顶部籽晶熔渗法单畴YBCO超导体的制备及其性能研究

论文摘要

顶部籽晶熔渗工艺（SIG）是在传统的渗透生长技术和籽晶生长技术的基础上产生的。熔渗工艺的最大优点，是能够方便的制备大尺寸和复杂形状的样品，且样品没有宏观变形和微观裂纹。在此工艺中，液相源(YBa2Cu3O7-δ+Ba3Cu5O8)提供的液相（3BaCuO2+2CuO）在包晶反应温度以上渗入到多孔的Y211样品中，然后在降温过程中与Y211反应生成Y123相，其反应方程式为：Y2BaCuO5+（3BaCuO2+2CuO）→2YBa2Cu3Ox。本文采用固态烧结法制备YBCO超导体先驱粉体，通过调整顶部籽晶熔渗工艺参数制备单畴YBCO超导体，同时对YBCO超导体的显微结构和超导特性作了详细研究。在先驱粉体的制备方面，采用两次研磨两次预烧结的制粉工艺。结果显示：1)预烧温度在890℃到920℃之间，可以得到XRD纯的Y211和Y123粉，其中Y211粒子的尺寸可控制在3μm以下。2)对不同预烧温度、预烧时间和预烧次数的粉体取样做XRD分析，结果表明：Y：Ba：Cu=0：1：1粉体在880℃-920℃之间预烧两次（每次24h），Y：Ba：Cu=0：3：5粉体在880℃-900℃之间预烧两次（每次24h）可获得XRD纯的011和035粉；同样的烧结温度和时间，Y：Ba：Cu=0：3：5的配比更利于011相的生成。在熔渗法YBCO超导体的制备工艺方面，主要研究了样品在包晶反应温度以上的保温温度Tp和保温时间、起始慢降温度及慢降温速率、初始Y211的成型压力及其与液相源的重量比、液相成份、掺杂元素等对顶部籽晶熔渗生长YBCO晶体的影响。实验结果显示，要生长出单畴形貌较好的样品：a、初始Y211、液相源和垫块的重量间应满足一定的关系，初始Y211和液相源总的化学组成应大致满足原子比Y：Ba：Cu=0．26：0．31：0．43。b、初始Y211样品的最佳成型压力大约在110MPa。c、热处理工艺，室温到最高温度的升温速率和慢降温结束到室温的降温速率要尽量大一些，但最高温到起始慢降温间的降温速率不能太大，以80℃／h左右为合适。调整工艺参数后，成功制备出了直径超过30mm的单畴YBCO超导体。采用环境扫描电镜和金相显微镜对样品的显微组织结构和元素比例成分进行分析。整个SIG样品的超导相显微组织比较均匀，Y123片层的厚度很薄且连接性很好，但Y211粒子在样品中的分布并不均匀，如相对于c-GS区域而言，a-GSs区域Y211粒子的浓度较大且平均尺寸较小，这种不均匀性随着Y211粒子的细化而增加。该工艺能有效抑制Y211粒子的长大，但有必要发展新的纳米尺寸的惰性粒子作为添加剂进一步改善样品的显微结构。在自行设计研发的三维磁场与磁力测试系统上，我们对YBCO超导块材的捕获磁通与磁悬浮力进行研究。样品最大捕获磁通随脉冲磁化强度的增大先增大后减小，当脉冲磁化强度增大增到一定程度时，样品的捕获磁通显示由单畴变为多畴。超导块与永磁体之间最大磁悬浮力随磁化速率的增加先增大后减小，而二者之间的最大吸引力随磁化速率的增加是减小的。这与超导体的磁通钉扎能力及作用在超导体上的磁通变化率密切相关。液相渗透的驱动力是毛细作用力或者化学势，重力所起的作用很小甚至可以忽略。液相渗入多孔Y211样品的速度是惊人的，不需要最高温下长时间保温。顶部籽晶熔渗法能很好的保持样品的初始形状，且能有效抑制Y211粒子的长大，因而在精细控制样品尺寸和制备具有复杂形状YBCO块材方面有重要应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高温超导材料简介
• 1.1.1 超导体的基本特征
• 1.1.2 几个基本的概念
• 1.1.3 氧化物高温超导材料的结构特征
• 1.1.4 其他HTS材料
• 1.1.5 各相异性
• 1.2 YBCO系列超导体制备工艺的发展概况
• 1.2.1 固态反应法
• 1.2.2 熔化生长工艺
• 1.2.3 熔渗工艺
• 1.3 熔渗法YBCO系列超导体的研究概况
• 1.3.1 YBCO系列高温超导体研究进展
• 1.3.2 熔渗法YBCO系列超导体的研究概况
• 1.4 研究内容和研究目标
• 第二章 YBCO超导体先驱粉体的制备
• 2.1 Y211和Y123初始粉体的制备
• 2.1.1 实验
• 2.1.2 结果与讨论
• 2.2 初始粉体035的制备
• 2.2.1 实验
• 2.2.2 结果和讨论
• 2.3 小结
• 第三章 熔渗法YBCO超导体的制备及其宏观形貌
• 3.1 YBCO超导晶体生长动力学原理
• 3.2 熔渗法YBCO超导块材的制备
• 3.3 工艺参数对SIG工艺YBCO晶体生长的影响
• p和起始慢冷温度'>3.3.1 最高熔化温度T_p和起始慢冷温度
• 3.3.2 慢降温速率
• 3.3.3 Y211的初始成型压力及其与液相源的重量比
• 3.3.4 初始Y211的粒度、液相成份及掺杂元素的影响
• 3.4 小结
• 第四章 熔渗法YBCO超导体的显微结构分析
• 4.1 SIG工艺单畴YBCO超导体的显微结构分析
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.2.1 Y211的粒度对样品宏观形貌的影响
• 4.2.2 生长区域
• 4.2.3 Y211粒子浓度的不均匀性
• 4.2.4 渗氧裂纹的产生
• 4.3 单畴YBCO块材原子比例的分析
• 4.4 小结
• 第五章 熔渗法YBCO超导体的物理性能
• C'>5.1 临界温度T_C
• 5.2 捕获磁通和磁悬浮力
• 5.2.1 高温超导体磁悬浮原理
• 5.2.2 测试装置及原理
• 5.3 工艺参数对样品捕获磁通性能的影响
• 5.3.1 脉冲磁化强度对样品最大捕获磁通的影响
• 5.3.2 Y211的初始成型压力及其与液相源的重量比的影响
• 5.3.3 初始Y211的粒度对样品最大捕获磁通的影响
• 5.4 样品的磁悬浮力性能
• 5.5 小结
• 第六章 熔渗法制备YBCO超导体的动力学研究
• 6.1 渗透驱动力研究
• 6.2 慢降温速率与显微组织的关系
• 6.3 复杂形状YBCO的制备
• 6.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果