[0001] 本发明属于超导技术领域，特别提出高载流“低活性”Mg11B2同位素超导块体低温烧结制备技术。

[0002] 2001年初Nagamatsu等人发现超导临界转变温度(Tc)39K的MgB2新超导体，引起科学界广泛的关注。MgB2具有结构简单，相干长度长，临界电流密度较高，化学性能稳定等优良的特能。

[0003] 受控热核聚变能是人类的终极理想清洁能源。利用强磁场约束高温等离子体的托卡马克(Tokamak)被认为是最有希望实现可控热核聚变反应的装置。作为托卡马克的关键组成部分，稳定超导磁体系统的研发，无论是对于当前正在运行和建设的试验装置还是对于未来的聚变工程实验堆或商业示范电站，都面临着巨大的挑战。目前在国际热核聚变实验反应堆(ITER)中广泛采用的各类铌基超导线材感应放射性衰减时间非常长，这无疑会增加建设成本和使用成本，并且会给环境带来一定的负担。另一方面，MgB2的放射率在短时间内可衰减到手动维护回收的水平，这意味着MgB2超导磁体可以实现手动维护，因此MgB2被认为是“低活性”超导材料。而且MgB2本身结构简单、原材料价格低廉、加工合成工艺简便等特点都确保了实用化MgB2超导线材的超低成本生产。通过以上对比可以发现，MgB2超导线材，作为“低活性超导磁体”的候选材料，在聚变反应堆中拥有很大的应用前景。但是，在此前使用的B原料是由自然界的硼单质，主要由20％10B和80％11B的同位素组成，其中10B是核工业的重要材料，因其热中子俘获截面大，主要用作反应堆的中子吸收剂或屏蔽材料。在中子辐照环境下10B会发生10B+n→7Li+He(gas)反应，导致线材中MgB2超导体积分数下降，从而在一定程度上影响MgB2超导磁体的长期稳定性这就大大限制了MgB2的应用范围。为解决这一问题，在此发明中用 11B代替之前使用的自然B。以往大量的研究还处于用理论计算预测性能的初级阶段，仅有的几例实验制备的块体的超导性能也都不太理想。在前期的尝试中也遇到同样的问题，由于Mg和11B反应活性过低引起氧化严重，导致样品失效。临界电流密度是超导 体载流能力大小的重要表征，本发明使用低温烧结的方法获得了迄今为止性能最好，具有高临界电流密度(高的载流能力)的Mg11B2同位素超导块材，因此，特别提出高载流“低活性”Mg11B2同位素超导块体低温烧结制备技术。

[0004] 本发明的目的在于提供一种能获得高载流“低活性”Mg11B2同位素超导块体的低温烧结制备技术，是目前为止具有最高临界电流密度的Mg11B2低活性超导块体材料，该材料为替代现役NbTi线材实现在ITER超导磁体中提供了很大的可能。

[0005] 本发明的材料是其分子式为Mg11B2，由Mg和11B两种元素组成，其原子比为Mg： 11B＝2:1，其晶体结构为六方结构；临界转变温度较高，化学性质稳定，成分简单。

[0006] 具体技术方案如下：

[0007] (1)将Mg粉和非晶11B粉按0.9～1.2：2的比例在玛瑙研钵中混合，然后在2～10MPa的压力下制成圆柱小片；

[0008] (2)将圆柱小片放入热重差热分析仪中，在流动的高纯氩气的气氛下，以10～40℃/min的速率升温至450～800℃，保温5～15小时，随后炉以10～40℃/min的冷却速度降至室温，合成Mg11B2同位素超导块体。

[0009] 高纯氩气纯度≥99.999％。

[0010] 本发明主旨是通过低温固相烧结的方法获得高载流“低活性”的Mg11B2超导块体材料。图1是ITER托卡马克超导线圈中可能采用的各类超导线材感应放射活性衰减时间变化，从图中可以发现，目前在ITER中广泛采用的各类铌基超导线材感应放射性衰减时间都非常长。如果远程维护回收标准设放射量率为10mSv/h，则需要超过一万年才能达到此标准，将给环境和放射物质处理过程带来严重的不利影响，且不能保证其长期运行的稳定性。与铌基超导体相比，MgB2的感应放射活性衰减时间非常短。在一年之内，MgB2的放射量率即可衰减到手动维护回收的水平(10μSv/h)，这意味着MgB2超导磁体可以实现手动维护。通过以上对比可以发现，MgB2超导线材，作为“低活性超导磁体”的候选合成材料，在聚变反应堆中拥有很大的应用前景。图2是烧结过程中的DTA曲线，可以看出选择不同温度进行保温烧结的反应强度是有差别的。

