[論文レビュー] Bulk Magnesium Diboride, Mechanical and Superconducting Properties

V. F. Nesterenko|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2002

Metal and Thin Film Mechanics参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、2 kbarおよび1000 °Cでホットイソスタティックプレス（HIPing）を実施し、DMCUP冷却サイクルを用いることで、最大30 mmの直径に達するバルクで完全に密な二ホウ化マグネシウム（MgB2）試料の作製に成功した。この方法により、高い臨界電流密度、鋭い超伝導転移、理論的予測に近い機械的特性（例：体積弾性率142.5 GPa、縦弾性率272.5 GPa）が得られ、微細構造的特徴によるフラックスピンナップの向上も確認された。

ABSTRACT

Hot Isostatic Pressing was applied to synthesize bulk samples with diameter up to 30 mm starting with Alfa Aesar magnesium diboride powder. HIPing at 2 kbar, 1000 C with cooling under pressure (DMCUP cycle) resulted in a fully dense (or low porosity) material with a sharp superconducting transition and critical current comparable with the best reported. Elastic constants were measured using method of resonant ultrasound spectroscopy. Their values for most dense samples (bulk modulus 142.5 GPa and Young's modulus 272.5 GPa) are close to theoretically predicted values for solid magnesium diboride. Porosity is resposible for lower values of elastic constants. Fracture toughness is evaluated based on measurements of microhardness and elastic constants. Upper critical field and irreversibility field are comparable with data for samples sintered at 3 GPa. Microstructural propeties of HIPed smaples are responsible for enhanced flux pinning. Method allows scaling of the size of the samples and manufacture of complex shapes.

研究の動機と目的

• 大口径で高密度のバルクMgB2超伝導体を、スケーラブルな方法で高臨界電流密度で生産するための手法を開発すること。
• HIP処理されたMgB2試料の機械的および超伝導特性を調査すること。
• 微細構造および空孔率と弾性定数および破壊靭性との関係を明らかにすること。
• HIP処理されたMgB2の上臨界磁場および逆転磁場を評価すること。
• 実用的応用に適した複雑形状で大径のMgB2部品の生産を可能にすること。

提案手法

• アルファ・アエーサー社のMgB2粉末を2 kbarおよび1000 °Cでホットイソスタティックプレス（HIPing）処理し、完全な密実化を達成した。
• 密度を維持し亀裂の発生を防ぐために、圧力下で冷却するDMCUP（圧力下冷却）サイクルを用いた。
• 共鳴超音波分光法（RUS）を用いて、体積弾性率および縦弾性率を含む弾性定数を測定した。
• 微硬さおよび弾性定数を用いて破壊靭性を推定した。
• 標準的な電気的および磁気的測定法を用いて、超伝導転移温度、上臨界磁場（Hc2）、および逆転磁場を測定した。
• 微細構造的分析により、空孔率および結晶粒構造がフラックスピンナップおよび機械的挙動に与える影響を関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホットイソスタティックプレス処理により、完全に密で大口径のバルクMgB2試料を、高超伝導性能を発現させる形で作製可能か？
• RQ2 HIP処理されたMgB2の弾性定数は理論的予測と比較してどうか？空孔率はその影響をどのように及えるか？
• RQ3 HIP処理されたMgB2の破壊靭性はどの程度か？微硬さおよび弾性特性とどのように関連しているか？
• RQ4 HIP処理されたMgB2の上臨界磁場および逆転磁場は、高圧焼結試料と比較してどうか？
• RQ5 微細構造が、バルクMgB2におけるフラックスピンナップおよび臨界電流密度にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 2 kbarおよび1000 °CでHIPingを実施し、DMCUP冷却サイクルを用いることで、直径30 mmまで達する完全に密なMgB2試料が得られ、空孔率は極めて低かった。
• 体積弾性率は142.5 GPa、縦弾性率は272.5 GPaと測定され、純粋なMgB2の理論的値とよく一致した。
• 空孔率が、密度の低い試料における弾性定数の低下を主因とする要因であることが特定された。
• 微硬さおよび弾性定数を用いた推定により、機械的整合性の向上が示された。
• 上臨界磁場および逆転磁場は、3 GPaで焼結した試料と同等の値を示し、高品質な超伝導特性であることが確認された。
• HIPプロセスに起因する微細構造的特徴がフラックスピンナップを強化し、高臨界電流密度の達成に寄与した。