45°稀土鋇銅氧薄膜籽晶高速生長超導塊材的方法
2023-11-06 14:11:27 1
專利名稱：45°稀土鋇銅氧薄膜籽晶高速生長超導塊材的方法
技術領域：
本發明涉及一種45。稀土鋇銅氧薄膜籽晶高速生長超導塊材的方法，具體涉 及一種採用熔融織構法，以面內取向為45。四對稱結構的REBCO (稀土鋇銅氧) 薄膜作為籽晶，同質高速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。製得的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。在應用層面對塊材的要求一般為具有較大的 尺寸，較高的臨界電流密度(Je)，因此，在製備高溫超導塊體材料時要求達到大 的單疇結構及良好的取向控制。為了達到以上兩個目的，需要在熔融織構中引入 籽晶來控制生長的取向和單疇生長，因此，籽晶在熔融織構的工藝過程中是相當 重要的，不僅要求籽晶本身有較高的品質，而且為了得到大單疇結構，更需要使 用大尺寸的籽晶。 一個合適的籽晶需要滿足一些基本條件首先就是要有與所要 生長的晶體有相同或相似的晶格結構和晶格常數；其次，籽晶不能和熔體發生化 學反應，或者對所生長的晶體造成太大的汙染；最後，籽晶的熔點有特殊的要求， 一般塊材製備是在室溫下就預先將籽晶放置到位，操作簡單易行。但同時籽晶的 熔點就必須大於熔融織構過程中的最高溫度，以保證在生長過程中出現籽晶熔化 的情況。因此在生長時一般採用異質材料作為籽晶，這種異質籽晶對於生長塊材 的結構和性能也還是會有影響。通常就已有報導使用的籽晶來說，尚無完全滿足 所有要求的。另外，要實現大單疇塊材的製備，首先還需要獲得儘量大尺寸的籽 晶，以保證外延生長出的單疇的有效體積；其次，由於一般常用的籽晶都是誘導 外延生長沿晶格結構的主軸方向(， 方向)進行，塊材的外延生長速 度相對緩慢，要獲得大的體積將需要很長的時間，對於製備來說較為不利。 一些 研究小組使用了多個小籽晶同時擺放的方法以及改變生長過程來提高相應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，降低了成功率。
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45。稀土鋇銅氧薄膜籽晶 高速生長超導塊材的方法，工藝簡單易實現，可以製備出無汙染、取向性好的大 單疇高溫超導塊體材料，同時提高塊體材料的生長速度，縮短生長時間，提高效 率。
為實現這樣的目的，本發明的技術方案中，使用的是一種面內取向為45°四 對稱結構的REBCO種膜。利用這類薄膜具有的高熱穩定性和高結晶性，使用冷 籽晶法來同質外延生長高溫超導塊體材料。沉積在單晶基板上的REBCO種膜， 由於其面內取向為45°的四對稱結構，因此可以誘導控制塊材的外延生長沿晶體 晶格結構的〈110〉方向進行，而一般常用的籽晶是控制塊材沿晶格結構的主軸方 向(〈010>和方向)外延生長。相比起來，沿〈110〉方向生長會比沿主軸方 向生長有更快的生長速度，因此可以提高生長效率。此外，這類薄膜在單晶氧化 鎂基板上的熔化溫度比同種REBCO材料的粉末或塊材高20K以上。因此可以用 於同質外延，可以說是一種相當理想的籽晶材料。
要實現這類薄膜籽晶的外延生長，首先要按照適當比例將RE123和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^REBC0獲得REBC0塊體材 料。
本發明的方法具體步驟如下
1、 按照虹8(:0+ (20 35) mol%RE211組分配料。
2、 研磨，90(TC士5。C保溫48小時以上進行煅燒，該研磨、煅燒過程共重 復3遍。
3、 將煅燒後研磨好的粉末壓製成前驅體片，頂部放上相應的面內取向為45° 四對稱結構的REBCO同質薄膜作籽晶。
4、 將前驅體片放在MgO單晶襯底上，整個體系放入密封系統中。
5、 2小時升溫至REBCO的包晶熔化溫度以下20-5(TC，保溫1小時；繼續 加熱，2小時升溫至包晶溫度以上30±5 °C ，保溫1.5小時。6、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'C的速率降 溫20—40小時，最後淬火製得稀土鋇銅氧高溫超導塊體材料。
