Диборид магния - Magnesium diboride

Диборид магния
Шаровидная модель части кристаллической структуры диборида магния
Диборид магния-3D-шары.png
Идентификаторы
3D модель (JSmol )
ChemSpider
ECHA InfoCard100.031.352 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
  • 234-501-2
Характеристики
MgB2
Молярная масса45,93 г / моль
Плотность2,57 г / см3
Температура плавления 830 ° С (1530 ° F, 1100 К) (разлагается)
Структура
Шестиугольный, hP3
П6 / ммм, №191
Если не указано иное, данные для материалов приведены в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверять (что проверитьY☒N ?)
Ссылки на инфобоксы

Диборид магния это неорганическое соединение с формулой MgB2. Это темно-серое нерастворимое в воде твердое вещество. Компаунд привлек внимание, потому что становится сверхпроводящий при 39 К (−234 ° C). По своему составу MgB2 разительно отличается от большинства низкотемпературных сверхпроводников, в которых в основном используются переходные металлы. Его сверхпроводящий механизм в первую очередь описывается Теория BCS.

Сверхпроводимость

Сверхпроводящие свойства диборида магния были открыты в 2001 году.[1] Его критическая температура (Тc) 39 K (−234 ° C; −389 ° F) является самым высоким среди обычные сверхпроводники. Среди обычных (фононный ) сверхпроводники, это необычно. Его электронная структура такова, что существует два типа электроны на Уровень Ферми с сильно различающимся поведением, один из них (сигма-склеивание ) будучи гораздо более сверхпроводящим, чем другой (пи-связь ). Это противоречит обычным теориям фононно-опосредованной сверхпроводимости, которые предполагают, что все электроны ведут себя одинаково. Теоретическое понимание свойств MgB2 почти достигнута путем моделирования двух энергетических разрывов. В 2001 году он считался скорее металлическим, чем металлическим. купратный сверхпроводник.[2]

Полу-Мейснер государство

С помощью Теория BCS и известные энергетические щели пи- и сигма-зон электронов (2,2 и 7,1 мэВ соответственно), пи- и сигма-зоны электронов имеют два разных длины когерентности (51 нм и 13 нм соответственно).[3] Соответствующие Лондонские глубины проникновения составляют 33,6 нм и 47,8 нм. Это означает, что Параметры Гинзбурга-Ландау равны 0,66 ± 0,02 и 3,68 соответственно. Первый меньше 1 /√2 а второе больше, поэтому первое, по-видимому, указывает на маргинальную сверхпроводимость I типа, а второе - на сверхпроводимость II типа.

Было предсказано, что, когда две разные зоны электронов дают две квазичастицы, одна из которых имеет длину когерентности, которая указывает на сверхпроводимость типа I, а одна из которых указывает на тип II, тогда в некоторых случаях вихри притягиваются на больших расстояниях и отталкиваются на короткие расстояния.[4] В частности, потенциальная энергия между вихри минимизируется на критическом расстоянии. Как следствие, возникает предполагаемая новая фаза, называемая полу-Мейснеровское государство, в котором вихри разделены критическим расстоянием. Когда приложенный поток слишком мал для того, чтобы весь сверхпроводник мог быть заполнен решеткой вихрей, разделенных критическим расстоянием, тогда эти области разделяются большими областями сверхпроводимости I типа, мейсснеровского состояния.

Экспериментальное подтверждение этой гипотезы недавно получено в MgB.2 эксперименты при 4,2 Кельвина. Авторы обнаружили, что действительно существуют режимы с гораздо большей плотностью вихрей. В то время как типичное изменение расстояния между абрикосовскими вихрями в сверхпроводнике II типа составляет порядка 1%, они обнаружили изменение порядка 50% в соответствии с идеей, что вихри собираются в домены, где они могут быть разделены критическим расстоянием. Период, термин сверхпроводимость типа 1.5 был придуман для этого государства.[3]

Синтез

Диборид магния был синтезирован, и его структура была подтверждена в 1953 году.[5] Простейший синтез включает высокотемпературную реакцию между бор и магний порошки.[2] Формирование начинается при 650 ° C; однако, поскольку металлический магний плавится при 652 ° C, реакция может включать диффузию паров магния через границы зерен бора. При обычных температурах реакции спекание минимальна, хотя рекристаллизация зерна достаточна для Джозефсона. квантовое туннелирование между зернами.[нужна цитата ]

