Dynamics of Phase Formation During Synthesis of Magnesium Diboride From Elements in Thermal Explosion Mode

Abstract

Методом времяразрешающей дифракции (TRXRD) изучено влияние скорости нагрева смеси Mg + 2B на динамику фазо-образования при тепловом взрыве в среде гелия. Показано, что фаза MgB 2 появляется без формирования промежуточных соединений. Существенным фактором, влияющим на кинетику образования MgB 2 , является наличие примесного кисло-рода. При скорости нагрева шихтовой смеси 150-200 °С/мин оксидная пленка на поверхности частиц магния не успевает сформироваться, в результате чего реакция Mg + 2B = MgB 2 протекает по механизму реакционной диффузии сразу после расплавления магния. Продукты синтеза состоят преимущественно из MgB 2 и следов MgO на уровне 5 %. Температура теплового взрыва составляет 1100 °С. При скорости нагрева 30-50 °С/мин на поверхности магния вырастает сравнительно толстая оксидная пленка, которая тормозит растекание расплава и сдвигает на 8-9 с начало реакции образования MgB 2 . Продукты синтеза содержат MgB 2 и до 15 % MgO. Температура теплового взрыва в этом случае составляет 1020 °С. Dynamics of phase formation during synthesis of magnesium diboride from elements in thermal explosion modeThe paper uses the method of time-resolved X-ray diffraction (TRXRD) and studies the effect of Mg + 2B mixture heating rate on the dynamics of phase formation during thermal explosion in helium environment. It was shown that MgB 2 phase occurs with no intermediate compounds formed. The presence of impurity oxygen is a significant factor affecting MgB 2 formation kinetics. There is no sufficient time for oxide film formation on magnesium particle surfaces at the charge mixture heating rate of 150-200 °C/min, and thus Mg + 2B = MgB 2 reaction proceeds by a mechanism of reaction diffusion immediately upon magnesium melting. Synthesis products are mostly composed of MgB 2 and traces of MgO at the level of 5 %. The temperature of thermal explosion is 1100 °C. At the heating rate of 30-50 °C/min, a relatively thick oxide layer grows on the magnesium surface, which inhibits melt spreading and shifts the beginning of MgB 2 formation reaction by 8-9 s. Synthesis products contain MgB 2 and up to 15 % of MgO. The temperature of thermal explosion is 1020 °C.Keywords: Magnesium diboride, thermal explosion, time-resolved X-ray diffraction, oxide layer.