✖


Jump to content

Утечки магния

(Перенаправлено с Борид магния )
Утечки магния
Шаростержневая модель части кристаллической структуры диборида магния.
Идентификаторы
3D model ( JSmol )
ХимическийПаук
Информационная карта ECHA 100.031.352 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
  • 234-501-2
Характеристики
МгБ 2
Молярная масса 45.93 g/mol
Плотность 2,57 г/см 3
Температура плавления 830 ° C (1530 ° F, 1100 К) (разлагается)
Структура
Шестиугольный, hP3
Р6/ммм, №191
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).

Диборид магния – неорганическое соединение формулы 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 состав которых входят преимущественно переходные металлы. Механизм его сверхпроводимости в основном описывается теорией БКШ .

Сверхпроводимость

[ редактировать ]

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

Полумейснеровское состояние

[ редактировать ]

Используя теорию БКШ и известные энергетические щели пи- и сигма-зон электронов (2,2 и 7,1 мэВ соответственно), было обнаружено, что 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 составляют 0,66±0,02 и 3,68 соответственно. Первое меньше 1/ √ 2 , а второе больше, поэтому первое, по-видимому, указывает на предельную сверхпроводимость I типа, а второе - на сверхпроводимость II типа.

Было предсказано, что когда две разные зоны электронов образуют две квазичастицы, одна из которых имеет длину когерентности, указывающую на сверхпроводимость I типа, а другая - на сверхпроводимость типа II, то в определенных случаях вихри притягиваются на больших расстояниях и отталкиваются на больших расстояниях. короткие расстояния. [4] В частности, потенциальная энергия между вихрями минимизируется на критическом расстоянии. Как следствие, существует предполагаемая новая фаза, называемая полумейснеровским состоянием , в которой вихри разделены критическим расстоянием. Когда приложенный поток слишком мал для того, чтобы весь сверхпроводник мог быть заполнен решеткой вихрей, разделенных критическим расстоянием, тогда возникают большие области сверхпроводимости I рода, состояния Мейсснера, разделяющие эти области.

Экспериментальное подтверждение этой гипотезы недавно было получено в экспериментах с MgB 2 при температуре 4,2 Кельвина. Авторы обнаружили, что действительно существуют режимы с гораздо большей плотностью вихрей. В то время как типичное изменение расстояния между вихрями Абрикосова в сверхпроводнике типа II составляет порядка 1%, они обнаружили изменение порядка 50%, что соответствует идее о том, что вихри собираются в области, где они могут быть разделены критическим расстоянием. Для этого состояния был придуман термин сверхпроводимость типа 1,5 .

Синтез

[ редактировать ]

Диборид магния был синтезирован и его структура подтверждена в 1953 году. [5] Самый простой синтез включает высокотемпературную реакцию между бора и магния . порошками [2] Формирование начинается при 650 °С; 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. [ нужна ссылка ]

Сверхпроводящая проволока из диборида магния может быть произведена с помощью процессов «порошок в трубке » (PIT) ex situ и in situ . [6] В варианте in situ диаметр смеси бора и магния уменьшается за счет обычного волочения проволоки . Затем проволоку нагревают до температуры реакции с образованием MgB 2 . В варианте ex situ трубка заполняется порошком MgB 2 , уменьшается в диаметре и спекается при температуре от 800 до 1000 °C. В обоих случаях позднее горячее изостатическое прессование при температуре примерно 950°C еще больше улучшает свойства. [ нужна ссылка ]

