金属基带上制备YBCO超导带材的基础研究

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第二代高温超导带材(YBa2Cu3O7-x,YBCO)具有高载流能力、高不可逆场、低交流损耗和高转变温度,成为当前的热点研究对象。适于工业化生产的YBCO超导薄膜制备工艺一直是人们研究的热点课题。传统物理真空沉积技术价格昂贵,不适于规模化生产。TFA-MOD方法效率低以及金属基带易氧化的问题,制约了YBCO涂层导体的实用化进程。因此,研究和开发低成本、环保、更加实用的YBCO薄膜新制备工艺受到人们广泛关注。本文研究了Ni-5at.% W(Ni5W)和哈氏合金基带上YBCO超导薄膜的低成本制备工艺,为工业上金属基带上制备YBCO超导带材提供理论和技术上的支持。本文首先采用金属有机沉积法(metal organic deposition, MOD)在Ni-W基带上制备La0.4Sr0.6TiO3(LSTO)导电缓冲层。以乙酸镧、乙酸锶和钛酸丁酯为前驱物配制了LSTO前驱液。讨论了热处理温度等工艺参数对Ni-W基带上LSTO缓冲层外延生长的影响。确定了温度为950℃、烧结时间为2h、还原性气氛下以0.2℃/min速率降温、0.04mol/L的LaTiO3(LTO)为种子层,此工艺条件下制备的LSTO薄膜具有较强的(200)立方织构,可以为YBCO的外延生长提供织构化模板。薄膜具有较好的导电性能,其室温电阻率为4.73×10-5Ω·m。以此工艺为基础,采用提拉法制备了具有较好取向、长度为3cm的LSTO缓冲层。研究了YBCO无氟合成工艺。以乙酸钇、乙酸钡、乙酸铜和丙酸为前驱反应物配制了无氟YBCO前驱液。首次系统分析了无氟YBCO合成动力学。确定了无氟YBCO的合成反应过程、反应机理函数、反应活化能、合理反应时间和有机物分解时间。其反应活化能为174kJ/mol,810℃下合理反应时间为4.3h,400℃时有机物分解时间为3h。围绕Ni-W基带氧化问题的解决方案,采用MOD法制备了几种具有较好取向的复合缓冲层。分别讨论了各复合缓冲层在YBCO制备过程中的抗氧化能力。结果表明抗氧化能力大小顺序为:STO/CeO2/Ni-W< STO/LZO/Ni-W< LZO/CeO2/Ni-W<STO/LZO/CeO2/Ni-W<MOD-LZO/PLD-CeO2/Ni-W。首次采用电泳沉积法分别在LSTO/Ni-W和哈氏合金基带上制备了性能较好的YBCO超导厚膜,为YBCO涂层导体开辟了新的制备工艺。首先采用化学溶液法制备了粒径为1μm左右的高纯度YBCO粉末。克服了传统固相烧结法纯度低、粒径大的缺点。探索了电泳沉积法Ni-W基带上制备YBCO厚膜的工艺参数。在电泳液中添加30mg碘,138V下沉积35min,875℃烧结3h后以1.5℃/mmin速率降温工艺下制备的YBCO涂层临界电流密度可达1463A/cm2(OT,77K)。研究了电泳液中YBCO粉末和去离子水浓度、添加剂种类和添加量对电泳法在哈氏合金上制备YBCO超导厚膜的影响。在YBCO粉末和去离子水浓度分别为2.0g/L和0.005g/L的电泳液中添加0.05g的PVB,制备的YBCO厚膜具有较好的超导性能。
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