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《电子科技大学》 2007年
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YBCO高温超导带材的制备和实用化研究

熊杰  
【摘要】: 第二代YBa_2Cu_3O_(7-δ)(YBCO)涂层导体具有交流损耗低、性价比高以及在磁场下载流能力强等优点,在工业上具有广阔的应用前景,成为近年来超导技术发展的重点。然而对于这类结构复杂的多元氧化物薄膜而言,其晶格结构和特性比较复杂,尤其是直接在柔性金属NiW基带上制备YBCO涂层导体存在严重的晶格失配和互扩散困难,因此无论是理论研究还是高质量薄膜的制备都受到一定的制约,同时高承载电流能力以及低成本是制约第二代高温超导带材实用化的两大瓶颈难题,一些重要的物理现象和机理仍不清楚,在一定程度上阻碍了带材实用化的快速发展。 本论文基于直流反应磁控溅射方法在双轴织构的镍钨合金(Ni-5at.%W)基带上生长过渡层薄膜,并在其上进行YBCO涂层导体的研制,即从实验入手对材料的生长工艺、结构、性能以及薄膜残余应力控制做了系列探索性工作,并在此基础上对这些问题的内在物理机制进行了较为深入的研究和探讨,为超导带材的实用化奠定基础。主要内容如下: 1.多层结构过渡层及YBCO涂层导体研究。论文中过渡层采用模板层(CeO_2)/阻挡层(Y稳ZrO_2,YSZ)/种子层(CeO_2)多层结构。 (1)首先研究了材料工艺参数(等离子体轰击、水分压、工作气压、基片温度和溅射功率等)对CeO_2种子层薄膜结构和表面形貌的影响,优化生长工艺。薄膜为完全c轴单一取向,面内外半高宽分别为4.5°和2.5°,晶粒直径小于100nm,表面均方根粗糙度约为6nm。同时,采用基带连续卷绕对靶溅射的方式在1m长NiW基带上制备得到的CeO_2种子层两面一致性和单面均匀性高。 (2)在优化CeO_2种子层的基础上,通过设计正交实验研究YSZ阻挡层的生长,结合极差分析和方差分析得到生长YSZ薄膜的最优工艺参数;并针对YSZ阻挡层薄膜与CeO_2种子层薄膜之间的相互关系进行了研究,结果表明YSZ薄膜的结晶质量、c轴取向性以及面内外织构与种子层薄膜关系密切。 (3)在最优条件下的YSZ阻挡层上进行CeO_2模板层生长的研究,并通过XRDθ-2θ,ω扫描和极图以及二次离子质谱进行表征,薄膜具有很好的面内外织构,同时多层结构过渡层的表面平整致密无裂纹,而且各过渡层之间界面尖锐、清晰。 (4)采用直流溅射方法在CeO_2/YSZ/CeO_2过渡层上制备YBCO涂层导体,通过系统研究基片温度、氧氩比和总压对YBCO薄膜微观结构和性能的影响,优化生长工艺,并得到结构良好的YBCO薄膜,薄膜为完全c轴取向,面内外半高宽分别为5.9°和4.5°,其T_c约为87.3K,J_c为1.3 MA/cm~2,双面I_c为103A/cm;另外CeO_2模板层粗糙的表面都会促使BaCeO_3的形成,从而影响YBCO薄膜的外延生长。 2.超导带材实用化的研究 高温超导带材的实用化要求具有高的承载电流能力和低的成本。 (1)薄膜电流承载能力研究 针对带材电流承载能力的要求,YBCO涂层导体需要在增加薄膜厚度的同时,还要具有较高的J_c,而一般情况下,厚度的增加会导致以急剧降低。论文中选用LaAlO_3(LAO)上生长的YBCO薄膜作为对象,进行前期研究工作。不同厚度的YBCO薄膜均为严格c轴取向,厚度超过2μm仍然没有a轴晶粒存在,薄膜厚度的增加导致表面出现大量的孔洞,甚至产生裂纹。结合晶面族和晶格常数的方法对薄膜中残余应力进行了精确的测试与计算,分析并揭示了薄膜厚度对电学性能影响的规律,建立残余应力理论模型并准确的解释实验结果。 在大量的实验结果与模型的基础上,提出多层薄膜的研究思路,首次引入CaCuO_2作为中间层材料,通过优化其厚度和层数,大幅度提高薄膜承载电流的能力,为制备具有超高电流承载能力的第二代高温超导带材提供了关键的技术支撑。 (2)涂层导体的低成本研究 多层过渡层工艺的复杂性增加了带材的制备成本从而影响了第二代带材的大规模使用。首次提出原位退火织构化技术(IPAT)技术,这种方法具有完全避免基带氧化,快速,可控性好,薄膜表面平整、无裂纹的优点。利用IPAT技术在NiW基带上成功制备CeO_2单层过渡层,并通过改变退火温度和溅射功率研究与生长取向的关系,绘制薄膜择优取向生长图谱,建立了薄膜择优取向生长动力学模型,从而降低了薄膜的退火温度并提高了溅射效率。在CeO_2单层过渡层上生长得到的YBCO涂层导体具有较高的结晶质量:其电学性能测试得到初步的结果为T_c为86.4K,J_c约为0.8MA/cm~2。该IPAT方法简化了第二代超导带材的制备工艺,有利于降低成本,因此有着广阔的应用前景。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TM26

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【引证文献】
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2 杨华哲;化学法制备BSCCO和MgB_2新型超导带[D];东北大学;2008年
3 刘慧舟;实用化YBCO高温超导带材制备与性能研究[D];北京有色金属研究总院;2012年
4 张影;Bi系超导材料的Sol-Gel法制备、机制及掺杂研究[D];东北大学;2010年
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1 张宁;YBCO带材超导层的溅射生长研究[D];电子科技大学;2011年
2 林琳;用于YBaCuO涂层的Y_2O_3/Ag复合基带的制备与研究[D];东北大学;2008年
3 郭菁;铋系超导带材的溶胶—凝胶法制备及其工艺优化[D];东北大学;2008年
4 张永军;涂层导体用Ni-5at.%W合金基带制备工艺研究[D];东北大学;2008年
5 冯啸;YBCO涂层导体用YSZ阻挡层的快速制备研究[D];电子科技大学;2012年