[0011] 从图3的X射线衍射图谱中可以看到，对于所有样品Mg11B2为主相，有少量的Mg和MgO存在，说明超导相为主相，并且有少量其它相与之共存，这将对超导性能产生一定的影响。

[0012] 图4给出了不同制备条件下试样烧结后试样和参照试样的临界电流密度，与参照样品比较，临界电流密度在高磁场下有显著的提高，最优曲线显示提高了16.8％，具有高的载流能力。

[0013] 本发明具有如下优点：本发明获得的具有高性能的Mg11B2超导是目前首次利用固相烧结方法获得的，此前大量实验方法获得的材料性能较低(且耗时长，有实验长达200个小时)甚至没有表征性能，仅仅对微观结构进行能讨论研究，但本发明在低温短时间的情况下获得了高性能的Mg11B2超导材料，克服了之前大量实验出现的严重氧化现象；该类材料的结构稳定，临界转变温度较高；制备方法简单可控，无污染，原料来源广泛，制备成本和使用成本都较低，具有广泛的应用前景。附图说明

[0014] 图1：ITER托卡马克超导线圈中可能采用的各类超导线材感应放射活性衰减时间变化图；

[0015] 图2：Mg11B2试样烧结过程的DTA曲线；

[0016] 图3：不同烧结条件试样的X射线衍射图谱(XRD)；

[0017] 图4：不同制备条件下试样烧结后试样和参照试样的临界电流密度。

[0018] 选取纯度为99.5％的Mg粉以及非晶11B的粉末，选取一定的比例进行混合，在设定压力下压成规格为规格Ф5×1.5mm的小片，以下实施例对本发明作进一步的详细说明：

[0019] 实施例1

[0020] 按摩尔比为Mg：11B＝0.9:2的比例将原料在玛瑙研钵中充分混合，然后将其在5MPa的压力下压成小片，将已压制好的试样放入热重差热分析仪(Mettler Toledo TGA/DSC1/)中，通入氩气进行低温烧结，设定程序为：升温速率为20℃/min，升至450℃后，在此温度保温烧结15个小时，然后以20℃/min的冷却速度降至室温,合成得到Mg11B2同位素超导块体。

[0021] 实施例2

[0022] 按摩尔比为Mg：11B＝1.05:2的比例将原料在玛瑙研钵中充分混合，，然后将其在 10MPa的压力下压成小片，将已压制好的试样放入热重差热分析仪(Mettler Toledo TGA/DSC1/)中，通入氩气进行低温烧结，设定程序为：升温速率为10℃/min，升至600℃后，在此温度保温烧结5个小时，然后以40℃/min的冷却速度降至室温，合成得到Mg11B2同位素超导块体。

[0023] 实施例3

[0024] 按摩尔比为Mg：11B＝1.2:2的比例将原料在玛瑙研钵中充分混合，然后将其在2MPa的压力下压成小片，将已压制好的试样放入热重差热分析仪(Mettler Toledo TGA/DSC1/)中，通入氩气进行低温烧结，设定程序为：升温速率为40℃/min，升至800℃后，在此温度保11
温烧结10个小时，然后以10℃/min的冷却速度降至室温，合成得到Mg B2同位素超导块体。

[0025] 仅选用Mg和11B为实验原料是为了制备更纯的Mg11B2，利用低温固相烧结的方法制备Mg11B2超导体，不仅可以有效的降低Mg的挥发，还可以降低氧化率，从而获得更纯的超导相，从图3可以看出，超导相Mg11B2相是主相，与少量其它相共存，但是通过对保温时间的控制，可以有效调整。通过各类超导线材感应放射活性衰减时间的对比(图1)可以发现，MgB2超导材料，作为“低活性超导磁体”的候选合成材料，在聚变反应堆中拥有很大的应用前景。图2是烧结过程中的DTA曲线，可以看出选择不同温度进行保温烧结的反应强度是有差别的。图4给出了不同制备条件下试样烧结后试样和参照试样的临界电流密度，与参照样品比较，临界电流密度在高磁场下有显著的提高，最优曲线明显提高了16.8％。

[0026] 本发明提出的一种高载流“低活性”Mg11B2同位素超导块体低温烧结制备技术，已通过实施例进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明的内容、精神和范围内对本文所述的制作方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明的技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

[0027] 本发明提出的一种高载流“低活性”Mg11B2同位素超导块体低温烧结制备技术，已通过实施例进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明的内容、精神和范围内对本文所述的制作方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明的技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。