涂层导体用CeO_2帽子层的表面特征及其温度依赖性

涂层导体中,作为多层织构模板中的最上层,帽子层的表面形貌、晶粒尺寸、表面粗糙度、平整度、致密度等表面特征将直接影响其上YBa_2Cu_3O_(7-δ)超导层的形核、织构形成和外延生长,表面特征的优化成为近期涂层导体缓冲层研究的重点.采用磁控溅射方法在LaMnO_3/Epi-MgO/IBAD-MgO/Y_2O_3/Al_2O_3/Hastelloy C276上动态外延生长CeO_2薄膜作为涂层导体帽子层,主要研究了沉积温度对CeO_2薄膜表面特征的影响.利用x射线衍射仪、扫描电子显微镜、原子力显微镜以及拉曼光谱仪等对CeO_2薄膜的织构、微结构及表面形貌、表面粗糙度、平整度等表面特性进行细致表征.研究结果表明:CeO_2薄膜的表面特征对沉积温度依赖性强;在沉积温度800℃左右获得了最好的织构和表面,CeO_2薄膜具有最好的(00l)取向,面内半高宽为7.1°,晶粒尺寸接近YBa_2Cu_3O_(7-δ)最高形核密度对应的CeO_2最佳尺寸,薄膜表面连续平整均匀,光滑致密无裂纹,其均方根粗糙度约1.4nm;而且,在此CeO2缓冲层上用三氟乙酸—金属有机沉积方法(TFA-MOD)外延生长的YBa_2Cu_3O_(7-δ)超导层具有良好的织构及致密平整的表面.     

聚变堆磁体的堆叠型REBCO超导股线研制

第二代高温超导(REBCO)带材的载流能力高、临界磁场强,在磁约束聚变堆磁体领域拥有良好的应用前景。为实现REBCO超导股线在未来聚变堆磁体中的应用,介绍了采用2 mm宽超导带材的堆叠型股线结构,研究了堆叠型超导股线的制备工艺,并制备了多条超导股线样品。在液氮、自场条件下,测得20层堆叠型超导股线的平均临界电流约为948 A。通过研究堆叠型超导股线的电-力学性能,获得该股线临界电流下降至95%I_c时的弯曲半径、扭转节距及抗压强度分别为13.7 cm、100 cm和130 MPa。     

采用飞秒激光制备REBCO超导带材微桥结构的研究

采用飞秒激光器制备了基于第二代高温超导带材(REBCO)的微桥结构。激光共聚焦显微镜以及扫描电镜进行表征,结果表明微桥刻蚀区超导层被完全刻蚀,可以有效约束电流的通路。此外,开展了液氮温区自场条件下临界电流测试,临界电流成比例缩小,n值稍有减少。研究结果表明,采用飞秒激光器制备高质量高鲁棒性的微桥,可以极大的提高效率,为后续进一步在极端条件下测试具有较高载流能力的高温超导带材样品奠定基础。     

二次单畴化制备GdBCO超导块材的方法及其性能

高质量单畴REBa_2Cu_3O_(7-δ) (REBCO)超导块材具有广泛的应用前景,但制备过程中极易产生大量多畴样品,致使成功率明显下降、成本显著提高,并制约其进一步批量化和实用化的进程.受顶部籽晶熔渗生长(TSIG)方法的启发,本文提出了一种对生长失败的GdBCO超导块材重新单畴化织构生长的新方法,即将生长失败的样品进行预处理后作为固相源坯块,然后采用改进后的TSIG法进行二次单畴化织构生长,并成功地制备出了一系列二次单畴化的GdBCO超导样品,同时,对样品的超导性能及微观结构进行了研究.结果表明,所制备的二次单畴化GdBCO超导样品的磁悬浮力均大于30 N,样品的捕获磁通密度均在0.3 T以上,捕获磁通效率高达60%以上,该结果为进一步发展低成本、高效率制备REBCO超导体的新方法提供了科学依据和新思路.     