Альтернативный метод, раскрытый в 2003 году, использует инфильтрацию магния реактивной жидкостью внутри гранулированной заготовки из порошков бора и получил название метода Mg-RLI. [7] Метод позволил получать как сыпучие материалы высокой плотности (более 90% от теоретической плотности MgB 2 ), так и специальные полые волокна. Этот метод эквивалентен аналогичным методам, основанным на выращивании расплава, таким как метод пропитки и обработки роста, используемый для изготовления объемных сверхпроводников YBCO , где несверхпроводящий Y 2 BaCuO 5 используется в качестве гранулированной заготовки, внутри которой пропитываются жидкие фазы на основе YBCO для получения сверхпроводящего YBCO. масса. Этот метод был скопирован и адаптирован для MgB 2 и переименован в «Реактивная инфильтрация магния жидкостью» . Процесс реактивной инфильтрации жидкого магния в борную заготовку для получения MgB 2 был предметом патентной заявки итальянской компании Edison SpA. [ нужна ссылка ]

Гибридное физико-химическое осаждение из паровой фазы (HPCVD) является наиболее эффективным методом нанесения тонких пленок диборида магния (MgB 2 ). [8] Поверхности пленок MgB 2 , нанесенных другими технологиями, обычно шероховатые и нестехиометрические . Напротив, система HPCVD высококачественные может выращивать in situ пленки чистого MgB 2 с гладкими поверхностями, которые необходимы для создания воспроизводимых однородных джозефсоновских переходов , фундаментального элемента сверхпроводящих цепей.

Электромагнитные свойства

[ редактировать ]

Свойства во многом 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 T c составляет 39 К.
  • MgB 2 является сверхпроводником II рода , т.е. в него постепенно проникает возрастающее магнитное поле.
  • Максимальный критический ток ( Дж c ) составляет: 10 5 Являюсь 2 в 20 Т, 10 6 Являюсь 2 в 18 Т, 10 7 Являюсь 2 в 15 Т, 10 8 Являюсь 2 в 10 Т, 10 9 Являюсь 2 в 5 т. [9]
  • По состоянию на 2008 год: Верхнее критическое поле (H c2 ): (параллельно плоскостям ab ) ~14 Тл, (перпендикулярно плоскостям ab ) ~3 Тл, в тонких пленках до 74 Тл, в волокнах до 55 Тл. [9]

Улучшение с помощью допинга

[ редактировать ]

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

Легирование 5% углеродом может повысить H c2 с 16 до 36 Тл, в то время как снизить T c только с 39 К до 34 К. Максимальный критический ток ( J c ) снижается, но легирование TiB 2 может уменьшить это снижение. [13] (Легирование 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 небольшие количества легирования приводят обе зоны в режим типа II, и поэтому нельзя ожидать полумейснеровского состояния.

Теплопроводность

[ редактировать ]

MgB 2 является многозонным сверхпроводником, то есть каждая поверхность Ферми имеет различную сверхпроводящую энергетическую щель. Для MgB 2 сигма-связь бора сильная и индуцирует большую сверхпроводящую щель в s-волне, а пи-связь слабая и индуцирует небольшую щель в s-волне. [16] Квазичастичные состояния вихрей большой щели сильно приурочены к ядру 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 увеличению теплопроводности , которая резко возрастает выше H c1 . [16]

Возможные применения

[ редактировать ]

Сверхпроводники

[ редактировать ]

Сверхпроводящие свойства и низкая стоимость делают диборид магния привлекательным для различных применений. [18] [19] Для этих целей порошок MgB 2 спрессовывают с металлическим серебром (или нержавеющей сталью 316) в проволоку, а иногда и в ленту с помощью процесса «Порошок в трубке» .

мощностью 0,5 тесла система МРТ В 2006 году была построена открытая сверхпроводящая магнитная с использованием 18 км проводов MgB 2 . с замкнутым контуром В этой МРТ использовался криогенный охладитель , не требующий внешней подачи криогенных жидкостей для охлаждения. [20] [21]

«...инструменты МРТ следующего поколения должны быть изготовлены из катушек MgB 2 вместо катушек NbTi , работающих в диапазоне 20–25 К без жидкого гелия для охлаждения. ...Помимо применения в магнитах, проводники MgB 2 потенциально могут использоваться в сверхпроводящих трансформаторах, роторах и кабелях передачи при температурах около 25 К и полях 1 Тл». [19]

