收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

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。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 魏旺水,龚尚敏,罗乐,胡素辉;用硝酸盐共分解法所得的超导粉料制备Ag-YBCO复合带材[J];低温物理学报;1992年02期
2 刘东,杨涛,李建平,汪京荣,吴晓祖,王家素,王素玉;YBCO烧结材料R_s-J_e实验曲线中的反比关系[J];科学通报;1992年01期
3 张莉;YBCO掺杂效应研究[J];兰州理工大学学报;2004年01期
4 谢义元,袁凤池,程彬吉,陈继平,钟勇,崔炳燊;动态MOCVD连续制备YBCO/Ag超导带的微观结构[J];低温与超导;1994年01期
5 朱亚彬,周岳亮,王淑芳,刘震,熊季午,陈正豪,吕惠宾,杨国桢,肖玲,任洪涛,焦玉磊,郑明辉;电泳法(EPD)制备YBCO超导涂层的微结构及其性质[J];低温与超导;2004年01期
6 马衍伟,肖立业;第2代高温超导YBCO涂层导体的发展及其应用[J];科学通报;2005年01期
7 杨德林,孟令启,李志成,胡行,郭益群,高之爽;YBa_2Cu_3O_(7-x)的高温氧呼吸特性[J];低温与超导;2001年01期
8 王秋良,安承武,王又青,李再光;脉冲激光淀积高电流密度的YBCO超导带材[J];中国激光;1997年09期
9 马海霞,徐克西;磁场下高温超导YBCO颗粒膜的非平衡微波响应[J];低温物理学报;2000年05期
10 杨国桢;1987年以来我国高温超导研究进展[J];物理;1991年06期
11 周廉;我国高温超导材料研究进展[J];物理;1991年06期
12 邹金桥,卢建树;YBCO涂层导体的新进展[J];化工生产与技术;2003年05期
13 程湘爱,梁林梅,胡永明;高功率微波对YBCO超异材料的改性[J];国防科技大学学报;1998年01期
14 刘录,孙仁和,王振荣;YBCO高温氧化物超导体稳定性研究[J];哈尔滨理工大学学报;1998年02期
15 刘兴钊,李言荣,陶伯万,罗安;YBCO外延薄膜的afterglow plasma溅射生长[J];功能材料与器件学报;2001年04期
16 郭娟,程国生,董成;电化学氧化YBa_2Cu_3O_(6+x)的晶体结构和超导电性研究[J];低温物理学报;2004年01期
17 朱亚彬,周岳亮,成正维;电泳法制备YBCO超导厚膜的电阻特性研究[J];北京交通大学学报;2005年03期
18 王连红;李弢;古宏伟;;采用MOD法在LAO上制备YBCO超导薄膜的Raman光谱研究[J];低温与超导;2009年01期
19 王耀水,P.Bennema,L.W.M.Schreurs,P.VanderLinden;液流法生长YBCO超导大单晶[J];人工晶体学报;1991年Z1期
20 张丽生,杨频,刘兵;Bi掺杂对YBaCuO体系超导性的影响[J];山西大学学报(自然科学版);1995年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 赵桂荣;赵高扬;张黄莉;;溶胶-凝胶法制备感光性YBCO凝胶薄膜的研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第7分册)[C];2010年
2 陈绍楷;周廉;王克光;吴晓祖;张平祥;冯勇;;添加CeO_2的PMP法YBCO组织结构特征[A];2000年材料科学与工程新进展(上)——2000年中国材料研讨会论文集[C];2000年
3 周萍;张永彬;黄火根;蒋春丽;;PLD在SrTiO_3(100)晶面沉积YBCO薄膜性能分析[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第3分册)[C];2010年
4 邹小卫;王智河;张宏;;Na掺杂对MTG YBCO钉扎势U(T,H)的影响[A];2000年材料科学与工程新进展(上)——2000年中国材料研讨会论文集[C];2000年
5 陶伯万;张鹰;陈家俊;刘兴钊;何世明;李言荣;;大面积双面YBCO高温超导簿膜的均匀性分析[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年
6 赵跃;刘敏;董杰;梁锦霞;何嘉;索红利;周美玲;;等离子体表面处理对YBCO薄膜表面形貌的研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅲ[C];2004年
7 高之爽;胡行;刘大军;杨德林;郭郑元;李志成;王忠建;谢耀东;戴思聪;曾建晟;;YBCO纯化技术的工业应用[A];变压吸附设备技术交流会论文集[C];2004年
8 刘敏;刘丹敏;董杰;赵跃;刘星;索红莉;周美玲;;单晶Ag基底上YBCO膜外延机理的研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅲ[C];2004年
9 王三胜;韩征和;陈胜;史锴;杜鹏;裘蕾;王林;;YBCO覆膜导体制备新技术及其进展[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年
10 王三胜;韩征和;史锴;陈胜;吴锴;孙志勇;刘庆;;全化学溶胶-凝胶方法在Ni金属基带上金属氧化物的制备及其在YBCO覆膜导体制备中的应用研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅱ[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘娟秀;YBCO高温超导薄膜器件研制及光化学/辐照特性研究[D];电子科技大学;2010年
2 高锋;化学溶液法制备YBCO超导层及钙钛矿结构导电缓冲层的研究[D];东北大学;2009年
3 杨坚;YBCO涂层导体长带与厚膜制备技术及钉扎机制研究[D];北京有色金属研究总院;2013年
4 金利华;YBCO涂层导体的化学溶液沉积制备技术及超导性能研究[D];陕西科技大学;2013年
5 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
6 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
7 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
8 李英楠;YBaCuO膜及其金属基带和缓冲层的制备与研究[D];东北大学;2010年
9 张黄莉;钇钡铜氧超导薄膜及其微细图形化新方法研究[D];西安理工大学;2009年
10 王文涛;无氟高分子辅助金属有机物沉积法制备高性能REBa_2Cu_3O_(7-z)超导薄膜[D];西南交通大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 朱东亮;原位外延生长YBCO薄膜及取向控制[D];苏州大学;2010年
2 肖山;直流溅射法制备YBCO带材研究[D];电子科技大学;2010年
3 戴邵康;液相源金属有机物化学气相法制备YBCO高温超导薄膜[D];电子科技大学;2010年
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
9 黄扬;YBCO超导薄膜快速制备工艺研究[D];西南交通大学;2012年
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
中国重要报纸全文数据库 前9条
1 记者 张孟军;第二代百米高温超导导线问世[N];科技日报;2005年
2 李禾;吕惠宾:让分子无处遁形[N];科技日报;2004年
3 ;超导列车——德国的梦[N];科技日报;2004年
4 本报记者 周芳燕;西北有色金属研究院超导材料研究取得突破性进展[N];中国高新技术产业导报;2002年
5 记者 张可喜;超导产业前景阔[N];新华每日电讯;2000年
6 张怀忠;百米长高温超导带材制成[N];中国矿业报;2000年
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
8 本报记者 常丽君;国家电网也追绿色时尚[N];科技日报;2010年
9 本报记者 杨靖;第一根百米高温超导带材[N];科技日报;2008年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978