单畴GdBCO超导块材制备方法的改进及超导特性研究

通过改变液相源成分和先驱块的装配方式对顶部籽晶熔渗生长方法(TSIG)进行改进,并用新方法成功制备了单畴Gd-Ba-Cu-O(GdBCO)超导块材.对样品形貌和微观结构的研究发现,应用新方法制备的样品呈现出良好的织构度,其内俘获的Gd₂BaCuO₅(Gd-211)内含物分布均匀且粒度较小.超导性能的测试表明,样品具有较高的超导转变温度和自场临界电流密度,表现出较大的磁悬浮力.此外,应用新方法可以简化实验步骤,缩短制备周期,提高实验的稳定性,从而降低了实验难度,为大尺寸单畴块材的批量化制备打下了基础. 关键词： GdBCO 熔渗生长 液相源 装配方式     

一种实时测量大尺寸REBCO超导块材三维空间磁场及温度分布的装置北大核心CSCD

由于单畴RE-Ba-Cu-O(简称REBCO,其中RE为稀土元素:Nd,Y,Gd,Sm)超导块材具有较高的捕获磁场和较大磁悬浮力等优良的特点,使得其在超导磁悬浮,超导磁体,储能飞轮等高新技术领域有着广泛的应用前景.然而,REBCO超导块材捕获磁场的高低,不仅与其自身特性有关,还与其磁化的方式有关,即与样品在不同条件下的磁化机制密切相关.为了更好的研究高温超导体在不同条件下的磁化机制和磁化规律,进一步提高REBCO超导块材的捕获磁场强度,我们自主设计并制作了一种可实时测量大尺寸REBCO超导块材三维空间磁场及样品表面温度分布的装置.在液氮温度(77K)下,通过对磁化过程中圆柱状单畴GdBCO超导块材表面中心由内到外不同位置处磁场的测量,获得了样品的三维磁场强度随外加磁场实时变化的动态曲线图,揭示了随外加磁场的变化,GdBCO超导块材体内磁场由外向内逐渐扩散和运动、由内向外逐渐扩散和逃逸的机制,同时,对样品中存在的磁通蠕动规律进行了分析.此外,本装置还可用于对其它设备(如电机等)的动态磁场和温度进行实时测量.     

一种实时测量大尺寸REBCO超导块材三维空间磁场及温度分布的装置

由于单畴RE-Ba-Cu-O(简称REBCO,其中RE为稀土元素:Nd,Y,Gd,Sm)超导块材具有较高的捕获磁场和较大磁悬浮力等优良的特点,使得其在超导磁悬浮,超导磁体,储能飞轮等高新技术领域有着广泛的应用前景.然而,REBCO超导块材捕获磁场的高低,不仅与其自身特性有关,还与其磁化的方式有关,即与样品在不同条件下的磁化机制密切相关.为了更好的研究高温超导体在不同条件下的磁化机制和磁化规律,进一步提高REBCO超导块材的捕获磁场强度,我们自主设计并制作了一种可实时测量大尺寸REBCO超导块材三维空间磁场及样品表面温度分布的装置.在液氮温度(77K)下,通过对磁化过程中圆柱状单畴GdBCO超导块材表面中心由内到外不同位置处磁场的测量,获得了样品的三维磁场强度随外加磁场实时变化的动态曲线图,揭示了随外加磁场的变化,GdBCO超导块材体内磁场由外向内逐渐扩散和运动、由内向外逐渐扩散和逃逸的机制,同时,对样品中存在的磁通蠕动规律进行了分析.此外,本装置还可用于对其它设备(如电机等)的动态磁场和温度进行实时测量.     

BaCuO_(2-δ)添加对单畴GdBCO超导块材性能的影响

本文采用顶部籽晶熔融织构法,研究了BaCuO2-δ添加对单畴GdBCO超导块材性能的影响.实验结果表明,当制备GdBCO超导块材所用粉体的摩尔比为Gd123:Gd211:Gd011=1:0.4:x(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4)时,均可制备出单畴GdBCO超导块材.对该系列超导块材磁悬浮力测试的结果表明,BaCuO2-δ的含量对GdBCO超导体的磁悬浮力有明显影响,当BaCuO2-δ的含量x=0.2mol%时样品的磁悬浮力最大,并结合其显微组织分析了BaC-uO2-δ对单畴GdBaCuO磁悬浮力影响的原因.     

