时间为3min～20min。
步骤三中所述压制采用的压强为4MPa～20MPa，保压时间为3min～20min。
本发明通过控制两次压制的压强和保压时间，以使得易碎的B块顺利成型，进而获得完整的混合块体。
步骤四中所述热烧结处理采用的升温速率为5℃/min，烧结温度为500℃～900℃，保温时间为30min～300min。本发明通过控制烧结的工艺参数尤其是烧结温度，使得Mg粉和B粉充分反应生成MgB2相，同时避免温度过高导致晶粒长大、并生成MgB4和过多的MgO，造成MgB2的相纯度降低，进而影响MgB2块材性能的问题。
技术创新点
不同于常规固相法的烧结过程中Mg熔化向B扩散与B发生反应、在原位留下空隙导致MgB2为疏松多孔的低致密块材，本发明先将B粉压制成致密的B块后再在其周围铺设Mg粉，从而热烧结过程中周围的Mg粉向位于中心的B块扩散并快速生成MgB2块材，使得Mg粉扩散原位留下的空隙即生成MgB2时产生的空隙集中在外部，获得高致密MgB2块材。
本发明的制备过程中B块被Mg包裹，增加了Mg与B的扩散界面，促进了Mg与B的充分反应，故生成的MgB2块材纯度高，不易发生Mg、B的残留。
本发明的制备方法简单，无需复杂设备，仅需对压块模具有要求，故制备成本低，可实现工业化生产。