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二硼化镁

化合物

二硼化镁是一种无机化合物，化学式为MgB2。 无定形二硼化镁是一种深灰色、不溶于水的颗粒状固体。 2001年，研究人员发现二硼化镁在39 开尔文（-234 ℃）转变为超导体，属于常规超导体。MgB2与大多数含有过渡金属的常规超导体有显著不同。它的转变温度几乎超过以前发现最佳常规超导体的一倍，接近达到BCS理论预言的超导转变温度之上限。目前工业界用液氦来冷却铌钛合金（英语：Niobium-titanium）超导磁铁，其工作温度为4.5K。这一系统运行、维护费用昂贵不说，还容易失超。欧洲核子研究组织的大型强子对撞机就曾发生过液氦泄漏事件而导致整个对撞机无法运作达数月之久。[1]

二硼化镁
识别
CAS号 12007-25-9  checkY
PubChem 15987061
ChemSpider 13118398
SMILES
 
  • [B].[B].[Mg]
性质
化学式 MgB2
摩尔质量 45.93 g·mol⁻¹
密度 2.6
熔点 1300 °C (分解)
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

二硼化镁的实际工作温度为20到30K，因此其超导器件可以用液氖、液态氢或是封闭循环式冷冻机来冷却。使用二硼化镁代替铌钛合金既可以简化超导部件设计，又能降低使用和维护成本。掺杂了碳或其它杂质的二硼化镁在磁场或有电流通过的情况下，维持超导的能力不亚于铌钛合金，甚至更好。其潜在应用包括超导磁铁、电力传输线及磁场侦测器等。

超导性

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2001年，日本物理学者秋光纯率领的团队首次报道了二硼化镁的超导特性。[2]其临界温度(Tc)的39 K（−234 °C；−389 °F）是现有传统超导体中最高的。在可用BCS理论（即电子之间存在以声子为媒介的间接相互作用）描述的超导体中，二硼化镁相当超常。其费米能级中存在两种差异很大的电子：sigma键电子和π键电子，前者的超导性远远强于后者。这个现象与BCS理论的假设其实是不一致的，因为该理论假设常规超导体中所有电子的行为都是一样的。理论上，可以把MgB2当作有两种不同能隙的常规超导体。其行为更接近金属，和常见的铜氧化物超导体（比如镧钡铜氧和钇钡铜氧）大不相同。[3]

半迈斯纳态

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二硼化镁π和sigma电子的已知能隙分别为2.2和7.1 毫电子伏（meV）。其π带电子的相干长度为51 nm，sigma带电子为13 nm。 [4] 二者对应的伦敦穿透深度分别为33.6 nm和47.8 nm，金兹堡-朗道参数为0.66±0.02和3.68。前者小于0.707，第二个大于0.707。这表明二硼化镁的π带电子表现得像是常规超导体的电子，而其sigma带电子则像是第二类超导体的电子。

传统上认为，第一类超导体只有两种态：正常态和迈斯纳态（即完全抗磁性）；第二类超导体在临界磁场以上则会形成磁涡旋。计算表明，在二硼化镁这样存在两种不同电子的体系中，在某些情况下，量子涡旋在超过临界距离时互相吸引，在临界距离以内则互相排斥。[5] 在临界距离，量子涡旋之间的势能达到最小化。这时可能出现一种被称为“半迈斯纳态”的超导态。当磁场的磁通量不足以将超导体中充满彼此以由临界距离分隔的涡旋晶格时，磁涡旋和BCS超导态将同时存在，但后者将居主导地位。因此二硼化镁会表现为宏观上的第一类超导体。

这一猜想在最近的低温实验中得到了证实。[6][7][8]作者们发现，在4.2K，二硼化镁晶体中存在着量子涡旋密度比周围大的区域。在第二类超导体中，Abrikosov涡旋之间间距的变化一般是1%，而作者在二硼化镁晶体中发现了50%上下的变化，说明间距为临界距离的涡旋在某些区域中聚集。作者们建议把这种超导体叫做1.5型超导体。

合成

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二硼化镁于1953年首次合成，其晶体结构亦被详细研究。[9]起初的合成方法是在氢气保护下使用硼和镁粉末在800 ℃直接反应。[3]反应起始于650 ℃。由于金属镁在652 ℃时熔化，该反应可能不仅仅是硼和镁的固相反应，也可能包括镁蒸气和硼的异相反应。

超导二硼化镁导线可以通过粉末管中烧结法（powder-in-tube，PIT）生产。 这种方法又可分为两种工艺：原位和非原位。[10] 在原位法中，先用传统的拉丝法产生硼镁合金的细丝，然后将合金丝加热到反应温度生成MgB2。非原位法中，烧结管内填充的是MgB2粉末（通常用银或316不锈钢来增加二硼化镁的延展性），拉丝后在800至1000 ℃下烧结。不管是用哪种方法，烧结后经过950 ℃的热处理，可进一步改善二硼化镁导线的超导性能。

2003年，意大利EDISON SpA公司开发了制备二硼化镁的一种新技术，被称为Mg-RLI。[11] 该技术使用预制的硼-镁块在不锈钢容器中高温反应，不需要保护气氛，反应压力不超过3到4个大气压。该方法既可以制造高密度（超过MgB2理论密度90%）的二硼化镁粉状材料，也可以制造二硼化镁中空纤维。这种方法和制造粉状钇钡铜氧超导体的加工法类似。EDISON SpA已经为此申请多项专利。[12]