CeO_2掺杂对单畴GdBCO超导块材性能的影响

本文采用顶部籽晶熔融织构方法(TSMTG),分别制备出了直径为17mm的掺杂和未掺杂CeO2的单畴GdBCO超导块材,其中样品中CeO2的掺杂量为1wt%,并且研究了CeO2的掺杂对样品形貌、微观结构、磁悬浮力、以及捕获磁通的影响.研究表明了CeO2的掺杂影响超导块材的生长速率,在微观形貌上,CeO2的掺杂使样品中Gd2BaCuO5(Gd211)粒子的分布更加均匀且粒度明显变小,其平均粒径约从原来未掺杂的5.49μm减小到1.32μm,并且块材中的气孔也明显减小,从而使样品的磁悬浮力从23.06N增加到31.42N,捕获磁通从0.288T增加到0.354T.这对进一步提高超导块材的性能具有重要的指导意义     

用一种新的装配方式制备单畴GdBCO超导块材

在顶部籽晶熔渗生长工艺(TSIG)的基础上,采用一种新的装配方式制备单畴Gd-Ba-Cu-O(GdBCO)超导块材,并对所得样品的形貌、微观结构以及超导性能进行了研究.结果表明,应用新的装配方式可以提高液相源块的支撑能力,有效避免样品在热处理过程中的倾斜或坍塌现象,从而提高了样品制备过程的稳定性和可重复性.此外,应用新的装配方式还有助于GdBCO样品的完整生长. 关键词： 熔渗生长 新的装配方式 GdBCO     

ZrO_2掺杂对于Gd+011 TSIG法制备单畴GdBCO超导块材的影响

ZrO_2掺杂能够在GdBCO超导块材中生成细小的纳米Gd_2Ba_4ZrCuO_y粒子,从而提高样品的磁通钉扎力.本文采用新的顶部籽晶熔渗生长法(Gd+011TSIG)制备出了系列组份为(1-x)(Gd2O3+1.2BaCuO2)+xZrO_2的单畴GdBCO超导块材,x=0、0.02、0.04、0.05、0.06、0.08、0.1、0.15、0.2、0.3wt.%,并研究了ZrO_2掺杂量对样品的表面形貌、磁悬浮力、捕获磁通密度以及微观结构的影响.结果表明,样品的表面形貌与ZrO_2的掺杂量密切相关,当x0.1wt.%时样品表面光滑且具有明显的单畴特征;当0.1wt.%≤x0.2wt.%时,样品仍具有明显的单畴特征,只是单畴样品的表面出现凸起的规则台阶状的条纹;当x≥0.2wt.%时,虽然样品仍具有明显的单畴特征,但样品的表面不仅出现了台阶状的条纹,而且样品已无法保持其原有的圆柱体形貌,并向柱体外侧突出成四个扇瓣状.样品的磁悬浮力和捕获磁通密度随着x增大呈先增大后减小趋势,当x=0.05 wt.%时磁悬浮力最大为36.57N(77K,0.5T),捕获磁通密度最大为0.32T(77K,永磁体充磁).这些结果对进一步提高GdBCO超导块材的质量具有一定的指导意义.     

Gd2Ba4CuWOx掺杂对单畴GdBCO超导块材性能的影响

本文采用顶部籽晶熔融织构方法(TSMTG)制备出了具有不同纳米Gd2Ba4CuWOx(GdW2411)掺杂量的系列单畴GdBCO超导块材,并研究了GdW2411的掺杂量对其微观形貌以及磁悬浮力大小的影响.研究结果表明,通过添加GdW2411粒子,可以成功的在单畴GdBCO超导块材中引入纳米GdW2411磁通钉扎中心,其粒径约在50～200nm之间;随着GdW2411掺杂比例的增加,纳米粒子的密度逐渐变大,粒度也有所变大;GdBCO超导块材磁悬浮力的大小与GdW2411掺杂量密切相关,只有当GdW2411的掺杂比例达到最佳值时,样品的磁悬浮力才达到最大.这些结果对进一步提高GdBCO超导块材性能具有重要的指导意义.     

Gd_2Ba_4CuNbO_y的掺杂量及粒度对单畴GdBCO超导块材磁悬浮力的影响

本文采用顶部籽晶熔融织构法(TSMTG)研究了Gd2Ba4CuNbOy(GdNb2411)的掺杂量及其初始粉体粒度对单畴GdBCO超导块材磁悬浮力的影响.制备单畴GdBCO超导块材的初始成份为GdBa2Cu3O7-δ:Gd2BaCuO5:GdNb2411=1:(0.4-x):x,x=0、0.02、0.06、0.1、0.14;GdNb2411粒子的初始粒度(d)范围分别在0≤d≤40m、40d≤61m、61d≤120m、120d≤180m.结果表明:(1)GdBCO超导块材的生长形貌与其掺杂量x密切相关,当x≤0.06时,样品具有单畴形貌,且表面光滑平整;当x0.06mol时,样品仍具有单畴形貌,但其表面出现皱褶现象;(2)随着x的增加,样品的磁悬浮力先增大后减小,当x=0.06mol时达到最大25N.(3)掺入样品的GdNb2411粉体粒度越小,最终在样品中生成的GdNb2411粒子的粒径也越小.(4)当固定x=0.06时发现,随着掺杂GdNb2411粉体粒度的减小,单畴GdBCO超导块材的磁悬浮力逐渐增大,当粒度d≤40mm时,样品中的GdNb2411粒度约在100nm～250nm之间,相应样品的磁悬浮力最大,约25N.这些结果对进一步提高GdBCO超导块材的质量具有一定的指导意义.     

