稀土鋇銅氧薄膜作籽晶同質外延生長超導塊體材料的方法
2023-07-24 16:51:06 1
專利名稱：稀土鋇銅氧薄膜作籽晶同質外延生長超導塊體材料的方法
技術領域：
本發明涉及一種熔融織構超導塊體材料的製備方法，特別涉及一種REBCO(稀土鋇銅氧)薄膜作籽晶同質外延生長超導塊體材料的方法。
背景技術：
熔融織構法(MTG)被普遍認為是一種極具潛力的REBCO高溫超導塊體材料製備方法。這些塊體材料有許多潛在的應用，如可用於磁懸浮力、磁性軸承、飛輪儲能和永磁體等方面。而在應用層面對塊材的要求一般為具有較大的尺寸和較高的臨界電流密度(Jc)。因此，在製備高溫超導塊體材料時要求達到大的單疇結構及很好的取向控制。為了達到以上兩個目的，可以在熔融織構中引入籽晶。為了很好控制生長取向，要求籽晶本身有較高的品質；為了得到單疇結構，需要大尺寸的籽晶來進行單疇生長。另外，籽晶還應滿足其它一些基本條件與所要生長的晶體有相同或相似的晶格結構和晶格常數，對所生長的晶體的汙染較小，熔點高於熔融織構過程中的最高溫度(在織構過程中不會融化)。就已有報導使用的籽晶來說，尚無完全滿足所有要求的。其中大尺寸籽晶是一個重要的限制因素。一些研究小組使用了多個小籽晶同時擺放的方法來提高生長速度並獲得近似的單疇結構，但這種方法大大增加了工藝的複雜程度，同時降低了成功率。
另外，熔融織構的工藝過程對單疇生長的影響也較大。通常按照籽晶放置的時間不同，可分為冷籽晶法和熱籽晶法。冷籽晶法指在室溫下就預先將籽晶放置到位，操作簡單易行，但籽晶有可能會在隨後的加熱過程中融化而無法起到籽晶的作用，故不能採用過高的溫度，這樣生長的樣品質量有待進一步提高。熱籽晶法指在高溫下將籽晶放入，容易獲得單晶生長，但是操作比較困難，很難保證籽晶位置和生長面正確放置，不適合於大規模生產。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種稀土鋇銅氧薄膜作籽晶同質外延生長超導塊體材料的方法，工藝簡單，可製備無汙染、取向性好和大單疇結構的高溫超導塊體材料。
為實現這樣的目的，本發明的技術方案中，使用一種具有高熱穩定性的、高結晶性的REBCO種膜，通過冷籽晶法同質外延生長高溫超導塊體材料。採用沉積在單晶基板上的REBCO薄膜作種膜，該薄膜材料在單晶氧化鎂基板上的熔化溫度比同種REBCO材料的粉末或塊材高10K以上且能夠保持長時間不熔化。按照REBCO和適量添加RE211來進行組分配料，研磨煅燒多次後，壓製成前驅體片並在其頂部放上相應的REBCO薄膜作籽晶，通過包晶反應RE211+L→REBCO獲得REBCO塊體材料。
本發明的方法具體步驟如下1、按照REBCO+20％～35％摩爾百分比的RE211組分比計算各元素所佔的比例。
2、通過計算所得的各元素摩爾百分比計算各元素對應原料的取用質量。
3、按照計算出的質量稱量原料粉末，混合後進行研磨，至粉末充分均勻混合後放入高溫爐中，900℃左右保溫48小時以上進行煅燒，取出後再次研磨、煅燒，共重複3遍。
4、將煅燒後研磨好的粉末壓製成前驅體片，頂部放上相應的REBCO薄膜作籽晶。
5、將前驅體片放在MgO基板上，整個體系放入密封系統中。
6、2小時升溫至REBCO的包晶熔化溫度以下20-50℃，保溫1小時；繼續加熱，2小時升溫至包晶溫度以上20±15℃，保溫1.5個小時。
7、在15分鐘內將溫度降低至包晶熔化溫度，然後以每小時0.5℃的速率降溫20小時，最後淬火製得超導塊體材料。
本發明所述的REBCO種膜材料可以為沉積在單晶氧化鎂基板上的REBCO薄膜。
本發明採用具有高熱穩定性能的REBCO薄膜作為種膜，同質外延熔融織構生長REBCO超導塊材。其優點是(1)由於REBCO薄膜的製備工藝已較成熟，容易獲得具有雙軸取向的高品質薄膜，解決了大面積規則形狀籽晶難以獲得的問題，同時由於籽晶品質高，易於實現單疇生長和生長取向控制；(2)由於採用同質外延，籽晶和塊材的組分、晶格結構和晶格常數完全相同，沒有汙染的問題，同時也避免了晶格不匹配和異質籽晶引入的不必要元素摻雜。(3)本發明的普適性較強，易於推廣到所有的REBCO系統，因為每種系統都有其對應的高熱穩定性同質薄膜可作籽晶。特別適用於輕稀土鋇銅氧系統(如NdBCO)，因為其包晶反應溫度較高，在冷籽晶法製備塊材時，很難找到其他合適的籽晶。