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【参考文献】
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【共引文献】
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10 张晚英;周有庆;赵伟明;张绪红;朱青;黎福海;王耀南;李中发;陈洪云;;偏流切换桥路型高温超导故障限流器的实验研究[J];中国电机工程学报;2008年06期
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1 肖君;基于EBIT光谱学研究手段建设及超低能EBIT的研制[D];复旦大学;2011年
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4 杨德林;YBa_2Cu_3O_(7-x)氧扩散特性、应用及掺杂替代的基础研究——分子筛和透氧膜研究[D];郑州大学;2003年
5 张绪红;超导故障限流器的研究[D];湖南大学;2004年
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7 李君;电流型超导储能变流器关键技术研究[D];浙江大学;2005年
8 罗平;快速全局优化算法及其在高温超导储能磁体中的应用[D];浙江大学;2006年
9 张志丰;桥路型高温超导限流器的研究[D];中国科学院研究生院(电工研究所);2006年
10 吕伟;氧化锌 氧化铈 氮化镓和氧化铋等纳米材料的制备及其性能研究[D];山东大学;2006年
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1 周志飞;考虑风速随机性的风电场电压相关问题的研究[D];长沙理工大学;2010年
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3 高威利;线性压缩机及其驱动两级脉管制冷机研究[D];浙江大学;2010年
4 盛龙;高温超导直线感应电机电磁分析[D];北京交通大学;2011年
5 张洋瑞;高电压冷绝缘高温超导电缆的主绝缘设计[D];华北电力大学(北京);2011年
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7 刘莉;湿法制备一维氧化铋粉体及生长机理研究[D];中南大学;2011年
8 张宁;YBCO带材超导层的溅射生长研究[D];电子科技大学;2011年
9 黎志;高温超导无损脉冲功率延迟网络研究[D];华中科技大学;2009年
10 罗振宇;基于磁场分析的动车组主变压器参数计算及运行特性仿真分析[D];长沙理工大学;2011年
【同被引文献】
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1 刘慧舟;史锴;杨坚;舒勇华;袁冠森;;高温超导金属基带再结晶织构及显微组织[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年
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2 张炳森;Bi系氧化物薄膜的分子束外延法制备及微结构研究[D];东北大学;2009年
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【二级引证文献】
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1 张影;Bi系超导材料的Sol-Gel法制备、机制及掺杂研究[D];东北大学;2010年
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1 张蕊;溶胶—凝胶法制备二氧化钛粉体与薄膜研究[D];东北大学;2011年
2 冯啸;YBCO涂层导体用YSZ阻挡层的快速制备研究[D];电子科技大学;2012年
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【二级参考文献】
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2 杨砚儒,刘莹莹;高温超导体的发展现状及应用[J];现代物理知识;2001年06期
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7 记者 周文斌;首台GSM移动通信用高温超导滤波器诞生[N];光明日报;2002年
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7 张子立;聚合物对超导材料微观结构及超导性能的影响研究[D];北京工业大学;2013年
8 蔡衍卿;高温超导材料液相外延生长过程中的取向控制以及热稳定性能的研究[D];上海交通大学;2008年
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4 刘宇;高温超导YBCO薄膜中纳米氧化物结构的制备与研究[D];南昌大学;2010年
5 严武卫;用化学溶液法快速制备YBCO超导薄膜的研究[D];陕西师范大学;2011年
6 王道云;磁控溅射法制备YBCO原子层热电堆薄膜研究[D];郑州大学;2011年
7 范俊;脉冲激光沉积制备YBCO薄膜:激光诱生大颗粒的消除以及c轴择优外延生长研究[D];苏州大学;2011年
8 赫连豪;YBCO超导材料在天线中的应用研究[D];解放军信息工程大学;2011年
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10 徐亚新;YBCO高温超导薄膜的溅射法快速制备研究[D];电子科技大学;2013年
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