BaO掺杂对单畴GdBCO超导块材性能的影响

采用改进后的顶部籽晶熔渗生长(M-TSIG)工艺,通过在固相先驱粉体中掺杂不同含量的BaO来有效地抑制GdBCO样品生长过程中出现的Gd/Ba替换现象,从而成功地制备出了一系列单畴Gd BCO超导块材,并且对样品的宏观形貌、磁悬浮力、捕获磁通密度及临界温度等超导性能进行了研究.结果表明,随着BaO掺杂量的增加,样品的熔化温度(T_m)及包晶反应温度(T_p)均出现逐渐降低的趋势;同时,当样品中BaO的添加量在2wt%—4wt%时,可以在一定的程度上有效提高Gd BCO样品的磁悬浮力、捕获磁通密度及临界温度等超导性能.     

钇钡铜氧单畴超导块的多籽晶制备方法

顶部籽晶技术与熔融织构生长工艺的结合已经被证明是制备单一晶体取向的YBaCuO单畴超导体的成功方法.由于YBaCuO晶体的生长速度慢,使大尺寸单畴超导快的制备受到限制.采用多籽晶的方法可以减少生长大块材料的时间,但多籽晶诱导生长的大晶粒的边界通常是弱耦合的,材料的磁浮力和冻结磁场性能明显低于单籽晶生长的材料.本研究在采用多籽晶法制备YBCuO超导块时,通过在先驱物坯料的顶部增加成分梯度过渡层的方法成功地生长出单畴结构的超导材料.冻结磁通的分布为单峰状,证实材料为单畴结构,其磁浮力也达到单籽晶样品的水平.这些结果表明成分梯度层和多籽晶结合的工艺可以改善多籽晶生长样品的晶界耦合,是生长大尺寸单畴超导材料的一种可行方法.     

钇钡铜氧单畴超导块的多籽晶制备方法

顶部籽晶技术与熔融织构生长工艺的结合已经被证明是制备单一晶体取向的YBaCuO单畴超导体的成功方法．由于YbaCuO晶体的生长速度慢，使大尺寸单畴超导快的制备受到限制．采用多籽晶的方法可以减少生长大块材料的时间，但多籽晶诱导生长的大晶粒的边界通常是弱耦合的，材料的磁浮力和冻结磁场性能明显低于单籽晶生长的材料．本研究在采用多籽晶法制备YBCuO超导块时，通过在先驱物坯料的顶部增加成分梯度过渡层的方法成功地生长出单畴结构的超导材料．冻结磁通的分布为单峰状，证实材料为单畴结构，其磁浮力也达到单籽晶样品的水平．这些结果表明成分梯度层和多籽晶结合的工艺可以改善多籽晶生长样品的晶界耦合，是生长大尺寸单畴超导材料的一种可行方法．     

最高熔化温度对GdBaCuO单畴块材生长及磁悬浮性能的影响

采用熔融织构生长工艺结合冷籽晶法,通过调整最高熔化温度,成功制备出直径53mm的GdBCO单畴超导块材.不同高温下淬火坯体的XRD图谱表明,提高最高熔化温度对Gd123相的充分熔解和大单畴的生长具有重要意义.最高熔化温度对块材的磁悬浮性能有重要影响,最高温度偏低不利于熔体中气体排出,制成的单畴存在大量孔洞,使磁悬浮力下降;适当提高最高熔化温度,可减少单畴内部的孔洞,使材料致密从而提高磁悬浮力.     

Y2Ba4CuWOx掺杂对单畴YBCO块材微观结构及超导性能的影响

为了研究掺杂Y-W2411(Y2Ba4CuWOx)对单畴YBCO超导块材磁通钉扎能力的影响.应用顶部籽晶-熔融织构法(TS-MTG)制备出了掺杂纳米Y-W2411的单畴块材.通过实验发现不同量的掺杂会对样品的宏观形貌及磁悬浮力产生不同的影响.当掺杂量x≤8时,样品基本可以生长成单畴的超导块材,且样品的磁悬浮力随着Y-W2411掺杂量的增加先增大后减小.当x=2wt%时,样品磁悬浮力最大.样品的电镜扫描结果(SEM)表明成功地在Y-123(YBa2Cu3O7)基体中嵌入了Y-W2411粒子.     