电化学法涂层导体CeO_2缓冲层外延生长研究

电化学沉积法制备高温超导YBa2Cu3O7-δ涂层导体缓冲层具有工艺简单、设备要求低、易于连续化批量制备等优点。采用电化学沉积法,在双轴织构的Ni-5at.%W(Ni-5W)金属基带上成功制备出了具有良好c轴取向的CeO2缓冲层薄膜。利用X射线衍射、极图、扫描电子显微镜和原子力显微镜等对上述氧化物薄膜的织构、表面形貌等进行表征。重点研究了薄膜厚度、退火温度、退火时间等工艺对薄膜外延生长及其表面形貌的影响,结果表明:电化学沉积方法制备的CeO2缓冲层具有很好的双轴织构、表面平整、均一,粗糙度低,表现出良好的缓冲层性质。结合金属有机化学溶液超导层的制备技术,本工作展示了一条全化学法制备第二代高温超导带材的技术路线,具有很好的应用前景。     

高T_c Y-Ba-Cu-O系超导涂层

用等离子喷涂方法得到了液氮温区超导涂层,其起始转变温度为101K,零电阻温度为86K;涂层主要相组成为YBa_2Cu_3O_(9-δ)单相化合物,与同样原料配比制备的烧结块体性能相近。涂层致密,连通性好,可以作为一种超导电气元件制作工艺。     

多源共蒸发制备高性能REBa2Cu3O7-x涂层导体的进展与展望

REBa2Cu3O7-x (RE：钇、钆等稀土元素,REBCO）高温超导体因其具备较高的不可逆场和上临界场等优越性能,一经发现就备受关注。但由于材料本身固有的陶瓷性及弱连接等属性,导致其实际应用起来难度较大。目前,人们已经发展了诸多制备工艺来克服这些困难,实现了REBCO超导体的实际应用。按照前驱膜沉积方法可将REBCO超导薄膜的制备分为物理法和化学法。本文综述了物理气相沉积（PVD-Physical Vapor Deposition）法中多源共蒸发法制备REBCO超导薄膜的技术起源及演变历程,并与金属有机沉积、金属有机化学气相沉积、脉冲激光沉积等不同方法生产的REBCO超导带材进行对比,突出多源共蒸发法制备的REBCO薄膜性能优异、在商业化生产效率上具有更大的优势。最后对多源共蒸发法制备REBCO超导薄膜进行总结及展望,解决多源共蒸发沉积制备REBCO薄膜的成相机理、提高薄膜的钉扎中心等问题对未来第二代高温超导带材的大规模应用具有重要意义。     

内/外部励磁方式下高温超导环的俘获场特性

高温超导磁体在闭环运行时,可以提供稳定磁场,但是由于高温超导带材无法实现无阻焊接,成为高温超导磁体闭环运行的技术瓶颈.本文利用第二代高温超导带材制备闭环超导环,采用内部励磁和外部励磁对超导环进行励磁,在液氮温度中(77 K)测量超导环的中心俘获磁场.结果表明超导环在内部励磁俘获的磁场值比外部励磁俘获的磁场值高;外部励磁中,超导环中插入铁芯柱能提高俘获场;内部励磁中,超导环在螺线管闭环运行俘获的磁场值比开环运行俘获的磁场值高.结果对于高温超导闭环磁体励磁和高温超导带材磁通动力学研究具有很重要参考价值.     

离子束溅射原位沉积制备YBa_2Cu_3O_(7-δ)超导薄膜

利用离子束溅射技术在ZrO_2衬底上原位制备出YBa_2Cu_3O_(7-δ)高温超导薄膜。薄膜的零电阻温度T_(co)=88K,临界电流密度J_c(77K)=5.2×10~5A/cm~2用X射线衍射和扫描电镜分析了薄膜特性。本文结果表明用离子束溅射法可原位沉积制备出高质量的超导薄膜。     

基于第二代高温超导带材的磁体研究进展与挑战

随着第二代高温超导(2G-HTS)带材技术的进步和性价比的提高,世界各地的科研机构纷纷展开了基于REBa_2Cu_3O_(7-δ)(RE123)带材的磁体研制。RE123带材具有极高的载流能力和在场性能,能产生低温超导(LTS)磁体不能达到的强磁场(24 T)。然而,RE123磁体依然面临着诸多挑战,如磁体的工艺技术、带材的机械性能及性价比等都还需要进一步的提升与优化。文章首先介绍了用于磁体绕制2G-HTS带材,包括其成材工艺、在场性能及应力应变影响等;其次讨论了超导磁体研制的重要技术问题,包括RE123线圈技术、磁体失超保护、屏蔽电流效应及交流损耗等;最后对国内外2G-HTS磁体的研究进展进行了总结,包括磁体的设计方案、技术特点和运行情况等。     