Проект CERN по производству кабелей MgB 2 привел к созданию сверхпроводящих испытательных кабелей, способных выдерживать ток 20 000 ампер для приложений распределения чрезвычайно высоких токов, таких как модернизация Большого адронного коллайдера с высокой светимостью . [22]

Конструкция IGNITOR токамака была основана на MgB 2 для его полоидальных катушек. [23]

Тонкие покрытия можно использовать в сверхпроводящих радиочастотных резонаторах, чтобы минимизировать потери энергии и снизить неэффективность 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 повреждения и токоподводах. [ нужна ссылка ]

Порох, взрывчатка, пиротехника

[ редактировать ]

В отличие от элементарного бора, сгорание которого неполное из-за слоев стеклооксида, препятствующих диффузии кислорода, диборид магния сгорает полностью при воспламенении в кислороде или в смесях с окислителями. [24] Таким образом, борид магния был предложен в качестве топлива для прямоточных реактивных двигателей . [25] Кроме того, использование MgB 2 в взрывчатых веществах с повышенной взрывной силой [26] и топливо было предложено по тем же причинам. Вспышки-ловушки, содержащие диборид магния/ тефлон / витон, демонстрируют увеличение спектральной эффективности на 30–60%, E λ (Дж г −1 сэр −1 ), по сравнению с классическими полезными нагрузками из магния/тефлона/витона (MTV). [27] Также было исследовано применение диборида магния в гибридных ракетных двигателях, при этом соединение смешивалось с парафиновыми топливными зернами для улучшения механических свойств и характеристик сгорания. [28]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Нагамацу, Джун; Производитель Норимаса; Красивая, Счастливая; Зенитани, Юджи; Акимицу, июнь (2001). «Сверхпроводимость при 39 К в дибориде магния». Природа . 410 (6824): 63–4. Бибкод : 2001Natur.410...63N . дои : 10.1038/35065039 . ПМИД   11242039 . S2CID   4388025 .
  2. ^ Перейти обратно: а б Ларбалестьер, округ Колумбия; Кули, Л.Д.; Рикель, Миссури; Полянский А.А.; Цзян, Дж.; Патнаик, С.; Цай, XY; Фельдманн, DM; и др. (2001). «Сильно связанное течение тока в поликристаллических формах сверхпроводника MgB2». Природа . 410 (6825): 186–189. arXiv : cond-mat/0102216 . Бибкод : 2001Natur.410..186L . дои : 10.1038/35065559 . ПМИД   11242073 . S2CID   4424264 .
  3. ^ Мощалков В.В.; Менгини, Мариэла; Нисио, Т.; Чен, К.; Силханек, А.; Дао, В.; Чиботару, Л.; Жигадло, Н.; Карпински Дж.; и др. (2009). «Сверхпроводники типа 1,5». Письма о физических отзывах . 102 (11): 117001. arXiv : 0902.0997 . Бибкод : 2009PhRvL.102k7001M . doi : 10.1103/PhysRevLett.102.117001 . ПМИД   19392228 . S2CID   10831135 .
  4. ^ Бабаев, Егор и Спейт, Мартин (2005). «Полумейснеровское состояние и ни сверхпроводимость первого, ни второго рода в многокомпонентных системах». Физический обзор B . 72 (18): 180502. arXiv : cond-mat/0411681 . Бибкод : 2005PhRvB..72r0502B . дои : 10.1103/PhysRevB.72.180502 . S2CID   118146361 .