混合物理化学气相沉积（HPCVD）被证明是沉积二硼化镁薄膜的有效技术。[13] 通过其它技术沉积的MgB2薄膜的表面通常不光滑，并且不符合其化学式的化学计量比（即硼镁比例偏离2：1）。相比之下，HPCVD技术可以生长出高质量并具有光滑表面的纯MgB2薄膜。而这样的薄膜是制造可重现性约瑟夫森结超导电路的基本元素。

电磁性能

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超导性二硼化镁的性能在很大程度上取决于成分和制造工艺。由于其插层式的晶体结构，二硼化镁的许多特性是各向异性的。不纯的样品——例如，晶粒边界存在氧化层——与纯净样品表现也不同。[14]

  • 最高超导转变温度（即临界温度）Tc为39K。
  • 根据对外加磁场的响应情况，MgB2属于第二类超导体。第一类超导体只有一个临界磁场Hc，在H<Hc(T<Tc)时，超导体从普通导体转变为超导态，失去电阻及完全抗磁，而当H>Hc时，超导体变为普通导体。第二类超导体有两个临界磁场Hc1和Hc2，当H<Hc1(T<Tc)时，第二类超导体和第一类超导体一样，没有电阻及完全抗磁；当Hc1<H<Hc2(T<Tc)时，第二类超导体依然处于超导态，电阻为零，但是磁场可以渗透进入超导体内部，不具有完全抗磁性，渗透进入的磁场以量子涡旋的形式存在。
  • 最大临界电流(Jc)：20特斯拉（T）——105 A/m2;18 T——106 A/m2；15 T——107 A/m2；10 T——108 A/m2；5 T——109 A/m2。[14]
  • 截至2008年： 平行于ab平面的临界磁场Hc2为约14 T，垂直于ab平面时约3 T，在薄膜中可达74 T，在纤维中可达55 T。[14]

通过参杂改性

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用碳掺杂MgB2（例如使用10%的苹果酸）可以提高Hc2和最大电流密度。[15][16] 聚醋酸乙烯酯也有类似功效。[17]实验发现，5%的碳掺杂可以将Hc2从16T提高到36T，而Tc仅从39K降低到34K。 参杂可能导致最大临界电流(Jc)降低，但掺杂TiB2可以有效遏制其下降。[18]参杂钛也已经有报道。[19])

通过掺杂ZrB2，MgB2的最大临界电流可大大增强，在4.2 K时几乎能够倍增。[20]

即使是少量的掺杂也会使MgB2变成第二类超导体，因此可能不会再出现半梅斯纳态。

热导率

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MgB2晶体中由量子涡旋构成的准粒子发生离域化，对其热导率有显著的影响。其结果是，在Hc1以上，MgB2的热导率会出现跃增。[21][22]

应用

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超导体

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二硼化镁的超导性能和低成本使其在各种应用中都具有吸引力。[23]

2006年，意大利公司Columbus Superconductors推出了一种使用MgB2的核磁共振成像超导磁铁系统，场强为0.5特斯拉，一共使用了18 公里的二硼化镁导线。该超导磁铁使用闭路低温制冷剂，不需要使用低温液体进行冷却。[24][25]

有研究者认为，下一代核磁共振成像仪器将广泛使用MgB2线圈代替铌钛合金线圈，在20-25K温度区间运行，无需液氦冷却。[23]除了用于超导磁铁外，MgB2还可用于超导变压器、转子和输电缆，运行温度为25K，场强为1 T。[23]

欧洲核子研究中心的一个制造MgB2导线的项目已经生产出了电缆样品，能够承载20,000安培的极高电流传输，将来可望用于极高亮度的大型强子对撞机升级版。 [26]

意大利政府拟议中的托卡马克聚变装置IGNITOR中，将使用MgB2的线圈。[27]但是这一装置是否建设，目前还未有定论。

二硼化镁的薄涂层可用于超导射频腔，以减少能量损失，增进液氦冷却铌腔的效率。由于其低成本，MgB2在超导中低场磁体、电动机和发电机、故障限流器和电流引线等方面均有应用前景。

推进剂、炸药、烟火剂

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硼元素可以直接在空气中燃烧，释放巨大的能量。但这一其燃烧不完全，因为硼颗粒表面玻璃状的氧化层可阻断氧气的扩散而防止充分燃烧。二硼化镁没有这个问题。其在氧气中或在与氧化剂的混合物中点燃时会完全燃烧，因此可用做高能化合物。[28] 有人建议将二硼化镁作为冲压式喷气机的燃料。[29] 此外，MgB2也可以用在增强型炸药中。[30] 同样，有人提出使用二硼化镁/特氟隆/氟橡胶作为推进剂。与传统的镁/氟龙/氟橡胶（MTV）的有效载荷相比，含有二硼化镁配方的诱饵照明弹光效率（Eλ，J g-1sr-1）增加了30-60%。[31] 还有人研究了二硼化镁在火箭推进剂中的应用。该化合物混入石蜡燃料颗粒中可以改善机械性能和燃烧特性。[32]

参考文献

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外部链接

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