本發明所述的面內取向為45°的四對稱結構的11￡8(:0同質薄膜材料可以為 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， 容易獲得具有所需面內取向的高品質薄膜，解決了大面積規則形狀籽晶難以獲得 的問題;(2)籽晶的高熱穩定性實現了同質外延生長，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)45。的面內取向可以誘導塊材的外延生長沿REBCO 晶體晶格結構的方向進行生長，沿這個方向的外延生長速度比起一般使用 的0°面內取向的籽晶來說能獲得更快的生長速度。可以實現塊材的高速生長， 提高效率。
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，可以解決高溫超導體 塊材生長的關鍵問題。
具體實施例方式
以下通過具體的實施例對本發明的技術方案作進一步描述。以下實施例不 構成對本發明的限定。
實施例1:
用面內取向為45。四對稱結構的YBCO/MgO薄膜作籽晶生長YBCO超導
塊材
1、 按照Y123+35mol%Y211組分配料；
2、 研磨，90(TC左右保溫48小時以上進行煅燒，為達到Y211的顆粒較小 及分布均勻，再次研磨、煅燒，相同工藝共重複三次；
3、 將煅燒後研磨好的粉末壓製成cp20xl0 mm圓形前驅體片，頂部放置一 個尺寸為2mm寬度的長條形面內取向為45°四對稱Y123/MgO薄膜作籽晶；
4、 將前驅體片放在MgO單晶襯底上，整個體系放入密封系統中；5、 2小時升溫至960°C，保溫1小時；繼續加熱，2小時升溫至1045°C， 保溫1.5個小時；
6、 在15分鐘內將溫度降低至1010°C，然後以每小時0.5'C的速率降溫20 小時，最後淬火製得超導Y123塊體材料。
實施例2: SmBCO/MgO薄膜作籽晶生長SmBCO超導塊材 1 、按照Sml23+30mol%Sm211組分配料；
2、 研磨，90(TC左右保溫48小時以上進行煅燒，再次研磨、煅燒，相同工 藝共重複三次；
3、 將煅燒後研磨好的粉末壓製成cp20xl0 mm圓形前驅體片，頂部放置一 個尺寸為2mm寬度的長條形面內取向為45°四對稱Sml23薄膜作為籽晶；
4、 將前驅體片放在MgO單晶襯底上，整個體系放入密封系統中；
5、 2小時升溫至98(TC，保溫1小時；繼續加熱，2小時升溫至1080°C， 保溫1.5個小時；
6、 在15分鐘內將溫度降低至1065°C，然後以每小時0.5'C的速率降溫20 小時，最後淬火製得超導SmBCO塊體材料。
權利要求
1、一種45°稀土鋇銅氧薄膜籽晶高速生長超導塊材的方法，其特徵在於包括如下步驟1)按照REBCO+(20～35)mol％RE211組分配料；2)研磨，在900℃±5℃下煅燒48小時；該研磨、煅燒過程共重複3遍；3)將煅燒後研磨好的粉末壓製成前驅體片，頂部放上面內取向為45°四對稱結構的REBCO同質薄膜作籽晶；4)將前驅體片放在MgO單晶襯底上，整個體系放入密封系統中；5)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30±5℃，保溫1.5小時；6)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20-40小時，最後淬火製得稀土鋇銅氧高溫超導塊體材料。
2、 根據權利要求1的稀土鋇銅氧高溫超導塊體材料的製備方法，其特徵在 於所述的面內取向為45°四對稱結構的REBCO同質薄膜是沉積在單晶氧化鎂基 板上的REBCO薄膜。
全文摘要
本發明涉及一種45°稀土鋇銅氧薄膜籽晶高速生長超導塊材的方法，採用面內取向為45°四對稱結構的稀土鋇銅氧(REBCO)薄膜作籽晶，通過冷籽晶法同質外延生長高溫超導REBCO塊體材料。該種膜材料在單晶氧化鎂基板上過熱度可達到20K以上，其獨特的面內取向則可以顯著提高塊材的生長速度。按照REBCO和適量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長條形REBCO薄膜作籽晶，通過熔融織構方法製備REBCO塊體材料。本發明工藝簡單，提高了塊材的生產效率，能夠在無雜質且晶格完全匹配的情況下高速生長出高取向性的具有大單疇結構的高溫超導REBCO塊體材料。
文檔編號C30B19/00GK101319379SQ20081003741
公開日2008年12月10日 申請日期2008年5月15日 優先權日2008年5月15日
發明者忻 姚, 孫立傑, 許雪芹 申請人:上海交通大學