Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с борида магния )
Перейти к навигации Перейти к поиску
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
  • InChI = 1S / 2B.Mg ☒N
    Ключ: PZKRHHZKOQZHIO-UHFFFAOYSA-N ☒N
  • [B]. [B]. [Mg]
  • [Mg + 2]. [Mg + 2]. [Mg + 2]. [Mg + 2]. [Mg + 2]. [Mg + 2]. [B-] 1 = [B -] [B-] 2 = [B -] [B -] = [B-] 3 [B -] = [B -] [B-] 4 = [B -] [B -] = [B-] 5 [B -] = [B -] [B-] 6 = [B -] [B -] = [B-] 1 [B-] 7 = [B-] 2 [B-] 3 = [B-] 4 [B-] 5 = [B-] 67. [Mg + 2]. [Mg + 2]. [Mg + 2]. [Mg + 2]. [Mg + 2]. [Mg + 2]
Характеристики
MgB 2
Молярная масса45,93 г / моль
Плотность2,57 г / см 3
Температура плавления 830 ° С (1530 ° F, 1100 К) (разлагается)
Состав
Шестиугольный, hP3
П6 / ммм, №191
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверить  ( что есть   ?)проверятьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Диборид магния представляет собой неорганическое соединение с формулой MgB 2 . Это темно-серое нерастворимое в воде твердое вещество. Соединение привлекло внимание, потому что оно становится сверхпроводящим при 39 К (-234 ° C). По своему составу MgB 2 разительно отличается от большинства низкотемпературных сверхпроводников, в которых в основном используются переходные металлы. Его сверхпроводящий механизм в первую очередь описывается теорией БКШ .

Сверхпроводимость [ править ]

Сверхпроводящие свойства диборида магния были обнаружены в 2001 году. [1] Его критическая температура ( T c ) 39 K (−234 ° C; −389 ° F) является самой высокой среди обычных сверхпроводников . Среди обычных ( фононно-опосредованных ) сверхпроводников это необычно. Его электронная структура такова, что на уровне Ферми существуют два типа электронов с сильно различающимся поведением, один из которых ( сигма-связь ) намного более сверхпроводящий, чем другой ( пи-связь).). Это противоречит обычным теориям фононно-опосредованной сверхпроводимости, которые предполагают, что все электроны ведут себя одинаково. Теоретическое понимание свойств MgB 2 было почти достигнуто путем моделирования двух энергетических щелей. В 2001 году считалось, что он ведет себя скорее как металлический, чем купратный сверхпроводник . [2]

Штат полу-Мейснера [ править ]

Используя теорию БКШ и известные энергетические щели пи- и сигма-зон электронов (2,2 и 7,1 мэВ, соответственно), пи- и сигма-зоны электронов имеют две разные 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. Первое меньше 1 / √ 2, а второе больше, поэтому первое, кажется, указывает на маргинальную сверхпроводимость I типа, а второе - 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 вихрями минимизируется на критическом расстоянии. Как следствие, возникает предполагаемая новая фаза, называемая полумейсснеровским состоянием., 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 существуют большие области сверхпроводимости I типа, мейсснеровского состояния, разделяющие эти области.

Экспериментальное подтверждение этой гипотезы было недавно получено в экспериментах с MgB 2 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. Для этого состояния был введен термин сверхпроводимость типа 1.5 .

Синтез [ править ]

Диборид магния был синтезирован, и его структура была подтверждена в 1953 году. [5] Простейший синтез включает высокотемпературную реакцию между порошками бора и магния . [2] Образование 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 минимально, хотя рекристаллизации зерен достаточно для джозефсоновского квантового туннелирования между зернами. [ необходима цитата ]

Сверхпроводящую проволоку из диборида магния можно изготавливать с помощью процессов порошка в трубке (PIT) ex situ и in situ . [6] В на месте варианте, смесь бора и магния уменьшается в диаметре с помощью обычного рисунка проволоки . Затем проволоку нагревают до температуры реакции с образованием MgB 2 . В варианте ex situ трубка заполнена порошком MgB 2 , уменьшена в диаметре и спечена при температуре от 800 до 1000 ° C. В обоих случаях более позднее горячее изостатическое прессование при температуре около 950 ° C дополнительно улучшает свойства. [ необходима 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 производить как объемные материалы с высокой плотностью (более 90% от теоретической плотности для MgB 2 ), так и специальные полые волокна. Этот метод эквивалентен аналогичным методам на основе роста расплава, таким как метод инфильтрации и обработки роста, используемый для изготовления объемных сверхпроводников YBCO, где несверхпроводящий Y 2 BaCuO 5 используется в качестве гранулированной заготовки, внутри которой жидкие фазы на основе YBCO пропитываются для получения сверхпроводящего YBCO. масса. Этот метод был скопирован и адаптирован для MgB2 и переименован в Reactive Mg Liquid Infiltration . Процесс реактивной инфильтрации жидкости Mg в преформу бора для получения MgB 2 был предметом патентных заявок итальянской компании Edison SpA . [ необходима цитата ]

