溶胶—凝胶法制备YBa2Cu3O7-δ超导材料的研究

论文摘要

钇钡铜氧YBa2Cu3O7-δ（YBCO）被认为是最有应用前景的高温超导材料,自1987年YBCO被发现以来,人们除了在高温超导理论方面进行了大量探讨以外,在粉体、薄膜、块材以及涂层等的制备方法方面也进行了大量研究,但由于YBCO成份复杂,具有导电的各向异性,又难以形成大块单晶,无论是块材还是薄膜,都要制成特定取向的织构,导致材料制备难度增大、成本过高,难以适应产业化应用需求。因此探讨一种廉价的化学制备方法及其形成机理具有重要的理论意义和实用价值。本研究以含钇、含钡、含铜的金属无机盐为出发原料,探讨溶胶-凝胶法制备YBCO溶胶-凝胶、粉体,薄膜的可行性及材料的形成机理。研究结果表明:以Y、Ba、Cu的醋酸盐为起始原料所制备的溶胶,比采用Y,Ba,Cu的氯化盐,硝酸盐为起始原料所制备的溶胶具有更好的溶解特性和成膜特性。对于钇、钡、铜的醋酸盐,分别以二乙烯三胺、乳酸以及丙烯酸等作为络合剂,形成3种溶液,这三种溶液之间具有良好的相容性,将这3种溶液按照一定比例混合就会得到透明清亮、性能稳定的YBCO溶胶,将该溶胶在70℃下保温可使其凝胶化,进一步将该凝胶加热到500℃快速热分解,850℃氧气氛下烧结3小时后,再在500℃通氧气退火6小时,即可获得具有超导特性、粒径为0.5-1μm的超导粉体。采用通常的粉末冶金方法,即将该粉体冷压成块,高温烧结就可获得具有超导特性YBCO块体材料。上述溶胶在YBCO粉体制备方面展示了良好的性能,但在薄膜制备过程中由于易残留BaCO3,影响了薄膜的超导特性,已有的研究采用三氟乙酸盐法来避免这一现象,但由于三氟乙酸盐法在热处理过程中产生大量HF气体导致薄膜热处理周期过长,薄膜表面质量差,污染环境的等问题。针对这一问题,该研究开发了一种低氟的溶胶-凝胶法,即以醋酸钇、醋酸钡、醋酸铜为出发原料,在含钡溶液制备过程中添加适量的三氟醋酸,能有效抑制BaCO3的形成。和三氟乙酸盐法比较,该方法大幅减小了溶液中的氟含量,从而大幅缩短了薄膜的热处理时间,特别是该方法获得YBCO薄膜的表面质量大幅提高,其表面粗糙度达到2nm,临界转变温度Tc达到90K,临界电流密度达到106A/cm2,这些指标都达到了较高的水平。通过薄膜形成机理的研究,发现该方法制备的YBCO薄膜经历了有机物热分解、中间相形成,四方相YBCO的形核与长大和正交YBCO形成等4个阶段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 YBCO超导材料的特性和结构
• 1.1.1 YBCO的微观结构及超导电机理
• 1.1.2 影响YBCO超导电性的几个因素
• 1.2 YBCO超导薄膜的制备技术
• 1.3 Sol-Gel法YBCO材料的研究背景
• 1.3.1 YBCO粉体研究
• 1.3.2 YBCO膜的研究
• 1.4 Sol-Gel法YBCO薄膜制备工艺的研究历史与现状
• 1.5 本课题的研究内容与目标
• 2 实验方法、工具
• 2.1 引言
• 2.2 溶胶-凝胶法制备YBCO薄膜的基本过程
• 2.3 YBCO薄膜制备工具
• 2.4 材料分析与表征设备
• 3 YBCO溶胶的制备工艺探索
• 3.1 引言
• 3.2 溶胶制备所需化学试剂
• 3.3 Y、Ba、Cu盐溶液的制备工艺探讨
• 3.4 YBCO溶胶的制备
• 3.5 小结
• 4 YBCO超导细粉研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 溶胶的制备
• 4.2.2 溶胶的凝胶化
• 4.2.3 凝胶的热分解
• 4.2.4 粉体及块体的煅烧工艺
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 XRD及红外谱分析
• 4.3.2 SEM分析
• 4.3.3 TEM分析
• 4.3.4 粉体及块体的超导特性
• 4.4 小结
• 5 Sol-Gel法YBCO薄膜制备工艺探索
• 5.1 引言
• 5.2 无氟Sol-Gel法
• 5.2.1 无氟溶胶的制备
• 5.2.2 薄膜的热处理
• 5.2.3 薄膜性能分析
• 5.3 全氟Sol-Gel法（All-TFA法）
• 5.3.1 全氟溶胶的制备
• 5.3.2 薄膜的热处理
• 5.4 改进的溶胶凝胶法
• 5.4.1 Advanced-TFA溶胶的制备
• 5.4.2 薄膜的热处理
• 5.5 小结
• 6 低氟Sol-Gel法YBCO薄膜的制备
• 6.1 引言
• 6.2 实验方法
• 6.2.1 Low-Fluorine溶胶的制备
• 6.2.2 薄膜的热处理
• 6.3 实验结果与讨论
• 6.3.1 薄膜的表面质量
• 6.3.2 溶胶成分的优化
• 6.3.3 热处理工艺参数的优化
• 6.3.4 YBCO薄膜组织结构分析
• 6.3.5 YBCO厚膜的研究
• 6.4 小结
• 7 低氟Sol-Gel法制备YBCO薄膜的生长机理探讨
• 7.1 引言
• 7.2 不同阶段的化学反应
• 7.2.1 热分解阶段的化学反应（400-500℃）
• 7.2.2 高温煅烧阶段的化学反应（400-800℃）
• 7.2.3 氧气退火阶段的化学反应（400-500℃）
• 7.3 小结
• 8 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读学位期间发表的论文
• 作者在攻读学位期间申请的专利