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MgB2是2001年发现的临界温度(TC)为39 K超导材料，被认为是应用于20
K～30 K的最佳超导材料。但与传统的低温超导体相比，MgB2的临界电流密度(Jc)
相对较低，而且Jc常随外加磁场(B)的增加而迅速降低，成为制约其应用的关键
问题。围绕提高临界电流密度这一重要课题，本论文研究了原料组成、制备工
艺、元素掺杂及替代对MgB2超导体的微观结构和超导性能的影响。
首次研究了MgB2烧结体的体积膨胀系数、质量损失率、孔洞尺寸和烧结密
度的影响因素。发现 Mg/2B 压坯在烧结过程中的体积膨胀与质量损失决定了
MgB2烧结体的密度。增大原料Mg粉的粒度将使烧结体的膨胀系数、质量损失
率、孔洞尺寸增加，而烧结密度降低。掺杂ZrH2、SiC可降低MgB2烧结体的线
膨胀系数。烧结温度、时间和方法对MgB2烧结体的物相组成、膨胀系数、质量
损失率、烧结密度等影响很大。将MgB2烧结体中的孔洞分为三类，提出了调整
原料Mg粉的粒度可控制Ⅰ类孔洞的尺寸、改变热处理制度或进行化学掺杂可控
制Ⅱ类、Ⅲ类孔洞尺寸的见解。
研究了最终热处理制度、加工率对原位粉末套管法所制MgB2/Fe线材微观
结构和Jc(B)性能的影响。发现700℃热处理时线材的Jc(B)性能最好，850℃热处
理时明显降低，900℃热处理时则急剧下降。MgB2/Fe线材的中间界面层主要由
Fe2B组成，其厚度随热处理温度的升高和时间的延长而增加，成为影响线材Jc(B)
性能的主要因素之一。发现存在着一个使线材 Jc(B)性能最佳的临界直径 (最佳
加工率)，该临界直径由线材制备过程中Mg/2B混合体的密度变化和Fe包套相
对厚度的变化决定。
研究了纳米Al粉掺杂对Mg1-xAlxB2块材超导性能的影响。发现Al替代Mg
进入了MgB2的晶格，使Tc由未掺杂时的38.5 K逐渐降低至掺杂8mol% 时的
35.5 K。温度T≤20 K时，未掺杂、掺杂1 mol%、2 mol%Al的MgB2的Jc(B)
性能逐渐变好，而掺杂量超过5 mol%时，Jc(B)性能反而降低。T≥25K时，所
有掺杂样品的Jc(B)性能都低于未掺杂样品的。
首次采用聚碳硅烷 (PCS) 热解产生的无定形 SiC 及少量的 C 为掺杂物质
(PCS热解产率以70%计，按MgB2-xSix/2Cx/2配料)，制备出含有大量Mg2Si纳
米颗粒的MgB2块材，最小的Mg2Si颗粒仅5 nm左右。发现PCS热解产生的C
替代B进入了MgB2的晶格。Tc由未掺杂时的38.5 K逐渐降低至x=0.10时的
35.0 K。T≤20 K时，MgB2的Jc(B)性能随x的增加逐渐提高，高场时尤为明显。
掺杂量最大的MgB1.90Si0.05C0.05，Jc值达到了36500A·cm-2(10K，8T)、25000
A·cm-2(15K，6.5 T)和3400A·cm-2(20K，5.5T)，比未掺杂样品分别高出
约830倍、80倍和40倍。T≥25 K时，样品的Jc(B)性能随x的增加而逐步降低。
利用原位粉末套管法制备出TiB2、ZrH2、SiC和石墨掺杂的MgB2/Fe线材。
发现TiB2掺杂对MgB2的晶胞参数a、c几乎没有影响，TiB2主要以第二相粒子
的形式存在，通过抑制MgB2晶粒长大而提高晶界的面积，从而使线材的J(B)
性能提高，其中掺杂8 mol％的效果最好。
在750℃热处理1h后，ZrH2未彻底分解，部分Zr原子与B反应生成ZrB2。
反应产生的δ-ZrH2、Zr、ZrB2等多以第二相出现，但可能有少量Zr替代Mg进
入了MgB2的晶格。延长热处理时间至2h，则上述反应彻底完成。ZrH2的掺杂
量不超过8mol％时，可以提高MgB2/Fe线材的Jc(B)性能。升高热处理温度会导
致ZrH2掺杂的MgB2/Fe线材的)Jc(B)Fp性能降低，但线材的最大体钉扎力
密度Fp/max所在位置向高场移动。在高场区(B≥3 T)，ZrH2的最佳掺杂量不受
热处理温度的影响；但在低场区(B＜3 T)，最佳掺杂量却随热处理温度的升高
而逐渐增加。
SiC掺杂可以提高MgB2-x(SiC)x/2/Fe线材的Jc(B)和Fp(B)性能。750℃热处理
时，掺杂量x=0.10的效果最好。热处理温度升至850℃后，x=0.20的线材在
高场区的Jc(B)性能最好。
石墨掺杂显著提高了MgB2-xC/r/Fe线材的Jc(B)和Fp(B)性能，其中高场性能
的改善最明显。4.2 K、7 T时，掺杂5 mol%、10mol%石墨的线材，Jc比未掺杂
线材分别提高了约13倍、11倍。总体上看，掺杂5 mol%石墨时线材的性能较
好，但在高温及高场下，掺杂10mol%时的性能较高。
研究还发现，与常规热处理的相比，快速热处理导致 TiB2 或石墨掺杂的
MgB2/Fe线材的Jc(B)和Fp(B)性能降低。
关键词：MgB2超导体，制备，元素掺杂及替代，微观结构，超导性能