二硼化镁的形成机理及其成相控制

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1、二硼化镁的形成机理及其成相控制FormationMechanismandControllingofMagnesiumDiboridePhase一级学科学科专业作者姓名指导教师挝整抖堂皇王程挝魁堂史废盔割丞篮教援@天津大学材料科学与工程学院二零零八年一月摘要随着人们对二硼化镁(MgB。)超导材料研究的不断深入，关于其形成机理及成相控制的研究对高品质MgB。超导材料的制备具有越来越重要的指导意义。本文采用传统的固相烧结和高频感应熔炼的方法分别制备MgB。多晶块体材料及Mg—Cu—B三元合金，并结合显微组织观察、差热分

2、析技术、粉末烧结理论，热力学和动力学分析手段，系统研究了原位烧结过程及深过冷Mg-Cu-B合金熔体中MgB。相的形成规律。另外，在原位烧结过程中，通过对外加和tl生纳米MgO颗粒掺杂相自身演化规律和对MgB。相形成过程影响的研究，确定了这些影响与MgB2超导电性之间的必然联系。上述研究包含的主要内容和获得的结论有：利用高精度差热分析仪对Mg粉和B粉的混合试样进行烧结处理并同步监控其反应进程，在实验分析的基础上，结合经典烧结理论和多重扫描动力学分析方法，系统研究了原位烧结制备过程中多晶MgB。相的形成过程及成相机理

3、，并确定了最佳烧结工艺。结果表明：Mg粉和B粉在Mg熔化之前便已开始反应，直到1023K时才反应完全并生成多晶MgB。相，因此在略高于1023K烧结得到的样品具有高的超导转变温度。在Mg粉熔化之前，反应属于固一固反应阶段，相互接触的Mg和B颗粒通过原子之间的相互扩散在接触处形成固溶活化区，MgB。相便在该活化区内形成。多重扫描动力学分析结果显示：固一固反应所对应的最概然机理函数为Avrami—Erofeev，表明MgB：相在该阶段受随机形核和随后的瞬时生长方式所控制，生成的MgB。颗粒以纳米尺度存在且很难长大；M

4、g粉熔化以后，反应进入固一液反应阶段，熔融Mg的渗透和包覆作用促进了Mg和残余B之间的反应，与此同时，MgB。晶粒在该阶段按Ostwald熟化机制迅速长成规则的六边形。在上述工作基础上，同样采用热分析的手段，进一步研究了原位烧结过程中纳米AI。0。粉末掺杂对多晶MgB。相形成过程的影响，并确定了该影响与超导电性之间的内在联系。结果表明：在Mg粉和B粉原位烧结反应过程中，纳米AI。O。将与Mg发生反应而生成纳米MgO和单质Al，由此改变了MgB。相的形成进程。纳米MgO颗粒的析出限制了MgB。晶粒的长大，从而有效增

5、加了MgB。多晶体的晶界磁通钉扎作用。同时，纳米MgO颗粒自身也可作为有效的磁通钉扎中心，提高MgB。多晶体的临界电流密度。但随着纳米A1。O。粉末掺杂量的增多，析出的纳米MgO颗粒将发生局部团聚和长大而失去磁通钉扎作用，从而破坏了MgB。多晶体的整体超导电性。Al原子部分取代MgB：晶体结构中Mg原子的位置，从而破坏了它的电子结构而显著降低MgB：多晶体的临界转变温度。在原位烧结制备多晶MgB。超导体过程中，MgO作为第二相的析出不可避免。对自生MgO相的形成、演化规律及对超导电性能影响的研究发现：通过调整固一

6、固反应阶段的保温时间可实现自生纳米MgO颗粒的控制析出，并将其保留到固一液反应阶段的大角度MgB2晶界及表面处形成有效的磁通钉扎中心，从而得到高超导电性能的多晶MgB。超导体。选取共晶Mg。。．。Cu42．。和Cu。。．，Bm作为Mg和B的先驱相，采用高频感应熔炼的方法在常压及较低温度(1100℃)条件下熔配Mg。。Cu，。B。。三元合金。随后，利用循环过热的净化方法得到不同初始过冷度条件下的深过冷Mg，。Cu，。B。。合金，并借助经典形核理论和瞬态形核理论，讨论了Mg。。Cu，。B，。合金组织中MgB。和MgB

7、。相之间竞争形核的热力学和动力学条件，给出了过冷Mg。。Cu，。B。。合金组织中形成MgB。相的临界条件。结果表明：在小过冷度范围内，当过冷度大于某一临界过冷度时，MgB。相比MgB。相具有更低的形核功、更大的形核率和更短的形核孕育时间，因而MgB：相从与MgB。相的竞争形核中胜出，优先从合金熔体中形核并生长。然而，在大的初始过冷度(大于223K)下，MgB。相和MgB。相均具有较小的形核率和较长的形核孕育时间，很难从过冷熔体中形核。关键词：MgB。，烧结，深过冷，掺杂，成相机理，动力学ABSTI认CTThere

8、searchesontheformationmechanismandcontrollingofmagnesiumdiboride(MgB：)havebecomemoreandmoreimportantforguidingthepreparationofhighqualityMgB2superconductorsbyoptimzingthepreprationprocess