СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИБОРИДА МАГНИЯ Российский патент 2003 года по МПК C01B35/04 

Изобретение относится к способу получения слоистых высокотемпературных сверхпроводников состава MgB₂, которые могут найти применение в атомной энергетике (легкие поглощающие материалы), в промышленности (абразивные порошки), а также в различных приборах электронной, измерительной и вычислительной техники в качестве высокотемпературного сверхпроводящего материала с температурой перехода в сверхпроводящее состояние Т_c≤40 К.

Известен способ получения MgB₂. Изотопически чистый бор (99,5%, тонко измельченный порошок) и металлический магний (99,9%, в форме куска), взятые в стехиометрическом соотношении, заваривали в вакуумированную танталовую ампулу, которую затем запаивали в кварцевую ампулу и прокаливали в муфельной печи при температуре 950^oС в течение двух часов. После охлаждения образец извлекали из запечатанных ампул (S.L. Bud'ko, G. Lapertot, С. Petrovic et al, :cond-mat/0101463 31 Jan 2001).

Недостатком способа является использование ампульного синтеза, требующего специальной техники заваривания танталовых и кварцевых ампул. Кроме того, в процессе спекания происходит деформация танталовой ампулы за счет изменения объема порошкового бора в процессе реакции, что ведет к невозможности повторного использования ампул.

Известен способ получения MgB₂, в котором технический порошкообразный бор (99,05%) и металлический магний в виде куска (99,7%), взятые в количествах, превышающих стехиометрический состав Mg₃B₂, помещали в железный тигель, покрытый слоем из MgO, и нагревали в потоке водорода при температуре 800^oС в течение 1 часа. После охлаждения образца избыток магния, который представлял из себя металлический слиток, удаляли. Образец в виде порошка был использован для дальнейшей аттестации (М. Jones, R. Marsh, J. Amer. Chem. Soc., 1954, V.76, 5, P.1434-1436).

К недостаткам способа относится сложность получения вследствие использования взрывоопасного водорода, а также малый выход готового продукта, который не превышает 40%.

Таким образом, перед авторами стояла задача упростить процесс получения диборида магния с обеспечением возможно большего выхода конечного продукта.

Поставленная задача решена в способе получения диборида магния состава MgB₂ путем смешения порошка бора и металлического магния в соотношении, превышающем стехиометрическое, и последующий отжиг, в котором смешивают аморфный бор и стружку металлического магния, а отжиг проводят в атмосфере инертного газа, пропущенного через титановую губку, нагретую до 1000-1050^oС, в две стадии: при температуре 800-810^oС в течение 1-1,5 часа и при температуре 875-885^oС в течение 1-1,5 часа соответственно.

При этом в качестве инертного газа используют гелий или аргон.

В настоящее время не известен способ получения диборида магния путем смешения аморфного бора и стружки металлического магния и последующего отжига в атмосфере очищенного инертного газа в две стадии.

Предлагаемый способ заключается в следующем. Порошковый аморфный бор (чистотой 99%) смешивают со стружкой металлического магния в соотношении, превышающем стехиометрическое, в частности на состав Mg_1,5B₂. Избыток магния необходим потому, что в процессе нагрева часть его возгоняется и уносится газом из реакционной зоны. Полученную смесь перемешивают в агатовой ступке и запрессовывают на гидравлическом прессе с помощью пресс-формы в таблетки диаметром 6-8 мм и длиной 10-15 мм. Таблетки помещают в контейнер из танталовой фольги, состоящий из двух лодочек, одна из которых накрывает другую. Контейнер ставят в кварцевую трубу, которая находится в трубчатой печи. Инертная атмосфера в кварцевой трубе создается при подаче постоянного потока инертного газа (гелия или аргона), очищенного пропусканием его через нагретую до 1000-1050^oС титановую губку. Отжиг проводят в две стадии. Первую стадию проводят при температуре 800-810^oС в течение 1-1,5 часа. Вторую - при температуре 875-885^oС в течение 1-1,5 часа. Затем образец, находящийся в кварцевой трубе в инертной атмосфере, охлаждается до комнатной температуры и извлекается из контейнера для проведения рентгенофазового анализа и измерения магнитных характеристик. Поскольку в процессе синтеза не происходит разрушения рабочего контейнера из танталовой фольги, процесс может проводиться многократно.

