[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究展示了通过在2 kbar和1000 °C下进行热等静压（HIPing）并采用DMCUP冷却循环，成功制备出最大直径达30 mm的块体、完全致密的镁硼化物（MgB2）样品。该方法获得的临界电流密度高，超导转变尖锐，机械性能（如体积累 modulus 142.5 GPa，杨氏模量 272.5 GPa）接近理论预测值，且由于微观结构特征，磁通钉扎能力得到增强。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的方法，用于制备大尺寸、高致密的块体MgB2超导体，以实现高临界电流密度。
• 研究热等静压处理后MgB2样品的机械与超导性能。
• 将显微结构与孔隙率与弹性常数及断裂韧性相关联。
• 评估热等静压MgB2的上临界场与不可逆场。
• 实现复杂形状、大直径MgB2部件的生产，以满足实际应用需求。

提出的方法

• 采用2 kbar和1000 °C的热等静压（HIPing）处理Alfa Aesar公司提供的MgB2粉末，以实现完全致密化。
• 采用DMCUP（加压下卸压）冷却循环，以维持密度并防止开裂。
• 利用共振超声光谱法（RUS）测量弹性常数，包括体积累模量和杨氏模量。
• 结合显微硬度与弹性常数估算断裂韧性。
• 采用标准输运与磁学技术测量超导转变温度、上临界场（Hc2）与不可逆场。
• 通过显微结构分析，将孔隙率与晶粒结构与磁通钉扎行为及机械性能关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 热等静压能否制备出完全致密、大直径的块体MgB2样品，并实现优异的超导性能？
• RQ2 热等静压MgB2的弹性常数与理论预测值相比如何？孔隙率在其中起什么作用？
• RQ3 热等静压MgB2的断裂韧性是多少？其与显微硬度及弹性性能的关系如何？
• RQ4 热等静压MgB2的上临界场与不可逆场与高压烧结样品相比如何？
• RQ5 显微结构在多大程度上影响块体MgB2中的磁通钉扎与临界电流密度？

主要发现

• 在2 kbar和1000 °C下进行热等静压并采用DMCUP冷却循环，成功制备出最大直径达30 mm、孔隙率极低的完全致密MgB2样品。
• 测得体积累模量为142.5 GPa，杨氏模量为272.5 GPa，与纯MgB2的理论值高度吻合。
• 孔隙率被确定为导致致密性较低样品中弹性常数降低的主要因素。
• 通过显微硬度与弹性常数估算断裂韧性，表明其机械完整性得到改善。
• 上临界场与不可逆场与在3 GPa下烧结的样品相当，表明其具有高质量的超导性能。
• 热等静压工艺形成的显微结构特征增强了磁通钉扎能力，从而贡献于高临界电流密度。