Сверхпроводящий провод из диборида магния можно производить с помощью порошок в тюбике (ЯМА) ex situ и на месте процессы.[6] в на месте вариант, смесь бора и магния уменьшена в диаметре обычным волочение проволоки. Затем проволоку нагревают до температуры реакции с образованием MgB.2. в ex situ вариант, трубка заполнена MgB2 порошок, уменьшенный в диаметре и спеченный при температуре от 800 до 1000 ° C. В обоих случаях более позднее горячее изостатическое прессование при температуре около 950 ° C дополнительно улучшает свойства.[нужна цитата ]

Альтернативный метод, раскрытый в 2003 году, использует реактивную жидкостную инфильтрацию магния внутри гранулированной заготовки из порошков бора и был назван методом Mg-RLI.[7] Метод позволил изготавливать как высокоплотные (более 90% от теоретической плотности для MgB2) сыпучие материалы и специальные полые волокна. Этот метод эквивалентен аналогичным методам на основе роста расплава, таким как Метод обработки инфильтрации и роста используется для изготовления навалом YBCO сверхпроводники, в которых несверхпроводящий Y2BaCuO5 используется в качестве гранулированной преформы, внутрь которой проникают жидкие фазы на основе YBCO для создания сверхпроводящей массы YBCO. Этот метод был скопирован и адаптирован для MgB2 и переименован в Реактивная инфильтрация жидкости Mg. Процесс реактивной инфильтрации жидкости Mg в заготовке из бора для получения MgB2 был предметом патентных заявок итальянской компании Эдисон С.П.А..[нужна цитата ]

Гибридное физико-химическое осаждение из паровой фазы (HPCVD) был наиболее эффективным методом осаждения диборида магния (MgB2) тонкие пленки.[8] Поверхности MgB2 пленки, нанесенные другими технологиями, обычно грубые и нестехиометрический. Напротив, HPCVD система может расти качественно на месте чистый MgB2 пленки с гладкой поверхностью, которые необходимы для обеспечения воспроизводимости однородных Джозефсоновские переходы, фундаментальный элемент сверхпроводящих цепей.

Электромагнитные свойства

Свойства сильно зависят от состава и процесса изготовления. Многие свойства анизотропны из-за слоистой структуры. «Грязные» образцы, например, с оксидами на границах кристаллов, отличаются от «чистых» образцов.[9]

  • Самая высокая температура сверхпроводящего перехода Тc составляет 39 К.
  • MgB2 это сверхпроводник II типа, т.е. в него постепенно проникает увеличивающееся магнитное поле.
  • Максимальный критический ток (Jc) составляет: 105 Являюсь2 при 20 Т, 106 Являюсь2 при 18 Т, 107 Являюсь2 при 15 Т, 108 Являюсь2 при 10 Т, 109 Являюсь2 при 5 Т.[9]
  • По состоянию на 2008 год: Верхнее критическое поле (ЧАСc2): (параллельно ab плоскостей) составляет ~ 14 Тл (перпендикулярно ab плоскостей) ~ 3 Тл, в тонких пленках до 74 Тл, в волокнах до 55 Тл.[9]

Улучшение за счет допинга

Различные средства легирования MgB2 с углеродом (например, используя 10% яблочная кислота ) может улучшить верхнее критическое поле и максимальная плотность тока[10][11](также с поливинилацетат[12]).

5% легирование углеродом может повысить Hc2 с 16 до 36 т на спуске Тc всего от 39 К до 34 К. Максимальный критический ток (Jc) уменьшается, но легирование TiB2 может уменьшить уменьшение.[13] (Допинг MgB2 с Ti запатентовано.[14])

Максимальный критический ток (Jc) в магнитном поле значительно усиливается (примерно вдвое при 4,2 К) за счет легирования ZrB2.[15]

Даже небольшое количество легирования переводит обе полосы в режим типа II, и поэтому нельзя ожидать полумейсснеровского состояния.

