二维磁通钉扎中心的构筑及其提高MgB2临界电流密度机理的研究

论文摘要

MgB2的超导转变温度为39 K,可以摆脱昂贵的液氦制冷技术而使用,因此相比于传统低温超导体其应用成本较低。但MgB2的本征磁通钉扎中心不足,使其临界电流密度在磁场中迅速降低,限制了其推广应用。晶界为MgB2的本征钉扎中心,化学掺杂可在材料中诱导非本征钉扎中心的产生。MgB2钉扎中心的类型可分为点钉扎中心、面钉扎中心（二维钉扎中心）和体钉扎中心。钉扎中心的类型、尺寸、分布等影响样品的磁通钉扎力、连接性以及磁场载流能力（Jc（H））。点钉扎中心钉扎作用小,且只能与单根磁通线相互作用;体钉扎中心较严重地破坏样品的连接性,实用性差;二维钉扎中心钉扎作用强,可同时与多根磁通线相互作用,且对样品的连接性影响较小,故可高效地提高样品的磁通钉扎能力。钉扎中心在样品中的聚集也会破坏材料的连接性,不利于提高Jc（H）。为提高MgB2的磁场载流能力,需要在材料中构筑均匀分布的二维钉扎中心,提高样品的磁通钉扎力,同时保持样品较好的连接性。本研究分两个部分,首先通过间苯二酚和甲醛在硼粉表面的聚合及热解制备了碳包覆的硼粉（B@C）,以其制备了MgB2超导块体并分析了样品的微观结构、转变温度、临界电流密度、不可逆场以及磁通钉扎机制等。结果表明,均匀的碳包覆层在制备MgB2的过程中原位产生了原子取代（C原子取代B原子）,同时引入了二维碳层结构作为钉扎中心,二维钉扎中心钉扎作用较强且对样品的连接性影响较小,可显著提高样品在磁场中的临界电流密度。其次,本研究将以上结果与利用石墨烯包覆硼粉（B@G）和石墨相氮化碳包覆硼粉（B@CN）制备MgB2的研究结果进行了比较,分析了不同二维材料及不同的包覆手段对MgB2的微观结构、转变温度、临界电流密度、不可逆场以及磁通钉扎机制等的影响。结果表明,三种二维材料包覆硼粉均在制备MgB2的过程中诱导了二维钉扎中心的产生,提高样品的钉扎力以及Jc（H）,其中包覆手段及二维材料的种类影响钉扎中心分布的均匀性以及样品的连接性。B@C与B@G和B@CN相比包覆层较均匀、与硼粉的接触较充分,在对应的MgB2样品中产生了更加充分的原子取代和分布较均匀的二维钉扎中心;石墨烯在MgB2制备过程中可引导MgB2晶粒的生长,提高样品的连接性;石墨相氮化碳在MgB2制备过程中伴随着自身分解及与硼粉反应等副反应,在材料中产生了纳米颗粒状杂质相,可作为点钉扎中心,但同时在样品中留下了较大尺寸的杂质相,破坏样品的连接性。综上研究结果可知,提高MgB2的磁场载流能力需要在材料中引入钉扎中心,同时维持材料较好的连接性,在材料中构筑均匀分布的二维钉扎中心可实现这一点,进而提高样品的磁场载流能力,推动MgB2超导体的实用化发展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 超导体的相关理论
•     1.1.1 超导体的临界参数及超导态的基本效应
•     1.1.2 BCS理论
•     1.1.3 磁通钉扎及临界态模型
•     1.1.4 磁通钉扎的分类
• 2 超导电性的发现及其应用前景'>  1.2 MgB₂超导电性的发现及其应用前景
• 2超导体的研究现状'>第二章 MgB₂超导体的研究现状
• 2 的基本结构和性能'>  2.1 MgB₂的基本结构和性能
• 2 的结构及其双能隙'>    2.1.1 MgB₂的结构及其双能隙
• 2 的各向异性'>    2.1.2 MgB₂的各向异性
• 2 的磁场载流能力'>    2.1.3 MgB₂的磁场载流能力
• 2 超导体的制备'>  2.2 MgB₂超导体的制备
• 2的反应机理'>    2.2.1 MgB₂的反应机理
• 2 制备方法'>    2.2.2 MgB₂制备方法
• 2制备的影响'>    2.2.3 烧结条件对MgB₂制备的影响
• 2的磁场载流能力'>  2.3 化学掺杂提高MgB₂的磁场载流能力
•     2.3.1 纳米SiC掺杂
•     2.3.2 有机物掺杂
•     2.3.3 二维材料掺杂
•   2.4 本文的研究内容及意义
• 第三章 研究方案及表征
•   3.1 研究方案
•     3.1.1 实验原料及试剂
•     3.1.2 样品制备方法
•   3.2 样品的物相及微观结构表征
• 2 的电磁性能表征'>  3.3 MgB₂的电磁性能表征
• 2的J_c（H）'>第四章 碳包覆硼粉构筑二维钉扎中心提高MgB₂的J_c（H）
•   4.1 碳包覆硼粉的物相及结构分析
• 2 的物相和微观结构分析'>  4.2 MgB₂的物相和微观结构分析
• 2 样品的超导性能分析'>  4.3 MgB₂样品的超导性能分析
• 2 样品的超导转变'>    4.3.1 MgB₂样品的超导转变
• 2 样品的临界电流密度及钉扎力'>    4.3.2 MgB₂样品的临界电流密度及钉扎力
• 2 样品的磁通钉扎机制'>  4.4 MgB₂样品的磁通钉扎机制
•   4.5 本章小结
• 2J_c（H）的比较'>第五章 不同二维材料包覆硼粉构筑二维钉扎中心提高MgB₂J_c（H）的比较
•   5.1 硼粉前驱体的物相及结构
• 2 的物相及结构'>  5.2 MgB₂的物相及结构
• 2 超导性能的比较分析'>  5.3 MgB₂超导性能的比较分析
•     5.3.1 超导转变
•     5.3.2 临界电流密度
•     5.3.3 磁通钉扎机制
•   5.4 本章小结
• 第六章 结论和展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文及申请的专利
• 作者在攻读硕士学位期间所作的项目
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 康吉祥

导师: 李文献

关键词: 超导体,二维磁通钉扎中心,碳包覆硼粉,石墨烯包覆硼粉,石墨相氮化碳包覆硼粉

来源: 上海大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,材料科学,电力工业

单位: 上海大学

分类号: TM26

DOI: 10.27300/d.cnki.gshau.2019.000288

总页数: 90

文件大小: 10596K

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