介紹

醋酸釔水合物在二硼化鎂（MgB2）超導(dǎo)體改性中展現(xiàn)出優(yōu)異的摻雜效果，通過同步優(yōu)化MgB2的電子結(jié)構(gòu)與微觀結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了MgB2帶材臨界電流密度-磁場（Jc?B）性能的顯著提升。

圖一 醋酸釔水合物

優(yōu)勢

醋酸釔水合物能在制備過程中避免前驅(qū)體粉末（鎂粉與硼粉）團(tuán)聚，確保MgB2帶材超導(dǎo)芯的均勻性。其次，醋酸釔具有與MgB2形成溫度（700-850℃）匹配的適宜熱分解溫度，在燒結(jié)過程中可可控分解產(chǎn)生高活性新鮮碳，能在MgB2生成的同時(shí)實(shí)現(xiàn)碳對(duì)硼（B）的同步取代，避免了傳統(tǒng)摻雜劑因反應(yīng)溫度不匹配導(dǎo)致的摻雜效率低下問題。醋酸釔水合物同時(shí)含有釔（Y）與有機(jī)碳基團(tuán)，分解后不僅能為晶格改性提供碳源，釔還能與體系中的硼、氧反應(yīng)形成納米級(jí)稀土硼化物和氧化物沉淀，這些納米相可作為有效的磁通釘扎中心，顯著提升MgB2在高磁場下的磁通釘扎能力。

在MgB2帶材中的摻雜工藝

醋酸釔水合物在MgB2/Fe帶材中的摻雜主要基于原位PIT工藝，摻雜量與燒結(jié)溫度是關(guān)鍵工藝參數(shù)。以球形鎂粉（10μm，99.5%）和硼粉（1-2μm，99.99%）為原料，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、5、10、20wt%的醋酸釔水合物粉末?；旌显显诳諝庵幸?50rpm轉(zhuǎn)速球磨1h實(shí)現(xiàn)均勻分散，隨后填充至純鐵管中，經(jīng)旋鍛、拉拔、軋制加工為寬度3.8mm、厚度0.5mm的帶材。制備的帶材樣品在流動(dòng)氬氣氛圍中于700-850℃燒結(jié)1h以防止氧化，并原位形成超導(dǎo)芯相。

采用CuKα輻射的X射線衍射（XRD）進(jìn)行物相鑒定與晶格參數(shù)分析；利用掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散X射線光譜（EDX）觀察晶粒形貌與元素分布；借助物理性能測量系統(tǒng)（PPMS）通過直流磁化法測試超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）；在4.2K、最高15T磁場下，采用標(biāo)準(zhǔn)四探針法（判據(jù)為1μV?cm?1）測量傳輸臨界電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，醋酸釔水合物摻雜對(duì)MgB2的結(jié)構(gòu)與性能具有顯著調(diào)控作用，且摻雜量與燒結(jié)溫度之間存在最優(yōu)匹配關(guān)系。

提升超導(dǎo)性能的機(jī)制

醋酸釔水合物摻雜改善MgB2帶材高場Jc?B性能，是碳取代硼與磁通釘扎增強(qiáng)協(xié)同作用的結(jié)果，具體體現(xiàn)在MgB2的晶格、相組成及微觀結(jié)構(gòu)變化上。

XRD分析表明，燒結(jié)過程中醋酸釔水合物分解釋放的自由碳會(huì)取代MgB2晶格中的硼原子。摻雜后MgB2的（110）衍射峰向高角度偏移，表明晶格a軸顯著收縮，而（002）峰幾乎無偏移，說明c軸基本不受影響。這種各向異性晶格畸變?cè)从谔嫉脑影霃叫∮谂?，?dǎo)致MgB2體系中電子雜質(zhì)散射增強(qiáng)，進(jìn)而提升上臨界磁場（Bc2），同時(shí)，碳取代導(dǎo)致?lián)诫s樣品的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc略有下降（700℃下純樣品Tc為37.5K，10wt%摻雜樣品為32K），但Tc隨燒結(jié)溫度升高而上升，這與高溫下超導(dǎo)芯結(jié)晶度改善相關(guān)。