Гибридное физико-химическое осаждение из паровой фазы (HPCVD) было наиболее эффективным методом осаждения тонких пленок диборида магния (MgB 2 ). [8] Поверхности пленок MgB 2, нанесенных с помощью других технологий, обычно являются шероховатыми и нестехиометрическими . Напротив, система HPCVD может выращивать высококачественные пленки чистого MgB 2 in situ с гладкими поверхностями, которые необходимы для создания воспроизводимых однородных джозефсоновских переходов , основного элемента сверхпроводящих цепей.

Электромагнитные свойства [ править ]

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]

  • Наибольшая температура сверхпроводящего перехода T c составляет 39 К.
  • MgB 2 - сверхпроводник второго типа , т.е. увеличивающееся магнитное поле постепенно проникает в него.
  • Максимальный критический ток ( J c ) составляет: 10 5 А / м 2 при 20 Тл, 10 6 А / м 2 при 18 Тл, 10 7 А / м 2 при 15 Тл, 10 8 А / м 2 при 10 Тл, 10 9 А / м 2 при 5 Т. [9]
  • По состоянию на 2008 г .: Верхнее критическое поле (H c2 ): (параллельно плоскостям ab ) составляет ~ 14 Тл, (перпендикулярно плоскостям ab ) ~ 3 Тл, в тонких пленках до 74 Тл, в волокнах до 55 Тл [9 ]

Улучшение за счет допинга [ править ]

Различные способы легирования MgB 2 углеродом (например, использование 10% яблочной кислоты ) могут улучшить верхнее критическое поле и максимальную плотность тока [10] [11] (также с поливинилацетатом [12] ).

5% легирование углеродом может повысить H c2 с 16 до 36 Тл, в то время как понизить T c только с 39 К до 34 К. Максимальный критический ток ( J c ) снижается, но легирование TiB 2 может уменьшить это уменьшение. [13] (Допирование MgB 2 Ti запатентовано. [14] )

Максимальный критический ток ( J c ) в магнитном поле значительно увеличивается (примерно вдвое при 4,2 К) за счет легирования ZrB 2 . [15]

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

Теплопроводность [ править ]

MgB 2 - это многозонный сверхпроводник, то есть каждая поверхность Ферми имеет различную сверхпроводящую запрещенную зону. Для MgB 2 сигма-связь бора является сильной, и она вызывает большой s-волновой сверхпроводящий промежуток, а пи-связь является слабой и вызывает небольшой s-волновой промежуток. [16] Квазичастичные состояния вихрей с большой щелью сильно ограничены ядром вихря. С другой стороны, квазичастичные состояния малой щели слабо связаны с ядром вихря. Таким образом, они могут быть делокализованы и легко перекрываться между соседними вихрями. [17] Такая делокализация может сильно способствовать теплопроводности , которая резко возрастает выше H c1 . [16]

Возможные приложения [ править ]

Сверхпроводники [ править ]

Сверхпроводящие свойства и низкая стоимость делают диборид магния привлекательным для множества применений. [18] Для этих целей порошок MgB 2 прессуется с металлическим серебром (или нержавеющей сталью 316) в проволоку, а иногда и ленту с помощью процесса порошка в трубке .

В 2006 году была построена открытая сверхпроводящая магнитная система МРТ 0,5 тесла с использованием 18 км проводов MgB 2 . В этом МРТ использовался криоохладитель с замкнутым контуром , без необходимости подачи криогенных жидкостей извне для охлаждения. [19] [20]

«... инструменты МРТ следующего поколения должны быть изготовлены из катушек MgB 2 вместо катушек NbTi , работающих в диапазоне 20–25 K без жидкого гелия для охлаждения. ... Помимо магнитных применений, проводники MgB 2 потенциально могут использоваться в сверхпроводниках. трансформаторы, роторы и трансмиссионные кабели при температурах около 25 K, в полях 1 T. [18]

В результате проекта ЦЕРНа по производству кабелей MgB 2 были созданы сверхпроводящие испытательные кабели, способные выдерживать ток 20 000 ампер для применения в распределительных устройствах с чрезвычайно высоким током, таких как предполагаемая версия большого адронного коллайдера с высокой светосилой . [21]

IGNITOR токамак дизайн был основан на MgB 2 для своих полоидальном катушек. [22]