YBa_2Cu_3O_(7-δ)/BaHfO_3/YBa_2Cu_3O_(7-δ)复合多层涂层导体的织构外延及临界电流特性

通过脉冲激光沉积技术(PLD),在氧化物缓冲层合金基底上外延生长一系列具有相同厚度,不同BaHfO3插层数(N=0、1、2、3)的YBa_2Cu_3O_(7-δ)/BaHfO_3/YBa_2Cu_3O_(7-δ)复合多层膜.X光衍射分析表明:所有样品都是c轴取向,随着层数的增加,薄膜的面内和面外织构有一定的退化.拉曼光谱图也可以看出除了N=3的样品有微弱的a轴峰,其它样品都只有c轴峰.通过扫描电镜观察发现,BaHfO_3插层的引入没有对YBa_2Cu_3O_(7-δ)超导薄膜表面产生明显的影响,薄膜表面光滑无裂痕.通过原子力显微镜发现YBa_2Cu_3O_(7-δ)超导薄膜的粗糙度在引入单层BaHfO3插层时最大,之后随着插层数的增加而减小.感应法测试表明,BaHfO3插层数为N=1时,YBa_2Cu_3O_(7-δ)超导薄膜的临界电流密度Jc(77K,自场)达到2.86 MA/cm2.在场临界电流表明,引入较少BaHfO_3插层(N=1、2)表现相对好的磁场依赖关系.     

YBa_2Cu_3O_(7-δ)/BaHfO_3/YBa_2Cu_3O_(7-δ)复合多层涂层导体的织构外延及临界电流特性北大核心CSCD

通过脉冲激光沉积技术(PLD),在氧化物缓冲层合金基底上外延生长一系列具有相同厚度,不同BaHfO3插层数(N=0、1、2、3)的YBa_2Cu_3O_(7-δ)/BaHfO_3/YBa_2Cu_3O_(7-δ)复合多层膜.X光衍射分析表明:所有样品都是c轴取向,随着层数的增加,薄膜的面内和面外织构有一定的退化.拉曼光谱图也可以看出除了N=3的样品有微弱的a轴峰,其它样品都只有c轴峰.通过扫描电镜观察发现,BaHfO_3插层的引入没有对YBa_2Cu_3O_(7-δ)超导薄膜表面产生明显的影响,薄膜表面光滑无裂痕.通过原子力显微镜发现YBa_2Cu_3O_(7-δ)超导薄膜的粗糙度在引入单层BaHfO3插层时最大,之后随着插层数的增加而减小.感应法测试表明,BaHfO3插层数为N=1时,YBa_2Cu_3O_(7-δ)超导薄膜的临界电流密度Jc(77K,自场)达到2.86 MA/cm2.在场临界电流表明,引入较少BaHfO_3插层(N=1、2)表现相对好的磁场依赖关系.     

表面氧化外延法中温制备涂层导体NiO种子层

高温超导涂层导体是解决当今能源危机的重要复合材料之一,而经济、有效、节能的制备技术是涂层导体广泛应用的关键.本文采用表面氧化外延法在Ni-wt.5%W基带上普氩下中温氧化制备了立方织构的NiO种子层.通过对氧化温度和氧化时间两个主要因素分析,确定了NiO生长条件为普氩中790℃内保温20mins。与高温(空气中1000℃以上)制备相比,降低了氧化膜制备温度.薄膜厚度大约为650nm.最后在生成的NiO薄膜上化学溶液沉积了YBa2Cu3O7-δ/SmBiO_3复合层,所得样品超导转变温度为89 K,77 K自场下临界电流密度为1.46 MA/cm2(77K,零场).中温表面氧化外延法为涂层导体制备提供了一种实用可行路径.     

