Cu/Y2O3掺杂MgB2的组织控制及动力学分析动力学论文导读:：本文对不同Y2O3含量的Cu/Y2O3共掺杂MgB2的体系进行了研究，样品通过传统的固相烧结法制备。结合扫描电镜和X-射线衍射技术的分析发现，只有在5wt%Y2O3掺杂的样品中获得了层状组织。选择5wt%Y2O3含量的体系结合热分析曲线对固相反应阶段进行了动力学分析，得出最概然机理函数为Avrami-Erofeev,n=2，表达式为2[-ln(1-α)]1/2。其意义是随机形核和随后的瞬时生长。反应的活化能和指前因子均先趋于稳定后减小。论文关键词：MgB2超导体，显微组织，动力学1.引言自从2001年MgB2的超导电性被发现以来[1]，引起了各国学者的普遍关注。由于它在金属间化合物中表现出最高的超导转变温度39K，MgB2一度成为众多研究工作的主题。经过十年的发展，关于MgB2的研究日趋成熟。与高温铜氧化物超导体相比，它具有诸如穿晶损耗低、相干长度大和临界电流密度高等优点[2,3]。但是由于自身缺少磁通钉扎中心，纯MgB2的临界电流密度随着外加磁场的升高而急剧下降[4]，大大限制了其实际应用。因此目前的研究仍集中在向MgB2中引入更多的磁通钉扎中心，提高在高磁场下的临界电流密度。在过去的探索中，研究人员们尝试进行了金属和含碳化合物的掺杂[5,6]。目前已经证实，只有一少部分的金属（如Li、Al、Cu）掺杂能够对其超导性能产生有利的影响[7,8]。其中，Cu掺杂MgB2已经被学者们广泛研究[9,10]，研究结果表明，微量的Cu掺杂并不会显著降低Tc，反而会使Jc在低场下有所提高。低场下的临界电流密度与晶粒间连接性有密切关系，Ma等人[11]证实了Cu掺杂可以形成层状结构，从而改善晶粒间连接性。另外，Cu与Mg在485oC下形成共晶液相，也可以起到活化烧结的作用[12]。关于Cu掺杂的研究至今仍在继续[13]。但是受Cu的掺杂量的限制，少量单独掺杂Cu并没有引入更多的磁通钉扎中心，所以高场下的Jc仍处于较低的水平。因此，需要引入一种既能保留Cu掺杂带来的层状组织、又能引入更多的磁通钉扎中心的掺杂物。在以往的研究中[14,15]，已经证实稀土元素（RE）可以与B形成四硼化物（REB4）或六硼化物（REB6）杂质相来做为磁通钉扎中心。Wang等人[16]选择了Y2O3进行实验动力学，并借助透射电镜观察分析了YB4相的钉扎机制，分析了临界电流密度提高的原因。本文选择Cu和Y2O3作为共同掺杂物，选择合适的掺杂量对Cu/Y2O3+MgB2体系进行组织控制，并对固相反应动力学机理进行了分析。2.实验过程将Mg粉（纯度99.5%，颗粒度100μm）、B粉（纯度99%，颗粒度20μm）、Cu粉（纯度99.7%，颗粒度3μm）和Y2O3（纯度99.99%，颗粒度30nm）按照（MgB2）0.97Cu0.03+xwt.%Y2O3的比例（x=2、5和10）混合后，分别在玛瑙研钵中进行充分研磨。待混合均匀后压制成Φ5×2mm的圆柱体。成型的样品分别在高温差示扫描量热仪（NETZSCHDSC404CPeganus）中进行烧结和同步监控。以20K/min的速率升温至850oC保温30min后，再以40K/min的速率降至室温。整个过程在流通的高纯氩气下进行。烧结的样品在X-射线衍射仪（RigakuD/max2500CuKα）下进行物相分析，在扫描电子显微镜（JSM-7001F）下进行组织观察。3.实验结果与讨论3.1添加不同质量分数的Y2O3对显微组织的影响(b)(a)(c)图1烧结(MgB2)0.97Cu0.03+xwt.%Y2O3样品的扫描电镜照片，其中（a）x=2、(b)x=5和(c)x=10图1给出了不同Y2O3掺杂量的MgB2样品的扫描电镜照片，只有在5wt.%Y2O3掺杂的样品中出现了明显的层状组织，而在2wt%Y2O3掺杂的样品中，只有少量层状晶粒产生，10wt%Y2O3掺杂的样品中则有大量的杂质相聚集在晶粒间。图2不同Y2O3含量的Cu/Y2O3掺杂MgB2样品的X射线衍射图谱图3不同Y2O3含量的Cu/Y2O3掺杂MgB2样品中MgO和YB4杂质相的含量结合X－射线衍射分析来确定不同Y2O3含量对烧结样品的相组成的影响。图2给出了不同含量的Y2O3掺杂MgB2样品的X射线衍射谱图。从图中可以看出，MgB2在三个样品中都为主相，MgO、YB4和MgCu2为杂质相，在10wt%Y2O3掺杂的样品中，还存在剩余的Y2O3。由于Mg易氧化的特点，MgO是烧结过程中无法避免的杂质相。YB4是由于Y2O3的添加与B发生反应B+Y2O3=YB4+BO↑[19]而生成，Mg2Cu则是由于Cu的添加与Mg发生反应2Mg2Cu+6B=3MgB2+MgC...