  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. ^ Б.А.Гловацки, М.Майорос, М.Викерс, Дж.Иветтс, Ю.Ши и И.МакДугалл, Сверхпроводимость проводов MgB2 типа «порошок в трубке», Наука и технология сверхпроводников, 14 (4) 193 (апрель 2001 г.) | DOI: 10.1088/0953-2048/14/4/304.
  7. ^ Джунчи, Г.; Цересара, С.; Рипамонти, Г.; Кьярелли, С.; Спадони, М.; и др. (6 августа 2002 г.). «Реактивное спекание MgB 2 из элементов». Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 13 (2): 3060–3063. Бибкод : 2003ITAS...13.3060G . дои : 10.1109/TASC.2003.812090 .
  8. ^ Си, XX; Погребняков А.В.; Сюй, С.Ю.; Чен, К.; Цюи, Ю.; Мерц, EC; Чжуан, CG; Ли, Ци; Ламборн, ДР; Редвинг, Дж. М.; Лю, З.К.; Сукиасян А.; Шлом, Д.Г.; Венг, XJ; Дики, ЕС; Чен, Ю.Б.; Тиан, В.; Пан, XQ; Кибарт, С.А.; Дайнс, RC; и др. (14 февраля 2007 г.). «Тонкие пленки MgB 2 методом гибридного физико-химического осаждения из паровой фазы». Физика С. 456 (1–2): 22–37. Бибкод : 2007PhyC..456...22X . doi : 10.1016/j.physc.2007.01.029 .
  9. ^ Перейти обратно: а б с Эйстерер, М. (2007). «Магнитные свойства и критические токи MgB 2 ». Сверхпроводниковая наука и технология . 20 (12): С47–С73. Бибкод : 2007SuScT..20R..47E . дои : 10.1088/0953-2048/20/12/R01 . S2CID   123577523 .
  10. ^ Хоссейн, MSA; и др. (2007). «Значительное увеличение H c2 и Hirr в объемах MgB 2 +C 4 H 6 O 5 при низкой температуре спекания 600 ° C». Сверхпроводниковая наука и технология . 20 (8): L51–L54. Бибкод : 2007SuScT..20L..51H . дои : 10.1088/0953-2048/20/8/L03 . S2CID   118204074 .
  11. ^ Ямада, Х; Утияма, Н.; Мацумото, А; Китагути, Х; Кумакура, Х (2007). «Превосходные сверхпроводящие свойства лент MgB 2, обработанных in situ методом порошка в трубке с добавлением этилтолуола и порошка SiC». Сверхпроводниковая наука и технология . 20 (6): Л30. Бибкод : 2007SuScT..20L..30Y . дои : 10.1088/0953-2048/20/6/L02 . S2CID   95092135 .
  12. ^ Ваджпаи, А; Авана, В; Баламуруган, С; Такаяамамуромати, Э; Кишан, Х; Бхалла, Дж. (2007). «Влияние легирования ПВС на фиксацию флюса в Bulk MgB 2 ». Физика C: Сверхпроводимость . 466 (1–2): 46–50. arXiv : 0708.3885 . Бибкод : 2007PhyC..466...46В . doi : 10.1016/j.physc.2007.05.046 . S2CID   118348153 .
  13. ^ «Свойства MgB 2 , улучшенные за счет легирования атомами углерода» . Azom.com . 28 июня 2004 г.
  14. ^ Чжао, Юн и др. «Сверхпроводник на основе MgB2 с высокой критической плотностью тока и способ его изготовления» Патент США № 6 953 770 , дата выдачи: 11 октября 2005 г.
  15. ^ Ма, Ю. (2006). «Легирование ZrC и ZrB 2 , обработанных порошком в трубке в лентах MgB 2 » . Китайский научный бюллетень . 51 (21): 2669–2672. Бибкод : 2006ЧСБу..51.2669М . дои : 10.1007/s11434-006-2155-4 . S2CID   198141335 . Архивировано из оригинала 15 февраля 2012 г.
  16. ^ Перейти обратно: а б Сологубенко А.В.; Джун, Дж.; Казаков С.М.; Карпински Дж.; Отт, HR (2002). «Теплопроводность монокристаллического MgB 2 » . Физический обзор B . 66 (1): 14504. arXiv : cond-mat/0201517 . Бибкод : 2002PhRvB..66a4504S . дои : 10.1103/PhysRevB.66.014504 . S2CID   119539678 . Архивировано из оригинала 14 февраля 2012 г. Проверено 18 декабря 2008 г.
