Pb含量对Bi--2223带材成相和微结构及性能的影响

摘要

随着Bi-2223高温超导带材性能的不断提高和制备成本的逐渐降低，以及应用技术的日趋成熟，Bi-2223高温超导电流引线正逐步走向实用化。采用AgAu合金替代纯Ag或其他银合金作为包套材料的Bi-2223/AgAu带材以其较高的载流性能和低热导而成为制备电流引线的主要材料之一。但是，采用AgAu合金作为包套材料后，由于受氧扩散速率的限制，会影响超导芯与外界的O2交换，从而影响Bi-2223/AgAu带材的2223成相速率和转化率，导致载流性能比常规包套的Bi-2223带材低约20％。前期研究表明，Pb元素的掺杂可以加速2223成相、改善2223晶粒之间的连接，从而提高带材载流性能。本论文通过优化Bi-2223相中的Pb含量来提高2223成相速率和转化率，达到改善带材微结构、提高带材载流性能的目的，为解决Bi-2223/AgAu带材中2223难于成相的问题奠定基础。
　　本文以双相粉工艺为框架，首先研究了CaCuO2粉末和不同Pb含量2212(Bi1.76PbxSr1.93Ca1 Cu2Oy)粉末的合成过程，Bi位Pb掺杂量x分别为0.26、0.30、0.34、0.40、0.45。结果表明，过低的Pb含量(x=0.26)不利于形成有助于2201向2212转化的微液相，2212转化率低;过高的Pb含量(x=0.40和0.45)会形成较大量的液相，从而导致析出较多的AEC相，妨碍2212相的转化;适量的Pb含量(x=0.30和0.34)可以加速(Bi，Pb)-2212相的形成，2212转化率可以提高到98％以上。
　　在粉末制备基础上采用PIT工艺制备了Bi1.76PbxSr1.93Ca2.02Cu3.06Oy带材(x=0.26～0.45)。通过ICP-AES、XRD、SEM、DSC-TG等分析手段研究了Pb含量对2223成相、带材微结构和带材载流性能的影响。结果表明，Pb含量对带材中2223成相有重要影响，微液相形成温度和2212的熔化温度随Pb进入2212晶格的含量呈现先降低后增加的趋势。适量的Pb含量(x=0.30）有利于形成有助于2212向2223转化的微液相，提高2223的成相速度率和转化率，减少孔洞和微裂纹等缺陷，改善2223晶粒之间的连接性，提高最终带材的载流性能。但过量Pb(x=0.40和0.45)的掺入，会形成较大量的液相，从而导致析出较多的AEC相，妨碍2223相的转化;当带材降温时，残余的液相在凝固时收缩，容易形成较多大小不一的孔洞和微裂纹，同时残余液相还会在原来的位置形成非晶态物质，这些缺陷和非晶态物质严重影响了2223晶粒之间的连接性，导致最终带材的载流性能低。欲加快2223成相并获得2223相含量高且晶粒连接好的带材，必须控制Pb含量。
　　为了进一步提高2223转化率、改善带材微结构和提高带材载流性能，本文对带材制备过程中的关键过程，包括带材加工工艺、带材第一次热处理工艺和后退火制度进行了研究和优化。结果表明，采用大辊径的两辊轧机制备带材，能够提高带材的超导芯密度和织构度;带材经过840℃第一次热处理之后，控制2223相转化率在85％左右，既可以保证后续热处理过程中有足够的微液相弥合中间轧制产生的裂纹，又防止了残余2212相过多导致带材过度膨胀，进而出现芯部密度下降的问题，同时带材中残余的2201相和非超导相较少，减少了对带材电流流通的阻碍作用，能够获得较高的载流性能;带材经过700℃后退火处理之后，残留的非晶态物质与从(Bi，Pb)-2223相中扩散出来的铅反应生成3321相，减少了非晶态物质的量，从而大幅提高了带材的临界电流。
　　总体来看，当Pb含量适量时（x=0.30），在双相粉工艺基础上采用PIT工艺能够制备出2223成相率高的带材;通过优化带材制备过程中的关键工艺，减少了带材中的缺陷和非晶态物质，增强了2223晶粒之间的连接，提高了最终带材的载流性能。本文基本解决了带材中2223成相困难的问题，为后续改善Bi-2223/AgAu带材中载流性能的研究奠定了基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 Bi系超导体的结构

1．3 PIT法制备Bi-2223超导带材的技术

1．3．1 Bi-2223前驱粉末的制备技术

1．3．2 Bi-2223前驱粉末的元素配比

1．3．3 Bi-2223成相机制

1．3．4 Bi-2223带材热处理温度和时间

1．4 国内外Bi-2223高温超导材料的性能进展

1．5 Bi-2223高温超导材料的应用情况

1．6 Bi-2223高温超导材料的发展方向

1．7 研究目的与内容

第2章 Bi-2223前驱粉末制备及相组成控制

2．1 前言

2．2 实验方法

2．3 2212粉和CaCuO2粉(双粉)的制备过程

2．3．1 不同Pb含量Bi-2212粉末的制备

2．3．2 CaCuO2粉末的制备

2．4 小结

第3章 Pb含量对Bi-2223带材成相和微结构及性能的影响

3．1 引言

3．2 实验方法

3．3 Pb含量对Bi-2223带材成相和微结构及性能的影响

3．3．1 不同Pb含量的装管粉末特性

3．3．2 Pb含量对带材中2223成相的影响

3．3．3 Pb含量对带材载流性能的影响

3．3．4 Pb含量对带材Tc的影响

3．4 小结

第4章 Bi-222 3带材制备工艺优化

4．1 前言

4．2 带材加工工艺优化

4．3 带材第一次热处理工艺优化

4．4 带材后退火工艺优化

4．5 小结

第5章 结论

参考文献

致谢