專利名稱：一種高溫超導材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種超導材料及其制備方法，特別涉及一種高溫超導材料及其制備方法，確 切地說是一種化學式為SmO!-xFxFeAs(0《x《0. 4)高溫超導材料及其制備方法。二、 背景技術超導現象于1911年由荷蘭人昂納斯教授發現，至今已有近百年的歷史。當一種材料進 入超導狀態時，主要表現出兩種特征現象 一個是零電阻現象，另一個是完全排磁通現象。 正是由于超導體具有以上兩種特性，使其應用前景非常廣泛，例如利用其零電阻特性可以制 成強磁場線圈以提供強磁場，超導磁體的應用范圍也很廣泛，如在固體物理研究、高能物理、 受控核聚變反應堆、發電機、電動機、變壓器、磁流體發電機、電磁推進裝置以及醫學人體 核磁共振成像裝置等許多方面，而完全排磁通現象也已經應用于磁懸浮列車中。如此廣泛 的應用前景使得人們對其機理和應用的研究的熱情空前高漲。但是，在超導材料的應用方 面，傳統超導體的臨界溫度都比較低(<23K)，這成為限制其應用的不利因素。而在超導理 論方面，著名的BCS超導理論也預言了超導體的臨界溫度不會超過40K，這對于超導現象的 應用無疑是雪上加霜。1986年，瑞士蘇黎世IBM研究室學者J. G. Bednorz和K. A. Muller共同發現高臨界 溫度的銅氧化合物超導體，其超導溫度達到35K (-238'C)，并且在隨后的相關研究中發現 在該類銅氧化合物材料中其超導溫度最高可達到130K (-143°C)，該溫度已經突破了液氮溫 度(77K)。正是由于高溫超導銅氧化合物的發現，使得人們再一次看到了 "室溫超導"的可 能性，并且其對傳統的超導理論也帶來巨大的沖擊。高溫超導銅氧化合物的發現到現在也已 經有二十多年的歷史了，到目前為止，該類材料是唯一的超導臨界溫度突破40K的超導材料。 但是其超導的機理仍然懸而未決，并且最大超導臨界溫度也停滯在130K。現在，人們正在 努力探索新的高溫超導體，目的是進一步提高超導臨界溫度，并且為超導的機理研究帶來更 多的可用的信息。最近，東京工業大學界面研究中心教授細野秀雄等2008年2月18日宣布，在含鐵的氧 磷族元素化合物(LaOFeAs)中發現了超導電性，其最高臨界溫度為32K (-241. 15°C)。這無 疑又是一次對超導科學界的沖擊，人們正期待在該類材料中能發現更高的超導臨界材料。三、 發明內容本發明借鑒LaOFeAs這一超導材料，旨在提供一種超導臨界溫度(Tc)更高的新的超導材料，所要解決的技術問題是遴選新的稀土元素取代鑭(La)并進行摻雜，同時構建相應的 制備方法。本發明所稱的高溫超導材料是化學式為SmO^FJeAs,所示的化合物，其臨界超導溫 度Tc為0 53K，式中X取自0 0. 4。本高溫超導材料的制備方法是先制備前驅物，再制備目標物，包括混合、焙燒和冷卻， 所述的前驅物為砷化釤(SmAs)，取純度99. 99%的Sm粉和純度99. 99%的As粉，在無氧和水 分含量小于或等于lppm的氣氛中研磨混合均勻，壓制成片置于容器中，然后在真空度小于 或等于10—3Pa的條件下升溫至500 65(TC焙燒3~10小時，再繼續升溫至800 95(TC焙燒 5~10小時，最后冷卻出料。用前驅物同三氟化釤(SmF3)、鐵(Fe)、砷(As)和氧化鐵(Fe203) 制備目標物，具體方法是將SmAs粉同純度99. 99%的SmF3粉和純度98%的Fe粉，純度99. 99% 的As粉以及純度99%的Fe203粉按比例在無氧和水分含量小于或等于lppm的氣氛中研磨混合 均勻并壓制成片，包覆鉭(Ta)膜片后置于容器中，在真空度小于或等于10—3Pa的條件下升 溫至1000 120(TC焙燒40 60小時，再降至室溫，剝離Ta膜便得到目標物。所述的按比例 是指各原料的摩爾比，即SmAs : SmF3 : Fe : Fe203 : As: (l-x)/3 : x/3 : (l+2x)/3 : (l-x)/3 :x/3，式中X取自0-0.4，所述的升溫和降溫是按l~8°C/min的速率升溫和降溫， 優選2~6°C/min.無氧條件是用惰性氣體隔絕空氣形成的，所述的惰性氣體選自高純的氬氣或氦氣或氮氣 或C02氣體。隔絕空氣的作用是防止單質Sm和As的氧化，嚴格控制水分含量旨在防止SmF3 的吸濕、潮解。包覆Ta膜片旨在防止高溫條件下容器物質(內壁)參與的不良反應。本材料用稀土 Sm取代La，并在氧位上摻雜氟離子，是除高溫超導銅氧化合物系列之外， 具有最高超導臨界溫度的、新型的鐵砷系列高溫超導材料。通過Sm替換La后超導臨界溫度 Tc從2服顯著提高到53K， Sm(O， F)FeAs是目前鐵砷系列高溫超導材料中具有最高超導臨界 溫度的材料,其超導臨界溫度為53K，這已經打破了 BCS理論預言常規超導體超導臨界溫度 Tc不可能超過40K的理論值，同時它也大于具有最高超導臨界溫度TC=39K的非銅氧化合物超 導體MgB2。同時此材料的優點是具有很高的臨界溫度以及很高的臨界磁場，將具有比MgB2 等材料更為廣闊的應用前景。這還將有利于進一步幫助理解銅氧化合物高溫導體的物理機制 以及強關聯體系中的一些基本物理，為理論工作者提供了挑戰和實驗題材。 四
