Structure and Functional Properties of Bulk MgB₂ Superconductors Synthesized and Sintered under Pressure

Abstract

The high pressure (50 MPa - 2 GPa) – high temperature synthesized MgB2 bulk materials are characterized by nearly theoretical density (1-2% porosity), 80-98% connectivity, extremely high critical current densities (e.g. at 20 K, in 0–1 T jc=1.3–1.0 MA·cm-2 (with 10% SiC) and jc= 0.92 – 0.73 MA·cm-2 (without doping)), large irreversibility fields (Birr(18.4 K) =15 T and Birr (0 K) = 32.5 T) and high upper critical fields (Bc2 (22 K) =15 T and Bc2(0 K) ~ 42.1 T). The transformation of grain boundary pinning to point pinning in MgB2-based materials with increasing manufacturing temperature (from 800 to 1050 oC) under pressures from 0.1 to 2 GPa correlates well with an increase in critical current density in low external magnetic fields caused by the redistribution of boron and the oxygen impurities in the material structure. As the manufacturing temperature increases, the discontinuous oxygen enriched layers transform into distinct Mg-B-O inclusions and the size and amount of inclusions of higher magnesium borides MgBX (X>4) are reduced. The effect of oxygen and boron redistribution can be enhanced by Ti or SiC additions.

High Critical Current Density of Nanostructured MgB2 Bulk Superconductor Densified by Spark Plasma Sintering

“…In addition, the processing time is generally shorter than that required by the other techniques. The high J c values recorded by Prikhna et al (using HP processing) [ 27 , 28 ] are slightly higher than our results because their samples had a smaller grain size and higher density. However, the required sintering pressure and temperature were far greater than those required for the SPS process.…”

“…Table 1 summarizes the best J c of non-doped MgB 2 bulks prepared by other authors, correlated with their density and grain size. As compared to these results, except for the samples prepared by high-pressure processing (HP) [ 27 , 28 ], a significant improvement in the critical current density in both the low and high field can be observed. This can be attributed to the strong densification of the nanograins, suggesting that it is possible to enhance the grain connectivity by increasing the pressure and decreasing the temperature applied during spark plasma sintering.…”

Crystal Structure and Properties of the Oxide-Containing Magnesium Diboride Films

“…В то же время важно отметить, что в процессе работы над повы-шением значений критических характеристик диборида магния было обнаружено, что образцы с высокими сверхпроводящими критическими параметрами содержат достаточно большое количе-ство кислорода, что в последнее время является предметом ожив-лённой дискуссии в литературе [15][16][17][18]. Так, в работе [15] приво-дятся свидетельства в пользу того, что материал на основе диборида магния, синтезированный с применением высоких давлений, со-держит включения кислорода в виде Mg-B-O нановключений либо подобного состава слоёв толщиной в несколько нанометров (в зави-симости от температуры синтеза).…”

“…С другой стороны, отмечается, что появляющиеся в матери-але кислородосодержащие включения (или слои) могут играть по-ложительную роль в повышении величины плотности сверхпрово-дящих критических токов вследствие того, что они могут служить центрами пиннинга вихрей Абрикосова, если их размеры соизме-римы с длиной когерентности в дибориде магния. В случае синтеза диборида магния методом горячего прессования [18] достигается плотность критического тока в нем J c  0,3-0,2 MA/cм 2 при 20 К в полях 0-1 Тл, при этом в материале мишени присутствует большое количество включений, содержащих в том или ином виде кислород.…”

“…При исследованиях особенностей структуры массивных керами-ческих образцов диборида магния и изучении взаимосвязи струк-туры и сверхпроводящих свойств полученных образцов [15,18] осо-бенно информативным оказалось использование метода Оже-спектроскопии с послойным анализом. Так удалось показать при-сутствие кислорода в самой сверхпроводящей матрице, а не только на границах зёрен.…”