Densification of MgB2 superconducting cryomagnets : Synthesis and physical properties studies - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Densification of MgB2 superconducting cryomagnets : Synthesis and physical properties studies

Densificatiοn des cryοaimants supracοnducteurs ΜgΒ2 : οptimisatiοn de la synthèse et étude des prοpriétés physiques

Résumé

Highly dense bulk MgB2 samples have been elaborated by unconventional "Spark Plasma Sintering" (SPS) according to different processing routes using conventional graphite dies or tungsten carbide dies. Different precursors were used: i) the commercial powder MgB2 ii) mixtures of magnesium and nano boron powder (Mg + 2B) iii) mixtures of Mg and MgB4 powder and iv) mixtures of magnesium and carbon-encapsulated boron powder (Mg+2B/C) for an "in-situ" reactive synthesis. The density of the obtained MgB2 bulks was up to 99 % of the theoretical density of the material, which is the highest so far reported in literature. Then structural and microstructural characterizations were carried out with these samples and correlated to their superconducting properties, in particular their critical current densities, Jc measured at 20 K. The optimized heat treatment for the in-situ MgB2 bulks was found to be lower than 800°C under 300 MPa pressure. A high Jc = 675 kA/cm2 was obtained in self-field and remarkably for an un-doped bulk MgB2, Jc was above 10 kA/cm2 at 4 T. A moderate Mg addition in the samples sintered at high temperatures (>900°C) can suppress the Mg-depleted phases (MgB4) and improve the intergrain connectivity and consequently, the critical current density Jc at low fields. Substitution of boron by carbon depresses slightly critical temperature, Tc but enhances vortex pinning, with the result of optimized performances of Jc in high field (around 10 kA/cm2 at 5 T and 20 K) with the mixtures containing carbon-coated boron or nano SiC doping. In addition, the functional properties have been investigated for large bulks fabricated with the commercial MgB2 powder, especially the levitation and restoring forces in superconducting magnetic levitation (SML) as well as the trapped field. These measurements have revealed that large diameter MgB2 discs can be good candidates for SML systems using a cryogenic fluid such as hydrogen or neon.
Des massifs MgB2 ont été préparés par frittage rapide "Spark Plasma Sintering " (SPS) selon différentes voies de traitement utilisant des moules en graphite conventionnelles ou des moules en carbure de tungstène. Différents précurseurs ont été utilisés : i) la poudre commerciale MgB2 ii) mélange de poudre de magnésium et de nano bore (Mg + 2B) iii) mélange de poudre de Mg et MgB4 et iv) mélange de poudre de magnésium et de bore enrobée du carbone (Mg+2B/C) pour une synthèse réactive "in-situ". La densité des échantillons obtenus était jusqu’à 99 % de la densité théorique du matériau, qui est la plus élevée à ce jour rapportée dans la littérature. Nous avons ensuite effectué des caractérisations structurales et microstructurales que nous avons corrélées aux propriétés supraconductrices, en particulier la densité de courant critique, Jc mesurée à 20 K. Les meilleurs résultats sont obtenus avec les échantillons in-situ élaborés au-dessous de 800°C appliquant une pression de 300 MPa. Une densité de courant critique élevée Jc = 675 kA/cm2 a été obtenu en champ nul et remarquablement pour un massif MgB2 non dopé, Jc était supérieur à 10 kA/cm2 à 4 T. Un ajout modéré de Mg dans les échantillons frittés à haute température (>900°C) a permis de réduire les phases appauvries en Mg (MgB4) et d’améliorer la connectivité inter-grains et par conséquent, la densité de courant critique Jc en champs faibles. La substitution du bore par du carbone abaisse légèrement la température critique, Tc mais améliore le piégeage des vortex, d'où des performances optimisées pour Jc à haut champ (autour de 10 kA/cm2 à 5 T et 20 K) avec le mélange contenant du bore enrobé de carbone ou un dopage de nano SiC. De plus, les propriétés fonctionnelles ont été étudiées avec des disques MgB2 de grandes tailles, en particulier les forces de lévitation et de stabilisation ainsi que le champ piégé. Ces résultats de mesures ont démontré la possibilité d’intégrer des cryoaimants supraconducteurs MgB2 dans des dispositifs de sustentation magnétique utilisant un fluide cryogénique tel que l'hydrogène ou le néon.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03858199 , version 1 (17-11-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03858199 , version 1

Citer

Yiteng Xing. Densification of MgB2 superconducting cryomagnets : Synthesis and physical properties studies. Material chemistry. Normandie Université; Shibaura Institute of Technology, 2022. English. ⟨NNT : 2022NORMC227⟩. ⟨tel-03858199⟩
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