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

Из-за низкой стоимости составляющих элементов MgB 2 перспективен для использования в сверхпроводящих магнитах с низким и средним полем, электродвигателях и генераторах, ограничителях тока короткого замыкания и токоподводах. [ необходима цитата ]

Горючее, взрывчатые вещества, пиротехника [ править ]

В отличие от элементарного бора, сгорание которого происходит не полностью из-за слоистого стеклообразного 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 поршневых самолетах . [24] Кроме того, по тем же причинам было предложено использование MgB 2 во взрывчатых веществах с усиленным взрывом [25] и порохах . Совсем недавно было показано, что ложные ракеты, содержащие диборид магния / тефлон / витон, демонстрируют повышение спектральной эффективности на 30–60%, E λ (Дж · г −1 ср −1) по сравнению с классическими полезными нагрузками из магния / тефлона / витона (MTV). [26] Также было исследовано применение диборида магния в силовых установках гибридных ракет, при смешивании этого соединения с частицами парафинового топлива для улучшения механических свойств и характеристик горения. [27]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Nagamatsu, июнь; Накагава, Норимаса; Муранака, Такахиро; Зенитани, Юджи; Акимицу, июн (2001). «Сверхпроводимость при 39 К в дибориде магния». Природа . 410 (6824): 63–4. Bibcode : 2001Natur.410 ... 63N . DOI : 10.1038 / 35065039 . PMID  11242039 .
  2. ^ a b Ларбалестье, округ Колумбия; Кули, LD; Рикель, Миссури; Полянский, АА; Jiang, J .; Patnaik, S .; Цай, XY; Feldmann, DM; и другие. (2001). «Сильно связанный ток в поликристаллических формах сверхпроводника MgB2». Природа . 410 (6825): 186–189. arXiv : cond-mat / 0102216 . Bibcode : 2001Natur.410..186L . DOI : 10.1038 / 35065559 . PMID 11242073 . 
  3. ^ Мощалкова, VV; Менгини, Мариэла; Nishio, T .; Chen, Q .; Силханек, А .; Дао, В .; Чиботару, Л .; Жигадло, Н .; Karpinski, J .; и другие. (2009). «Сверхпроводники типа 1.5». Письма с физическим обзором . 102 (11): 117001. arXiv : 0902.0997 . Bibcode : 2009PhRvL.102k7001M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.102.117001 . PMID 19392228 . 
  4. ↑ Бабаев, Егор и Спейт, Мартин (2005). «Полумейсснеровское состояние и сверхпроводимость ни I, ни II типа в многокомпонентных системах». Physical Review B . 72 (18): 180502. arXiv : cond-mat / 0411681 . Bibcode : 2005PhRvB..72r0502B . DOI : 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. DOI : 10.1021 / ja01634a089 .
  6. ^ BAGlowacki, M.Majoros, M.Vickers, JEEvetts, Y.Shi и I.McDougall, Сверхпроводимость порошок в трубе проводов MgB2, сверхпроводник Наука и техника, 14 (4) 193 (апрель 2001) | 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.). « Реактивное спекание MgB 2 из элементов». Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 13 (2): 3060–3063. Bibcode : 2003ITAS ... 13.3060G . DOI : 10,1109 / TASC.2003.812090 .
  8. ^ Xi, XX; Погребняков А.В.; Сюй, SY; Chen, K .; Cui, Y .; Maertz, EC; Чжуан, CG; Ли, Ци; Ламборн, Д.Р .; Redwing, JM; Лю, З.К .; Soukiassian, A .; Schlom, DG; Weng, XJ; Дики, ЕС; Chen, YB; Tian, ​​W .; Пан, XQ; Cybart, SA; Dynes, RC; и другие. (14 февраля 2007 г.). «Тонкие пленки MgB 2 методом гибридного физико-химического осаждения из газовой фазы». Physica C . 456 : 22–37. Bibcode : 2007PhyC..456 ... 22X . DOI : 10.1016 / j.physc.2007.01.029 .
  9. ^ a b c Eisterer, M (2007). «Магнитные свойства и критические токи MgB 2 ». Наука и технологии сверхпроводников . 20 (12): R47. Bibcode : 2007SuScT..20R..47E . DOI : 10.1088 / 0953-2048 / 20/12 / R01 .
