新型籽晶、大尺寸YBCO块材制备研究

摘要

自高温超导体问世以来，无论在基础研究和实际应用方面都重大进展。作为其中的一种，YBa2Cu3Oz(YBCO)高温超导块材，具有高超导转变温度和高临界电流密度(Jc)等优越的物理性能，因而有广泛的应用前景，可用于磁悬浮列车、磁性轴承、飞轮储能和永磁体等方面。这些应用要求制备具有高Tc、Jc又和高冻结磁场性能的REBa2Cu3Oz(REBCO)大单畴块体材料。作为超导材料的一项重要制备技术，熔融织构法是一种有效的生长具有高磁悬力和高冻结磁场YBCO块材的方法。为了提高块材的冻结磁场，需要制备大尺寸的块材。顶部籽晶法可以增大块材单畴的尺寸，但是无法进一步增加其直径。本论文研究了新型籽晶熔融织构法大尺寸YBCO块材生长，对掺杂大尺寸块材制备关键技术，开展具有探索和创新性的研究：
　　 1.通过项部籽晶提拉法，我们制备了一系列具有不同Pr掺杂量的YBCO超导晶体，Pr元素在Y1-xPrxBa2Cu3Oz(Pr-YBCO)中的含量从微量的x=0.008一直增加到x=0.036。通过PPMS等测试手段，我们发现在Pr-YBCO晶体的超导转变温度Te随着Pr掺杂量的变化规律和文献中通过固相成相法制备的PrYBCO材料相类似：在微量Pr掺杂的情况下，Tc受到的影响不大。而当Pr含量x超过0.1乃至0.2的时候，Tc会有明显的下降直到失去超导性能。
　　 2.采用ICP表征手段，我们获得了掺杂元素Pr在熔体中以及生成的Pr-YBCO晶体中的熔解度等数据，从而得到在不同的Pr掺杂量下Pr元素的分凝系数、溶剂成份和掺杂量的相互间关系。在各种不同的Pr掺杂量下Pr元素的分凝系数k=Cs/Cl都要大于1，这说明随着Pr含量在YBCO晶体中的增加，其熔点Tp应该随之上升。而实际上PrBCO单晶体的熔点要低于YBCO单晶体的熔点，而两种稀土元素混合的REBCO体系却出现了Tp上升的反常现象。这个实验发现同时可以向生长窗口更大的Pr-YBCO块体材料中延伸，寻求一些优化的掺杂量和生长条件。
　　 3.通过对熔融织构生长机制的分析，优化了工艺参数，本实验中在较短的生长时间内(60h)制备了一批直径为42mm、Pr掺杂量为2mo1％的Pr-YBCO块材。
　　 4.对使用大尺度的Sm211晶须作为籽晶进行熔融织构生长Sm123块体材料实验中发现0°和45°两种外延取向都会出现，需要进一步调节生长工艺参数。
　　 5.通过对薄膜籽晶熔融织构YBCO块材生长研究表明，沉积在单晶基板上的REBCO种膜，由于其面内取向为45°的四对称结构，因此可以诱导控制块材的外延生长沿晶体晶格结构的＜110＞方向进行，而一般常用的籽晶是控制块材沿晶格结构的主轴方向(<010>和<100>方向)外延生长。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1超导材料的发展历史简述

1.2氧化物高温超导材料的结构特征

1.3超导材料的应用现状和展望

1.4研究内容和意义

参考文献

第二章 REBCO高温超导块材制备工艺

2.1 REBCO高温超导块材制备工艺的发展

2.2 YBCO的合成机制

2.2.1 YBCO的相图

2.2.3 Y123晶体生长的动力学

2.2.3 YBCO块材的生长机制

2.2.4 YBa2Cu3O7-δ结构

2.3高温超导氧化物YBCO的掺杂效应

2.3.1提高超导性能的掺杂研究

2.3.2改善力学性能的掺杂研究

2.3.3影响热力学行为的掺杂研究

2.3.4其他掺杂效应

参考文献

第三章 Pr掺杂的YBCO块材的研究及制备

3.1 Pr掺杂YBCO单晶相关研究

3.1.1 Pr掺杂对YBCO单晶性能的影响

3.1.2 Pr-YBCO固—液界面前沿的溶质再分配

3.2微量Pr掺杂对YBCO生长行为和超导性能的影响

3.2.1 YBCO块材中Pr与几种常见稀土元素掺杂的比较

3.2.2 TSMTG法制备pr-YBCO块材

3.3 TSMTG法制备大尺寸的YBCO块材

3.3.1大尺寸Pr-YBCO块材的制备

3.3.2大尺寸Pr-YBCO块材的表面形貌及分析

参考文献

第四章 新型籽晶熔融织构法生长YBCO超导块材相关研究

3.1.熔融织构生长中籽晶的选用

3.2 Sm211晶须作为籽晶生长YBCO

3.2.1 Sm211晶须做籽晶生长YBCO的特点

3.2.2 Sm211晶须的制备

3.2.3 Sm211晶须与超导相Sml23的外延关系

3.2.4 Sm211晶须作籽晶熔融织构法生长YBCO块材

3.3 YBCO薄膜籽晶生长YBCO块材

3.3.1 YBCO薄膜的过热现象

3.3.2 YBCO薄膜籽晶生长YBCO块材

参考文献

结论

致谢

博士后工作期间发表论文和专利