圖1是Sm0卜fJeAs材料樣品1的Meissner效應，在超導臨界溫度Tc以下，超導材料體 現一個Meissner態，即磁化率體現為負值，這磁化率開始轉變的溫度Te=43K是跟2圖電阻 轉變的中點是一致的。圖2是SmOhFxFeAs材料樣品1的電阻率曲線，電阻開始明顯下降的溫度為44K，在將 近40K時電阻已經降到零。同時測量了不同磁場下的電阻，發現7特斯拉對這個材料的超導 臨界溫度沒有明顯的影響，這說這種材料的臨界磁場非常的大。圖3是SmOhF,FeAs材料樣品2的電阻率曲線，電阻開始明顯下降的溫度為52K，在將 近48K時電阻已經降到零。 五具體實施方式
1、前驅物SraAs的制備在隔絕空氣的高純氬(99.999%)氣氛下，并且H20含量小于lppm，把Sm粉(99. 99%)和 As粉(99. 99%)充分研磨均勻，并壓制成片，然后放入石英管中，將其抽至真空度小于10-3Pa， 密封后將石英管放入馬伏爐中。以每分鐘2~6攝氏度速率升溫至500~650度保溫3~10小 時，然后再以每分鐘2~6攝氏度速率升溫至800-950度保溫5~10小時，最后隨爐冷卻至室 溫，將反應物從石英管中取出后即完成前驅物制備過程。2 、目標物SmOkFJeAs的制備在隔絕空氣的高純氬(99. 999%)氣氛下，并且H20含量小于lppm，將制備好的前驅物SmAs 粉末、SmF3粉末(99.99%)、 Fe粉末(98%)、 Fe2。3粉末(99%)、 As粉末(99.99%)按照化學 計量SmAs : SmF3 : Fe : Fe203 :As= (l_x)/3 : x/3 : (l+2x)/3 : (1-x)/3 :x/3，混合研 磨均勻，并壓制成片，再用Ta膜片包裹好放入石英管中抽真空至真空度小于10—3Pa，密封 后將石英管放入高溫管式爐中。以每分鐘2-6攝氏度速率升溫至1000 1200度保溫40 60 小時，再以2~6°C/min降至室溫，將反應物從石英管中取出后即完成最終化合物的制備過程。當Xi. 15時，制備的為樣品l，當xi.2 0.3時，制備的為樣品2。
權利要求
1、一種高溫超導材料，其特征在于以化學式SmO1-xFxFeAs所示的化合物，其臨界超導溫度0～53K，式中X取自0～0.4。
2、 由權利要求1所述的高溫超導材料的制備方法，先制備前驅物，再制備目標物，包括 混合、焙燒和冷卻，其特征在于所述的前驅物為SmAs，取純度為99. 99%的Sm粉和As粉 在無氧和水分含量《lppm的氣氛中研磨混合均勻并壓制成片，然后在真空度《10—3Pa的條件 下升溫至500 65(TC焙燒3~10小時，再繼續升溫至800 95(TC焙燒5~10小時后冷卻；所 述的目標物的制備是將SmAs粉、純度99. 99%的SmF3粉、純度98%的Fe粉、純度99%的Fe203 粉和純度99.99%的As粉按SmAs : SmF3 : Fe : Fe203 : As=(l-x)/3 : x/3 : (l+2x)/3 : (l-x)/3 :x/3的摩爾比在無氧和水分含量《lppm的氣氛中研磨混合均勻并壓制成片，包覆 Ta膜片，然后在真空度《10—3Pa的條件下升溫至1000 120(TC焙燒40~60小時，再降至室 溫；所述的升溫和降溫是按1 8tVmin的速率升溫和降溫。
3、 根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于:升溫和降溫的速率為2 6'C/min。
全文摘要
一種高溫超導材料，是化學式SmO<sub>1-x</sub>F<sub>x</sub>FeAs所示的化合物，Tc 0～53K，式中0≤X≤0.4。其制備方法是先制備前驅物，再制備目標物，前驅物為SmAs，由高純的Sm粉和As粉在無氧和低水分的氣氛中混合均勻并壓片，然后在高真空條件下于500～650℃焙燒3～10小時，再升溫至800～950℃焙燒5～10小時后冷卻得到，用前驅物同高純的SmF<sub>3</sub>粉、Fe粉、Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>粉和As粉按比例在無氧和低水分的氣氛中混合均勻并壓片，包覆Ta膜片后在高真空條件下于1000～1200℃焙燒40～60小時，降至室溫后剝離Ta膜片便得到目標物。
文檔編號C04B35/622GK101265099SQ20081002363
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月11日 優先權日2008年4月11日
發明者劉榮華, 剛 吳, 濤 吳, 房岱峰, 紅 陳, 陳仙輝 申請人:中國科學技術大學