YBCO涂层导体用Ni5W合金基带的制备及表面改性研究

摘要

基于其具有高不可逆场、高载流性能、低交流损耗等优势，以YBa2Cu3O7-x(YBCO)为代表的第二代高温超导体材料——涂层导体，在电力和磁体方面显示了潜在的实际应用前景。涂层导体的基本结构可分为基带、缓冲层、YBCO层和保护层。金属基带的作用一方面为涂层导体带材提供机械支撑，另一方面为缓冲层和超导层的依次外延生长提供织构模板。本文采用轧制辅助双轴织构(RABiTS)工艺制备了具有锐利立方织构和良好表面特性的Ni-5at.％W(Ni5W)合金金属基带，为高度织构化和无缺陷的缓冲层和YBCO层提供基础。具体内容如下:
　　以镍粉和钨粉为起始原料，采用粉末冶金的方法，形成预合金锭，其后采用真空电弧炉去除杂质，实现均匀化。然后结合热轧、大加工率冷轧和再结晶热处理等工艺制备了厚度为80μm的Ni5W合金基带。讨论了道次加工率、总加工率对Ni5W合金基带轧制织构演变的影响，结果表明，较小的道次加工率和较大的总加工率有利于基带再结晶热处理后立方织构百分含量的提高。道次加工率对于立方织构质量的影响小于总加工率。以5％的道次变形率和98％的总变形率进行冷轧后，获得了具有较高的S型织构和Copper型织构的基带。对于Ni5W合金长带，高温退火前增加低温预退火过程可促进再结晶前内应力的释放，有效地促进立方取向晶粒的形核。700℃，40 min低温退火后再进行1200℃，0.65 m/h的连续退火可使基带的立方织构含量达97.2％。而对于Ni5W合金短带的静态处理，一步退火法和两步退火法均能获得接近100％的高立方织构体积分数。
　　为了改善基带表面质量，对基带表面分别进行了电化学抛光和硫化改性。讨论了电化学抛光过程中的工艺参数对基带表面粗糙度的影响，确定在电流密度为1 A·cm-2～1.3A·cm-2，温度0℃～30℃，时间30 s～60 s，抛光液浓度8.76 mol·L-1～14 mol·L-1的工艺条件下，基带表面粗糙度可降低到5nm以下。对在不同浓度抛光液中抛光时基带表面的产物分析结果表明，Ni5W合金基带在硫酸溶液中的抛光过程遵循粘膜理论，即在适当浓度的抛光液中，基带表面生成致密黏稠的钨酸胶体层，起到了粘膜层的作用，在电流的作用下使金属基带表面发生选择性溶解，最终得到基带表面平整化的效果。通过控制硫酸抛光液浓度可以控制基带表面物质生成速率，从而使其保持有利于选择性溶解顺利进行的厚度。c(2×2)-S超结构有利于氧化物缓冲层外延生长，本文提出了单质硫硫化和硫化铵溶液硫化两种硫化改性技术对Ni5W基带进行硫化，EDS和XPS分析结果表明，采用单质硫对Ni5W合金基带进行硫化，在基带表面形成了硫的覆盖率为0.5 ML的S层，认为已经形成了有序的c(2×2)-S超结构。在硫化铵水溶液中进行硫化时，由于基带表面硫化物的分解，导致了基带表面硫的覆盖率低于0.5 ML。在硫化前后的基带的基带上分别采用化学溶液沉积法(CSD)制备了La2Zr2O7(LZO)缓冲层。结果表明硫化后所形成的c(2×2)-S超结构更有利于LZO膜在Ni5W合金基带表面的外延生长。与传统硫化方法相比，这两种方法不需要超高真空环境，过程简单，成本低廉，更适于大规模的工业化生产。
　　本文同时设计并制造了辊道辊连续再结晶热处理炉和连续电化学抛光设备，首次在国内成功制备出百米级的Ni5W基带，其立方织构和表面质量可以满足外延生长涂层导体缓冲层的需要。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 实用化高温超导带材研究概况

1．3 涂层导体研究现状

1．4 涂层导体用金属基带的制备方法

1．4．1 IBAD法

1．4．2 RABiTS法

1．5 本论文的研究目的、意义和主要研究内容

第2章 Ni5W合金的铸造和基带轧制研究

2．1 前言

2．2 实验过程

2．2．1 Ni5W合金铸锭的制备

2．2．2 Ni5W合金基带制备

2．2．3 测试技术及分析方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 Ni5W合金铸锭

2．3．2 轧制加工

2．4 小结

第3章 Ni5W合金基带的再结晶热处理

3．1 前言

3．2 实验过程

3．2．1 静态再结晶退火

3．2．2 动态再结晶退火

3．3 结果与讨论

3．3．1 Ni5W合金基带静态再结晶退火工艺研究

3．3．2 Ni5W合金基带连续再结晶退火工艺研究

3．4 小结

第4章 Ni5W合金基带电化学抛光研究

4．1 前言

4．2 实验过程

4．2．1 Ni5W合金基带抛光

4．2．2 测试技术及分析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 电化学抛光参数对Ni5W基带粗糙度的影响

4．3．2 Ni5W合金电化学抛光机理研究

4．3．3 电化学抛光对基带织构的影响

4．3．4 长带电化学抛光

4．4 小结

第5章 Ni5W合金基带表面硫化改性处理

5．1 前言

5．2 实验

5．2．1 硫化

5．2．2 La2Zr2O7缓冲层沉积

5．2．3 测试技术及分析方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 硫化处理路线Ⅰ

5．3．2 硫化处理路线Ⅱ

5．4 小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间获得的学术成果