Теплопроводность

MgB2 представляет собой многозонный сверхпроводник, то есть каждая поверхность Ферми имеет разную сверхпроводящую запрещенную зону. Для MgB2, сигма-связь бора сильна, и она вызывает большую s-волновую сверхпроводящую щель, а пи-связь является слабой и индуцирует малую s-волновую щель.[16] Квазичастичные состояния вихрей с большой щелью сильно ограничены ядром вихря. С другой стороны, квазичастичные состояния с малой щелью слабо связаны с ядром вихря. Таким образом, они могут быть делокализованы и легко перекрываться между соседними вихрями.[17] Такая делокализация может вносить большой вклад в теплопроводность, которая резко возрастает выше Hc1.[16]

Возможные применения

Сверхпроводники

Сверхпроводящие свойства и низкая стоимость делают диборид магния привлекательным для множества применений.[18] Для этих приложений MgB2 порошок прессуется с металлическим серебром (или нержавеющей сталью 316) в проволоку, а иногда и ленту через Порошок в тюбике процесс.

  • MgB2powder2.jpg
  • Pit process.gif
  • MgB2tape.jpg

В 2006 году открылось 0,5 тесла МРТ сверхпроводящий магнит система построена с использованием 18 км MgB2 провода. Эта МРТ использовала замкнутый контур криокулер, без необходимости подачи криогенных жидкостей извне для охлаждения.[19][20]

"... аппараты МРТ следующего поколения должны быть изготовлены из MgB2 катушки вместо NbTi катушки, работающие в диапазоне 20–25 К без охлаждения жидкого гелия. ... Помимо магнитных приложений MgB2 у проводников есть потенциал использования в сверхпроводящих трансформаторах, роторах и кабелях передачи при температурах около 25 K, в полях 1 T. "[18]

Проект на ЦЕРН сделать MgB2 В результате были созданы сверхпроводящие испытательные кабели, способные выдерживать ток 20000 ампер для применения в распределительных сетях с чрезвычайно высоким током, таких как предполагаемая версия светосильного кабеля с высокой светосилой. Большой адронный коллайдер. [21]

В IGNITOR токамак конструкция была основана на MgB2 для его полоидальных катушек.[22]

Тонкие покрытия могут использоваться в сверхпроводящих радиочастотных резонаторах для минимизации потерь энергии и снижения неэффективности ниобиевых резонаторов, охлаждаемых жидким гелием.

Из-за невысокой стоимости входящих в его состав элементов MgB2 перспективен для использования в сверхпроводящих магнитах с низким и средним полем, электродвигателях и генераторах, ограничителях тока короткого замыкания и токоподводах.[нужна цитата ]

Горючее, взрывчатые вещества, пиротехника

В отличие от элементарного бора, сгорание которого происходит не полностью из-за слоя стекловидного оксида, препятствующего диффузии кислорода, диборид магния сгорает полностью при воспламенении в кислороде или в смесях с окислителями.[23] Таким образом, борид магния был предложен в качестве топлива в поршневые форсунки.[24] Кроме того, использование MgB2 во взрывчатых веществах усиленного действия [25] и ракетное топливо было предложено по тем же причинам. Совсем недавно можно было показать, что ложные ракеты содержащий диборид магния /Тефлон /Витон отображать увеличение спектральной эффективности на 30–60%, Eλ (Дж г−1SR−1) по сравнению с классическим Магний / тефлон / витон (MTV) полезные нагрузки.[26]Также было исследовано применение диборида магния в гибридных ракетных двигательных установках, при смешивании соединения с частицами парафинового топлива для улучшения механических свойств и характеристик горения.[27]