单畴熔融织构YBCO/Ag样品的生长工艺研究

本文研究了用冷籽晶技术制备掺Ag单畴熔融织构YBCO超导块材的工艺.通过引入有效的隔离层避免了籽晶的熔化.使用纯Y1.8粉作为隔离层的材料,并探索出同时施加两个隔离层的方法.对施加隔离层后大块单畴YBCO/Ag样品生长窗口的研究发现,加入隔离层后使慢降温上限温度升高,970℃到955℃是Y123/Ag系单畴生长的主要窗口.制备的直径26mm单畴超导块材的磁浮性能已达到12N/cm2(77K,0.5T).认为如果进一步提高熔化温度或延长保温时间将有助于抑制自发成核.     

直径53 mm熔融织构单畴YBCO块材制备研究

实验表明:通过对Y123/Y211前驱粉体粒度的调整以及采用Y123∶Y211=1∶0.3摩尔比的配制方案,在顶部籽晶诱导熔融织构生长条件下,可以提高单畴YBCO块材的起始生长温度Ts,从而有效地抑制了大尺寸单畴高温超导块材生长过程中的非籽晶成核现象. 利用这一技术,我们成功地生长出多块直径53 mm、厚18mm单畴YBCO高温超导块材,其中最大磁浮力达到302牛顿,最小为274牛顿,平均磁浮力密度达到12.9 N/cm2(77K、0.55T),达到和超过了该类材料的实用化国际标准.从宏观形貌上看,样品沿径向呈完全织构生长状态,沿轴向也基本呈完全生长状态. XRD和极图分析结果显示,整块样品具有较理想的织构化程度.这一结果意味着近期有望实现更大直径单畴YBCO超导块材的织构生长.     

同质冷籽晶技术生长SmBCO/Ag超导单畴块材的研究

在前期的研究中,利用NdBCO123冷籽晶技术成功制备出具有理想织构的SmBCO/Ag单畴块材.但由于高质量的Nd籽晶的供应难以得到保证,从而限制了SmBCO单畴块材的批量化制备.Ag可以降低SmBCO坯体的熔点,这为用SmBCO冷籽晶技术引导SmBCO/Ag坯体生长单畴块材提供了可能性.然而,实验中我们发现,坯体里面的Ag容易向籽晶内部扩散,导致籽晶熔融,对单畴块材的生长产生不利影响.为克服这困难,我们通过在坯体和籽晶之间加入一个SmBCO211缓冲层,有效地阻止坯体里面的Ag向籽晶扩散,成功实现了同质冷籽晶技术生长SmBCO超导单畴块材.     

新型第二相粒子Gd_2Ba_4CuFeO_y掺杂对单畴超导块材GdBaCO性能的影响

通过顶部热籽晶熔融织构的方法,我们成功地制备出了掺杂新型第二相微粒xGd_2Ba_4CuFeO_y(x=0,0.002,0.004,0.008,0.02)的单畴超导块材GdBCO.通过扫描电镜观察,我们发现,随着掺杂量的增加,一种带状组织存在于掺杂Gd_2Ba_4CuFeO_y微粒的超导块材中;Gd_2BaCuO_5粒子尺寸减小,分布得更加均匀,而Gd_2Ba_4CuFeO_y微粒可能形成有效的钉扎中心;掺杂一定量的包含磁性粒子的Gd_2Ba_4CuFeO_y微粒不但没有破坏超导块材的超导性能,反而增强了超导块材的磁通捕获能力和临界电流密度,超导块材的最大磁通捕获量达到0.16T,临界电流密度TC最大值达到6.4×10~4 A/cm~2,使超导块材的超导性能得到明显改善.实验结果对于研究含磁性粒子的第二相添加提高超导块材的性能有着重要的意义.     

大畴YBCO超导块

叙述了用熔融织构生长 ( MTG)工艺和顶部籽晶法制备大畴 YBCO超导块材的工艺过程 ;还叙述了样品磁悬浮力及冻结磁场的测量方法及所达到的性能 ;综述了大畴 YBCO超导块材潜在的实际应用。     

基于纳米前驱粉制备Sm-Ba-Cu-O单畴超导块材及其超导性能

本文探索了采用纳米级前驱粉制备Sm-Ba-Cu-O超导单畴块材的制备技术,并研究了相应超导块材的超导性能.研究发现,采用纳米前驱粉制备的单畴块材中不易形成大尺度(1～10微米)Sm2BaCuO5(Sm211)颗粒,有利于降低磁通钉扎中心的尺寸.然而,纳米粉体较强的化学活性增强了Sm在Ba位置上的自掺杂效应,使得较小量的Sm211就可能导致超导电性被显著抑制,从而降低超导块材的超导性能.