本發明工藝簡單，容易操作，能夠在無雜質且晶格完全匹配的情況下生長取向性好並具有大單疇結構的高溫超導REBCO塊體材料，其主要創新點在於使用高熱穩定性種膜來實現同質外延生長，從而實現了以目前最簡單的工藝流程生長具有較高質量的超導塊材，在簡化工藝，降低成本和提高產品質量等方面達到綜合性提高，解決了高Tp超導體塊材生長的關鍵問題。
具體實施例方式
實施例1YBCO/MgO薄膜作籽晶生長YBCO超導塊材1、按照Y123+35mol％Y211的組分，計算得到各元素所佔的摩爾比為Y∶Ba∶Cu＝1.7∶2.35∶3.35；2、以分析純的Y2O3、BaCO3及CuO為原料粉末，計算出總量為60g的前驅粉末應當取用20.67g Y2O3粉末、24.97g BaCO3粉末及14.35g CuO粉末。
3、將初始粉末混合後在瑪瑙研缽中研磨，至粉末充分均勻混合後放入高溫爐中900℃左右保溫48小時以上進行煅燒，為使Y211的顆粒較小且分布均勻，再次研磨、煅燒，以相同工藝共重複三次；4、將煅燒後研磨好的粉末壓製成16×8 mm圓形前驅體片，頂部加入尺寸為2×2mm的Y123/MgO薄膜作籽晶；5、將步驟3中壓好的前驅體片放在MgO基板上，整個體系放入高溫爐中；
6、2小時升溫至960℃，保溫1小時後繼續加熱，2小時升溫至1045℃，保溫1.5個小時；7、在15分鐘內將溫度降低至1010℃，然後以每小時0.5℃的速率降溫20小時，最後淬火製得超導Y123塊體材料。
實施例2NdBCO/MgO薄膜作籽晶生長NdBCO超導塊材1、按照Nd123+15mol％Nd422的組分，計算得到各元素所佔的摩爾比為Nd∶Ba∶Cu＝1.6∶2.3∶3.3；2、以分析純的Nd2O3、BaCO3及CuO為原料粉末，計算出總量為60g的前驅粉末應當取用25.74g Y2O3粉末、21.70g BaCO3粉末及12.55g CuO粉末。
3、將初始粉末混合後在瑪瑙研缽中研磨，至粉末充分均勻混合後放入高溫爐中900℃左右保溫48小時以上進行煅燒，為使Nd422的顆粒較小且分布均勻，再次研磨、煅燒，以相同工藝共重複三次；4、將煅燒後研磨好的粉末壓製成16×8 mm圓形前驅體片，頂部加入尺寸為2×2mm的NdBCO/MgO薄膜作籽晶；5、將步驟3中壓好的前驅體片放在MgO基板上，整個體系放入高溫爐中；6、2小時升溫至1060℃，保溫1小時；繼續加熱，2小時升溫至1100℃，保溫1.5個小時；7、在15分鐘內將溫度降低至1090℃，然後以每小時0.5℃的速率降溫20小時，最後淬火製得超導NdBCO塊體材料。
權利要求
1.一種稀土鋇銅氧薄膜作籽晶同質外延生長超導塊體材料的方法，其特徵在於包括如下具體步驟1)按照REBCO+20％～35％摩爾百分比的RE211組分比計算各元素所佔的比例；2)通過計算所得的各元素摩爾百分比計算各元素對應原料的取用質量；3)按照計算出的質量稱量原料粉末，混合後進行研磨，至粉末充分均勻混合後放入高溫爐中，900℃左右保溫48小時以上進行煅燒，取出後再次研磨、煅燒，共重複3遍；4)將煅燒後研磨好的粉末壓製成前驅體片，頂部放上相應的REBCO薄膜作籽晶；5)將前驅體片放在MgO基板上，整個體系放入高溫密封系統中；6)2小時升溫至REBCO的包晶熔化溫度以下20-50℃，保溫1小時；繼續加熱，2小時升溫至包晶溫度以上20±15℃，保溫1.5個小時；7)在15分鐘內將溫度降低至包晶熔化溫度，然後以每小時0.5℃的速率降溫20小時，最後淬火製得超導塊體材料。
全文摘要
本發明涉及一種稀土鋇銅氧薄膜作籽晶同質外延生長超導塊體材料的方法，通過冷籽晶法生長高溫超導REBCO，採用沉積在單晶基板上的REBCO薄膜作種膜，該薄膜材料在單晶氧化鎂基板上的熔化溫度比同種REBCO材料的粉末或塊材高10K以上且能夠保持長時間不熔化。按照REBCO和適量添加RE211來進行組分配料，研磨煅燒多次後，壓製成前驅體片並在其頂部放上相應的REBCO薄膜作籽晶，通過熔融織構獲得REBCO塊體材料。本發明工藝簡單，能夠在無雜質且晶格完全匹配的情況下生長取向性好並具有大單疇結構的高溫超導REBCO塊體材料。
文檔編號C04B35/50GK1970848SQ200610117888
公開日2007年5月30日 申請日期2006年11月2日 優先權日2006年11月2日
發明者姚忻, 湯晨毅, 孫立傑 申請人:上海交通大學