Рекомендации

  1. ^ Нагамацу, Джун; Накагава, Норимаса; Муранака, Такахиро; Зенитани, Юджи; Акимицу, июн (2001). «Сверхпроводимость при 39 К в дибориде магния». Природа. 410 (6824): 63–4. Bibcode:2001Натура.410 ... 63Н. Дои:10.1038/35065039. PMID  11242039.
  2. ^ а б Larbalestier, D.C .; Cooley, L.D .; Rikel, M. O .; Полянский, А. А .; Jiang, J .; Patnaik, S .; Cai, X. Y .; Фельдманн, Д. М .; и другие. (2001). «Сильно связанный ток в поликристаллических формах сверхпроводника MgB2». Природа. 410 (6825): 186–189. arXiv:cond-mat / 0102216. Bibcode:2001Натурал.410..186л. Дои:10.1038/35065559. PMID  11242073.
  3. ^ а б Мощалков, В. В .; Менгини, Мариэла; Nishio, T .; Chen, Q .; Силханек, А .; Dao, V .; Чиботару, Л .; Жигадло, Н .; Karpinski, J .; и другие. (2009). «Сверхпроводники типа 1.5». Письма с физическими проверками. 102 (11): 117001. arXiv:0902.0997. Bibcode:2009ПхРвЛ.102к7001М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.102.117001. PMID  19392228.
  4. ^ Бабаев Егор И Speight, Мартин (2005). «Полумейсснеровское состояние и сверхпроводимость ни I, ни II типа в многокомпонентных системах». Физический обзор B. 72 (18): 180502. arXiv:cond-mat / 0411681. Bibcode:2005ПхРвБ..72р0502Б. Дои:10.1103 / PhysRevB.72.180502.
  5. ^ Джонс, Мортон Э. и Марш, Ричард Э. (1954). «Получение и структура борида магния, MgB.2". Журнал Американского химического общества. 76 (5): 1434. Дои:10.1021 / ja01634a089.
  6. ^ Б.А. Гловацки, М.Майорос, М. Виккерс, Дж. Эветтс, Ю. Ши и И. МакДугалл, Сверхпроводимость проводов MgB2 типа «порошок в трубке», Наука и технологии в области сверхпроводников, 14 (4) 193 (апрель 2001 г.) | DOI: 10.1088 / 0953-2048 / 14/4/304
  7. ^ Giunchi, G .; Ceresara, S .; Ripamonti, G .; Chiarelli, S .; Spadoni, M .; и другие. (6 августа 2002 г.). "MgB2 реактивное спекание из элементов ». IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости. 13 (2): 3060–3063. Bibcode:2003ITAS ... 13.3060G. Дои:10.1109 / TASC.2003.812090.
  8. ^ Xi, X.X .; Погребняков, А.В .; Xu, S.Y .; Chen, K .; Cui, Y .; Maertz, E.C .; Zhuang, C.G .; Ли, Ци; Lamborn, D.R .; Redwing, J.M .; Liu, Z.K .; Soukiassian, A .; Schlom, D.G .; Weng, X.J .; Дики, E.C .; Chen, Y.B .; Tian, ​​W .; Pan, X.Q .; Cybart, S.A .; Dynes, R.C .; и другие. (14 февраля 2007 г.). «MgB2 тонкие пленки методом гибридного физико-химического осаждения из газовой фазы ». Physica C. 456: 22–37. Bibcode:2007PhyC..456 ... 22X. Дои:10.1016 / j.physc.2007.01.029.
  9. ^ а б c Эйстерер, М (2007). «Магнитные свойства и критические токи MgB.2". Наука и технологии сверхпроводников. 20 (12): R47. Bibcode:2007SuScT..20R..47E. Дои:10.1088 / 0953-2048 / 20/12 / R01.
  10. ^ Hossain, M S A; и другие. (2007). «Значительное усиление Hc2 и Hirr в MgB2+ C4ЧАС6О5 сыпучих материалов при низкой температуре спекания 600 ° C ». Наука и технологии сверхпроводников. 20 (8): L51. Bibcode:2007SuScT..20L..51H. Дои:10.1088 / 0953-2048 / 20/8 / L03.
  11. ^ Ямада, H; Учияма, N; Мацумото, А; Китагучи, H; Кумакура, Х (2007). «Превосходные сверхпроводящие свойства MgB, обработанного методом порошка в трубке.2 ленты с добавлением этилтолуола и порошка SiC ». Наука и технологии сверхпроводников. 20 (6): L30. Bibcode:2007Сукт..20л..30л. Дои:10.1088 / 0953-2048 / 20/6 / L02.