醋酸釔水合物中的釔在燒結(jié)過程中與體系中的硼反應(yīng)生成YB4納米相，分解產(chǎn)物Y2O3進(jìn)一步與過量鎂反應(yīng)促進(jìn)MgO納米顆粒形成。YB4和MgO納米顆粒均勻分布于MgB2基體中，且摻雜樣品（100）衍射峰的半高寬（FWHM）顯著大于純樣品（700℃下10wt%摻雜樣品為0.754，純樣品為0.310），表明醋酸釔摻雜細(xì)化了MgB2晶粒尺寸、增加了晶界數(shù)量。納米級(jí)YB4、MgO與晶界共同構(gòu)成了MgB2的多級(jí)磁通釘扎中心體系。歸一化體積釘扎力測試顯示，摻雜樣品的釘扎力最大值向高磁場區(qū)域顯著偏移，意味著在高磁場下磁通釘扎能力大幅增強(qiáng)，有效抑制了磁力線運(yùn)動(dòng)，從而維持了較高的Jc。

800℃燒結(jié)的10wt%醋酸釔水合物摻雜樣品的EDXmappings顯示，C、Y、Mg、B、O元素在超導(dǎo)芯中均勻分散，未出現(xiàn)大晶粒偏聚或元素團(tuán)聚現(xiàn)象。碳的均勻分布確保了晶格取代的均一性，避免了因摻雜不均導(dǎo)致的局部性能劣化；釔基納米沉淀的均勻彌散保證了整個(gè)基體中磁通釘扎的一致性，而氧的均勻分布（對(duì)應(yīng)MgO）進(jìn)一步提升了微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，摻雜后MgB2的晶界更清晰，小晶粒尺寸增加了晶界數(shù)量，進(jìn)一步強(qiáng)化了磁通釘扎效應(yīng)，這與高Jc的Nb3Sn超導(dǎo)體機(jī)理相似。

圖二 醋酸釔水合物摻雜MgB2帶材的SEM和EDX圖

最優(yōu)摻雜條件與高場超導(dǎo)性能

在4.2K下，10wt%醋酸釔水合物摻雜、800℃燒結(jié)的MgB2/Fe帶材在12T磁場下的傳輸Jc達(dá)到近104A?cm?2，是相同條件下純樣品的20倍；即使在14T磁場下，Jc仍維持在約4×103A?cm?2，展現(xiàn)出優(yōu)異的高場載流能力。當(dāng)摻雜量低于10wt%（5wt%）時(shí)，碳取代與納米沉淀相形成不足，磁通釘扎與晶格改性效果有限；當(dāng)摻雜量超過10wt%（20wt%）時(shí)，過量醋酸釔水合物導(dǎo)致YB4、MgO等雜質(zhì)相增多，降低了超導(dǎo)芯的有效截面積并阻礙超流傳輸，導(dǎo)致Jc下降。對(duì)于燒結(jié)溫度而言，700℃會(huì)導(dǎo)致MgB2形成不完全、醋酸釔分解不充分，850℃則會(huì)造成晶粒長大并減少磁通釘扎中心數(shù)量，因此800℃實(shí)現(xiàn)了相形成完全、摻雜反應(yīng)充分與晶粒尺寸細(xì)小的平衡。13T以下，丙酮摻雜樣品因晶粒尺寸更小，Jc略高于醋酸釔摻雜樣品；但在13T以上，Jc顯著更高，這歸因于額外的YB4納米沉淀提供了更強(qiáng)的高場磁通釘扎[1]。

圖三 摻雜醋酸釔水合物后的磁臨界電流密度

參考文獻(xiàn)

[1] WANG D L, GAO Z S, ZHANG X P, et al. Enhanced Jc-B properties of MgB2 tapes by yttrium acetate doping[J]. Superconductor Science and Technology, 2011,24(7):075002.