  10. ^ Хоссейн, MSA; и другие. (2007). «Значительное увеличение H c2 и Hirr в объемах MgB 2 + C 4 H 6 O 5 при низкой температуре спекания 600 ° C». Наука и технологии сверхпроводников . 20 (8): L51. Bibcode : 2007SuScT..20L..51H . DOI : 10.1088 / 0953-2048 / 20/8 / L03 .
  11. ^ Ямада, H; Учияма, N; Мацумото, А; Китагучи, Н; Кумакура, Х (2007). «Превосходные сверхпроводящие свойства лент MgB 2, обработанных методом порошковой обработки in situ с добавлением порошка этилтолуола и SiC». Наука и технологии сверхпроводников . 20 (6): L30. Bibcode : 2007SuScT..20L..30Y . DOI : 10.1088 / 0953-2048 / 20/6 / L02 .
  12. ^ Ваджпаи, А; Авана, V; Баламуруган, S; Takayamamuromachi, 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 ... 46V . DOI : 10.1016 / j.physc.2007.05.046 .
  13. ^ « Свойства MgB 2, улучшенные легированием атомами углерода» . Azom.com . 28 июня 2004 г.
  14. ^ Чжао, Юн и др. «Сверхпроводник на основе MgB2 с высокой плотностью критического тока и способ его изготовления» Патент США 6,953,770 , дата выпуска: 11 октября 2005 г.
  15. Перейти ↑ Ma, Y. (2006). «Эффекты легирования ZrC и ZrB 2 в лентах MgB 2, обработанных порошком в трубке » . Китайский научный бюллетень . 51 (21): 2669–2672. Bibcode : 2006ChSBu..51.2669M . DOI : 10.1007 / s11434-006-2155-4 . Архивировано из оригинала на 2012-02-15.
  16. ^ а б Сологубенко А.В.; Jun, J .; Казаков С.М.; Karpinski, J .; Отт, Х.Р. (2002). «Теплопроводность монокристаллического MgB 2 » . Physical Review B . 66 : 14504. arXiv : cond-mat / 0201517 . Bibcode : 2002PhRvB..66a4504S . DOI : 10.1103 / PhysRevB.66.014504 .
  17. ↑ Накай, 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 . DOI : 10.1143 / JPSJ.71.23 .
  18. ^ a b Винод, К; Кумар, Р.Г. Абхилаш; Шьямапрасад, У (2007). «Перспективы сверхпроводников MgB 2 для магнитного применения». Наука и технологии сверхпроводников . 20 : R1 – R13. DOI : 10.1088 / 0953-2048 / 20/1 / R01 .
  19. ^ "Первая система МРТ на основе нового сверхпроводника диборида магния" (PDF) . Колумбус Сверхпроводники. Архивировано из оригинального (PDF) 30 июня 2007 года . Проверено 22 сентября 2008 .
  20. ^ Браччини, Валерия; Нарделли, Давиде; Пенко, Роберто; Грассо, Джованни (2007). «Разработка проводов MgB 2, обработанных ex situ, и их применение в магнитах». Physica C: сверхпроводимость . 456 (1-2): 209-217. Bibcode : 2007PhyC..456..209B . DOI : 10.1016 / j.physc.2007.01.030 .
  21. ^ Сильноточный проект ЦЕРН
  22. ^ Информационный бюллетень Ignitor
  23. ^ Koch, E.-C .; Вайзер, В. и Рот, Э. (2011), Характеристики горения бинарных пиролантов на основе Mg, MgH 2 , MgB 2 , Mg 3 N 2 , Mg 2 Si и политетрафторэтилена, EUROPYRO 2011 , Реймс, Франция.
  24. ↑ Ward, JR «Пиротехнический состав MgH 2 и Sr (NO 3 ) 2 » Патент США 4 302 259 , выдан : 24 ноября 1981 г.
  25. ^ Wood, LL et al. «Легкие металлические взрывчатые вещества и топливо» Патент США 6 875 294 , выдан : 5 апреля 2005 г.
  26. ^ Кох, Эрнст-Кристиан; Хахма, Арно; Вайзер, Фолькер; Рот, Эвелин; Кнапп, Себастьян (2012). «Пироленты металл-фторуглерод. XIII: Композиции для высокоэффективных инфракрасных ловушек для факелов на основе MgB 2 и Mg 2 Si и политетрафторэтилена / витона®». Топливо, взрывчатые вещества, пиротехника . 37 (4): 432. DOI : 10.1002 / Prep.201200044 .
  27. ^ Bertoldi, AEM, Bouziane, М, Ли, D, Хендрик, Р, Вандевельд, С, Лефевр, М и Верас, CAG. «Разработка и испытание присадки на основе магния для топлива для гибридных ракет». 15-я Международная конференция по космическим операциям, 2018.

Внешние ссылки [ править ]

  • Основные научные показатели по MgB 2 (1992 г. - май 2002 г.)
  • Новый дебют старых материалов, Новости Министерства энергетики США, 2001 г.