  12. ^ Ваджпаи, А; Awana, V; Баламуруган, S; Такаямамуромати, E; Кишан, Н; Бхалла, Г. (2007). «Влияние допирования ПВС на закрепление флюса в объемном MgB.2". Physica C: сверхпроводимость. 466: 46–50. arXiv:0708.3885. Bibcode:2007PhyC..466 ... 46В. Дои:10.1016 / j.physc.2007.05.046.
  13. ^ "MgB2 Свойства, улучшенные легированием атомами углерода ». Azom.com. 28 июня 2004 г.
  14. ^ Чжао, Юн и другие. «Сверхпроводник на основе MgB2 с высокой плотностью критического тока и способ его изготовления» Патент США 6,953,770 , Дата выдачи: 11 октября 2005 г.
  15. ^ Ма, Ю. (2006). «Допинговые эффекты ZrC и ZrB2 в порошковой трубке обработан MgB2 ленты ". Китайский научный бюллетень. 51 (21): 2669–2672. Bibcode:2006ЧСБУ..51.2669М. Дои:10.1007 / s11434-006-2155-4. Архивировано из оригинал 15 февраля 2012 г.
  16. ^ а б Сологубенко, А. В .; Jun, J .; Казаков, С. М .; Karpinski, J .; Отт, Х. Р. (2002). «Теплопроводность монокристаллического MgB2". Физический обзор B. 66: 14504. arXiv:cond-mat / 0201517. Bibcode:2002PhRvB..66a4504S. Дои:10.1103 / PhysRevB.66.014504.
  17. ^ Накаи, Нориюки; Ичиока, Масанори; MacHida, Kazushige (2002). «Полевая зависимость электронной теплоемкости в двухзонных сверхпроводниках». Журнал Физического общества Японии. 71: 23. arXiv:cond-mat / 0111088. Bibcode:2002JPSJ ... 71 ... 23N. Дои:10.1143 / JPSJ.71.23.
  18. ^ а б Винод, К; Кумар, Р. Г. Абхилаш; Шьямапрасад, У (2007). «Перспективы MgB2 сверхпроводники для магнитного применения ». Наука и технологии сверхпроводников. 20: R1 – R13. Дои:10.1088 / 0953-2048 / 20/1 / R01.
  19. ^ «Первая система МРТ на основе нового сверхпроводника из диборида магния» (PDF). Колумбус Сверхпроводники. Архивировано из оригинал (PDF) на 2007-06-30. Получено 2008-09-22.
  20. ^ Браччини, Валерия; Нарделли, Давиде; Пенко, Роберто; Грассо, Джованни (2007). "Развитие ex situ обработанный MgB2 провода и их приложения к магнитам ». Physica C: сверхпроводимость. 456 (1–2): 209–217. Bibcode:2007PhyC..456..209B. Дои:10.1016 / j.physc.2007.01.030.
  21. ^ ЦЕРН высокоточный проект
  22. ^ Информационный бюллетень Ignitor
  23. ^ Koch, E.-C .; Вайзер В. и Рот Э. (2011), Характеристики горения бинарных пиролантов на основе Mg, MgH2, МгБ2, Mg3N2, Mg2Si и политетрафторэтилен, ЕВРОПИРО 2011, Реймс, Франция
  24. ^ Уорд, Дж. Р. "MgH2 и Sr (NO3)2 пиротехнический состав » Патент США 4,302,259 Выпущено: 24 ноября 1981 г.
  25. ^ Вуд, Л. и другие. «Легкие металлические взрывчатые вещества и метательные вещества» Патент США 6875294 , Выпущено: 5 апреля 2005 г.
  26. ^ Кох, Эрнст-Кристиан; Хахма, Арно; Вайзер, Фолькер; Рот, Эвелин; Кнапп, Себастьян (2012). «Металл-фторуглеродные пироленты. XIII: Композиции для высокоэффективных инфракрасных ловушек на основе MgB.2 и Mg2Si и политетрафторэтилен / Viton® ». Топливо, взрывчатые вещества, пиротехника. 37 (4): 432. Дои:10.1002 / преп.201200044.
  27. ^ Бертольди, AEM, Bouziane, M, Lee, D, Hendrick, P, Vandevelde, C, Lefebvre, M, и Veras, CAG. «Разработка и испытание присадки на основе магния для топлива для гибридных ракет». 15-я Международная конференция по космическим операциям, 2018.

внешняя ссылка