  17. ^ Накаи, Нориюки; Итиока, Масанори; МакХида, Казусигэ (2002). «Полевая зависимость электронной теплоемкости в двухзонных сверхпроводниках». Журнал Физического общества Японии . 71 (1): 23–26. arXiv : cond-mat/0111088 . Бибкод : 2002JPSJ...71...23N . дои : 10.1143/JPSJ.71.23 . S2CID   119418871 .
  18. ^ Брей, JW (2009). «Сверхпроводники в приложениях: некоторые практические аспекты». Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 19 (3): 2533–2539. Бибкод : 2009ITAS...19.2533B . дои : 10.1109/TASC.2009.2019287 . S2CID   30296918 .
  19. ^ Перейти обратно: а б Винод, К; Кумар, Р.Г. Абхилаш; Шьямапрасад, У (2007). «Перспективы сверхпроводников MgB 2 для применения в магнитах». Сверхпроводниковая наука и технология . 20 : R1–R13. дои : 10.1088/0953-2048/20/1/R01 . S2CID   122933298 .
  20. ^ «Первая система МРТ на основе нового сверхпроводника диборида магния» (PDF) . Колумбус Сверхпроводники. Архивировано из оригинала (PDF) 30 июня 2007 г. Проверено 22 сентября 2008 г.
  21. ^ Браччини, Валерия; Нарделли, Давиде; Пенко, Роберто; Грассо, Джованни (2007). «Разработка ex situ, , обработанных проводов MgB 2 и их применение в магнитах». Физика C: Сверхпроводимость . 456 (1–2): 209–217. Бибкод : 2007PhyC..456..209B . doi : 10.1016/j.physc.2007.01.030 .
  22. ^ Высокотекущий проект ЦЕРН
  23. ^ Зажигательный информационный бюллетень
  24. ^ Кох, EC; Вайзер В. и Рот Э. (2011), Поведение при горении бинарных пиролантов на основе Mg, MgH 2 , MgB 2 , Mg 3 N 2 , Mg 2 Si и политетрафторэтилена, EUROPYRO 2011 , Реймс, Франция.
  25. ^ MgH 2 и Sr(NO 3 ) 2 Уорд, Дж. Р. « Пиротехническая композиция » Патент США № 4,302,259 , выдан: 24 ноября 1981 г.
  26. ^ Вуд, LL и др. «Легкие металлические взрывчатые вещества и ракетное топливо» Патент США № 6 875 294 , выдан: 5 апреля 2005 г.
  27. ^ Кох, Эрнст-Кристиан; Хахма, Арно; Вайзер, Волкер; Рот, Эвелин; Кнапп, Себастьян (2012). «Металл-фторуглеродные пироланты. XIII: Высокоэффективные композиции инфракрасных ложных вспышек на основе MgB 2 и Mg 2 Si и политетрафторэтилена / витона®». Пороха, взрывчатые вещества, пиротехника . 37 (4): 432. doi : 10.1002/prep.201200044 .
  28. ^ Бертольди, AEM; Бузиан, М.; Хендрик, П.; Вандевельде, К.; Лефевр, М.; Верас, CAG (28 мая – 1 июня 2018 г.). Разработка и испытание присадки на основе магния для топлива гибридных ракет . 15-я Международная конференция по космическим операциям. Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2018-2383 . ISBN  978-1-62410-562-3 . {{cite conference}}: CS1 maint: формат даты ( ссылка )
[ редактировать ]
Викискладе есть медиафайлы по теме диборида магния .
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Magnesium_diboride&oldid=1224825565"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 1e1614105d25ee71e3a67eebd92f8196__1716217080
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/1e/96/1e1614105d25ee71e3a67eebd92f8196.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Magnesium diboride - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)