第二代高温超导带材焊接技术研究

第二代高温超导带材(REBCO)接头技术对拓展带材应用,推进市场化进程有着重要意义。本文阐述了非超导焊接技术和超导焊接技术的焊接原理。总结了焊料焊接法制备的接头电阻受到焊接压力、焊接长度和焊接方式等因素的影响。全面梳理了熔融扩散焊接法制备超导接头所用的吸氧方式和超导层生长焊接法制备超导接头所受到的影响因素。     

MOD法在双轴织构Ni-W合金基片上制备SrTiO3缓冲层

MOD(金属有机化合物沉积)方法被认为是制备第二代高温超导带材最有应用前景的方法之一。文中采用MOD方法在具有双轴织构的Ni基带上制备SrTiO3薄膜作为高温超导带材的缓冲层,并研究了种子层前驱溶液和退火工艺对SrTiO3薄膜的微观结构及表面形貌的影响。通过这种方法,在Ni-5at.%W基带上获得了具有良好择优取向和表面平整的SrTiO3薄膜。     

液氢温区YBCO超导带材的交流损耗研究

超导电缆具有载流能力强、损耗低等优势,是电力输送的良好选择。但是,超导电缆需工作于低温环境。液氢温度为20K,可为超导电缆提供低温条件,将超导电缆输电与液氢燃料输送相结合,可解决超导电缆在输电中的瓶颈问题。开展了液氢替代液氮后高温超导带材的传输交流损耗研究。针对美国超导公司提供的黄铜加强YBCO带材,采用H法有限元模型,仿真分析了液氢、液氮冷却时超导带材的传输交流损耗。结果表明采用液氢作为超导带材的冷却介质时,带材正常金属产生的涡流损耗和磁性基底产生的铁磁损耗对总损耗的影响程度较小。所得结果可为液氢温区超导电缆的设计和运行提供参考。     

高温超导带材临界电流角度依赖性测量分析

第二代高温超导带材与第一代相比,有着载流能力强、交流损耗低、无需贵金属等优点,在超导电力应用中有广阔前景。高温超导带材临界电流在外磁场的影响下会发生衰减,超导带材临界电流的角度依赖性是超导电力装备设计必不可少的参数。实验选取温度50～77 K、磁场0～3.5 T、磁场角度0～360°区间,分别测量了上海超导、苏州新材料等厂家生产的市面主流第二代高温超导带材的临界电流,分析了不同背景磁场大小及角度下超导带材的各向异性。结果表明,各厂家生产的超导带材具有明显的各向异性。     

侧向压力下高温超导带材性能研究

主要探究了REBCO涂层导体和BSCCO多芯带材在侧向压力下载流性能的变化情况。BSCCO在室温下力学性能强于77 K温度下,而REBCO带材力学性能77 K温度下强于室温下;REBCO带材在一定程度上性能恢复能力强于BSCCO。因为制备工艺的差异导致BSCCO带材n指数在侧向压力下,其n指数比REBCO相对稳定的下降。     

高温超导带材失超传播特性实验研究

采用测量多个电压节点顺序失超的方式,测量了在液氮浸泡和有包裹材料情况下不锈钢加强Bi-2223/Ag和YBCO涂层导体高温超导带材样品的失超传播速率。根据实验结果,Bi-2223/Ag高温超导带的失超传播速率约为2 cm/s,YBCO带材的失超传播速率约为0.4 cm/s,均远远低于低温超导材料的相应数值。对这一现象的原因进行了简要分析,并根据高温超导带材的这一特点,提出了在高温超导电力应用中需特别注意的问题。     

YBa_2Cu_3O(7-δ)/势垒层/YBa_2Cu_3O_(7-δ)三层结构的制备

本文采用射频磁控溅射法分别以 CeBa_2Cu_3O_(7-δ)和 MgO 为势垒层,原位制备出 YBa_2Cu_3.O_(7-δ)/CeBa_2Cu_3O_(7-δ)/YBa_2Cu_3O_(7-δ)和 YBa_2Cu_3O_(7-δ)/MgO/YBa_2Cu_3O_(7-δ)三层结构.文中给出了一些初步的实验结果,它们表明:在 YBa_2Cu_3O_(7-δ)薄膜与势垒层之间有较严重的互扩散.