Использование в качестве исходного материала аморфного бора обеспечивает полноту и быстроту протекания реакции, так как в случае использования кристаллического бора наблюдается замедление процесса синтеза. Использование металлического магния в виде стружки также обеспечивает скорость гомогенизации продукта в процессе синтеза. Проведение процесса в атмосфере очищенного инертного газа позволяет избежать формирование оксидов и нитридов магния. Проведение процесса в две стадии обеспечивает образование диборида магния на первой стадии и удаление избытка магния на второй.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Смешивают 0,3722 г порошка аморфного бора и 0,6278 г стружки металлического магния. Полученную смесь перемешивают в агатовой ступке и запрессовывают на гидравлическом прессе с помощью пресс-формы в таблетку диаметром 6-8 мм и длиной 10 мм. Готовую таблетку помещают в танталовый контейнер, который затем ставят в кварцевую трубу, находящуюся в трубчатой печи. Отжиг проводят в две стадии в атмосфере гелия, очищенного над титановой губкой при температуре 1000^oС. Первая стадия: при температуре 800^oС 1,0 ч, вторая - при 875^oС 1,0 ч. Затем образец охлаждают до комнатной температуры, перекрывают газ и извлекают из контейнера. Спеченную таблетку черно-коричневого цвета измельчают. Согласно данным рентгенофазового анализа полученный материал представляет собой сверхпроводник состава MgB₂. По данным измерения магнитной восприимчивости температура перехода в сверхпроводящее состояние Т_с=39,5 К с шириной перехода ΔT_c = 2,5K. Выход конечного продукта 90%.

Пример 2. Смешивают 0,7444 г порошка аморфного бора и 1,2556 г стружки металлического магния. Полученную смесь перемешивают в агатовой ступке и запрессовывают на гидравлическом прессе с помощью пресс-формы в 2 таблетки диаметром 6-8 мм и длиной 15 мм. Готовые таблетки помещают в танталовый контейнер, который затем ставят в кварцевую трубу, находящуюся в трубчатой печи. Отжиг проводят в две стадии в атмосфере гелия, очищенного над титановой губкой при температуре 1050^oС. Первая стадия: при температуре 810^oС 1,5 ч, вторая - при 885^oС - 1,5 ч. Затем образцы охлаждают до комнатной температуры, перекрывают газ, извлекают из контейнера и измельчают. Согласно данным рентгенофазового анализа полученный материал представляет собой сверхпроводник состава MgB₂. По данным измерения магнитной восприимчивости температура перехода в сверхпроводящее состояние Т_С= 39,5 K с шириной перехода ΔT_c = 2,5K. Выход конечного продукта 90%.

Таким образом, изобретение позволяет получать сверхпроводник состава MgB₂ с высоким выходом конечного продукта и температурой перехода Т_c=39,5 К (ΔT_c = 2,5K).

Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано при изготовлении слоистых высокотемпературных сверхпроводников, абразивных материалов. Смешивают 0,3722 г порошка аморфного бора и 0,6278 г стружки металлического магния. Смесь прессуют в таблетку. Отжиг проводят в атмосфере гелия или аргона, очищенного над титановой губкой, нагретой до 1000-1050^oС. На первой стадии отжиг ведут при температуре 800-810^oС 1-1,5 ч, на второй при 875-885^oС 1-1,5 ч. Полученный материал - сверхпроводник состава MgB₂. Температура перехода в сверхпроводящее состояние Т_С=39,5 К, ширина перехода ΔT_c = 2,5 K. Выход продукта - 90%. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения диборида магния путем смешения порошка бора и металлического магния в соотношении, превышающем стехиометрическое, и последующий отжиг, отличающийся тем, что смешивают аморфный бор и стружку металлического магния, а отжиг проводят в атмосфере инертного газа, пропущенного через титановую губку, нагретую до 1000-1050^oС, в две стадии: при температуре 800-810^oС в течение 1-1,5 ч и при температуре 875-885^oС в течение 1-1,5 ч соответственно. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют гелий или аргон.