中国科学院大学Supercond. Sci. Technol.：10³ – 10⁴ ℃/s 超快焦耳烧结在 20 s 内实现 BaK122 500-600 ℃低温高纯成相

通讯作者董持衡通讯单位中国科学院大学DOI10.1088/1361-6668/ae70331. 背景铁基超导材料在高场磁体、聚变装置、加速器和先进医学成像等方向具有重要应用潜力其中 Ba1-xKxFe2As2BaK122因高不可逆场、较低各向异性和良好晶界特性而受到持续关注。然而BaK122 前驱体制备同时面临钾元素易挥发、多步固相反应复杂、Fe-As 杂相难抑制等问题传统炉烧往往需要长时间高温处理容易带来能耗高、成分漂移和相稳定性窗口窄等挑战。超快焦耳烧结通过电流直接诱导电阻发热可在极高升降温速率下进入非平衡反应路径为挥发性掺杂超导体系的低温、短时、高纯成相提供了新的工艺可能。2. 论文概要本文系统研究了超快焦耳加热UJH条件下 BaK122 前驱体块材的成相、晶化、元素再分布与超导性能演化。研究将压制片置于碳毡电极之间在 Ar 气氛中施加脉冲电流实现电阻发热升降温速率达到 10^3-10^4 ℃/s典型保温时间为 20 s。结果表明BaK122 可在 500-600 ℃、20 s 内快速形成高纯相继续提高热输入主要促进晶粒长大和组织粗化并不能进一步提升相纯度当温度超过约 900 ℃时钾挥发导致 BaK122 分解FeAs 在晶界偏聚超导性能随之下降。性能方面500 ℃以上样品的 Tc 约为 38 K500-600 ℃样品在全磁场范围内表现出更高晶内临界电流密度6 T 下 Jc 仍可达 0.8 MA/cm2。与常规 900 ℃、35 h 炉烧路线相比UJH 在 600 ℃处理 2 g 样品的能耗约为 0.0018 kWh/g时间与能耗均降低约三个数量级凸显出快速制备铁基超导前驱体的潜力。3. 图文解读图1 展示了超快焦耳加热装置与温度程序样品夹持于两片碳毡电极之间电流直接通过体系产生焦耳热并由红外测温反馈控制除 400 ℃延长至 40 s 的条件外其余峰值温度通常保温 20 s突出了“秒级升温、短时保温、快速冷却”的非平衡烧结特征。图2 通过 XRD/Rietveld 精修揭示成相窗口400-500 ℃阶段仍存在 Fe2As 和 FeAs 等中间相说明反应尚未充分升至 600 ℃后 BaK122 成为高纯主相进一步提高温度后 FeAs 再次出现表明过高热输入已开始破坏 BaK122 的化学稳定性。图3 显示 400 ℃、20 s 处理后的早期组织颗粒仍呈疏松团聚与花椰菜状形貌仅局部出现致密片状区域不同区域 K/(BaK) 分布差异明显说明超快加热首先诱发局域反应和非均匀成核整体尚处于不完全成相阶段。图4 表明 600 ℃是快速成相的关键节点原始颗粒骨架部分塌陷片状 BaK122 晶粒大量出现Fe 或 As 与 BaK 的比例接近 122 相化学计量关系K 含量也向最佳掺杂区间收敛证明短时焦耳热已能完成有效晶化和成分均衡。图5 展示 800-900 ℃下的高温组织演化800 ℃样品中大、小片状晶粒共存呈现明显双峰式生长900 ℃样品孔隙减少、片状晶粒更连续并发生局部并合说明此阶段主导过程已由成相转向晶粒长大与组织致密化。图6 说明 1000 ℃进入过烧区虽然片状晶粒更加致密但晶界出现亚微米级 FeAs 富集颗粒晶内 K/(BaK) 明显低于最佳掺杂水平这直接指向钾挥发造成的 BaK122 分解是高温处理后超导性能下降的关键微观原因。图7 从统计上验证钾含量的温度依赖400 ℃样品偏 K 富集且离散度大600 ℃后逐渐接近最佳掺杂线800-900 ℃仍维持在合理区间而 1000 ℃明显进入欠掺杂状态进一步证明钾保持能力决定了 BaK122 的可用工艺上限。图8 展示晶粒尺寸分布随温度升高而显著拓宽400 ℃阶段以亚微米晶粒为主600 ℃后晶粒快速长大800 ℃出现大晶粒与细晶粒并存900 ℃转为以约十余微米片状晶粒为主的宽分布说明 UJH 可在极短时间内强烈驱动界面迁移和晶粒并合。图9 关联了结构窗口与超导性能除 400 ℃成相不足外500 ℃以上样品均表现出约 38 K 的超导转变500-600 ℃样品在不同磁场下具有更高晶内 Jc其中 6 T 下仍达 0.8 MA/cm2而 900-1000 ℃样品因钾损失和二次相形成出现明显退化。图10 总结了 UJH 下 BaK122 的四个区域低温区反应不完全并残留 Fe-As 中间相500-600 ℃区快速成核并获得高纯 BaK122更高温区主要发生晶粒长大和并合超过约 900 ℃后钾挥发触发主相分解FeAs 沿晶界润湿并削弱超导连通性。4. 总结展望这项工作给出了 BaK122 铁基超导前驱体在超快焦耳烧结中的关键工艺图谱20 s、500-600 ℃即可获得高纯相和较优晶内超导性能但继续升温并不等同于性能提升反而会因钾挥发、FeAs 晶界偏聚和欠掺杂而带来退化。其核心启示在于含挥发性元素的非氧化物超导体系需要同时控制峰值温度、输入能量、气氛和保温时间在“快速成相”与“化学稳定”之间找到窄窗口。面向后续应用UJH 有望服务于铁基超导前驱体的低能耗快速制备但放大过程中仍需重点解决温度梯度、电流分布、钾保持、批量均匀性和与线带材制备流程衔接等工程问题。文献信息Hao Zhou, Zhenguo Zhang and Chiheng Dong*, Phase formation and crystallization of Ba1−xKxFe2As2 under ultrafast joule heating. Supercond. Sci. Technol. 39 065002, 2026. DOI 10.1088/1361-6668/ae7033.