大尺寸高性能YBCO单畴块材的定向凝固研究

摘要

YBCO单畴超导块材由于其优异的磁场俘获能力和自稳定磁悬浮特性，在超导磁悬浮、飞轮储能等技术领域有着诱人的应用前景。目前，Y系高温超导体块材存在的问题是：如何生长大尺寸单畴块材；如何制备出高磁悬浮力和俘获磁场的高性能单畴块材。 本论文在YBCO定向凝固生长理论的基础上，采用顶部籽晶熔融织构生长工艺(TSMTG)制备YBCO单畴块材，通过对样品宏微观形貌的观测，磁悬浮力、临界电流密度及俘获场的测试，重点研究了大尺寸高性能YBCO单畴块材的定向凝固生长以及NdBCO籽晶的制备技术。主要结果如下： 1、为了解决在大尺寸YBCO单畴块材在制备过程中的非籽晶成核问题，我们通过一系列淬火实验，发现Y211含量对胚体起始生长温度Ts存在影响。这意味着通过适当调整Y211相含量的比例，可以有效地拓展生长温度窗口，从而生长出大尺寸块材。通过淬火样品的形貌分析还发现，Y211相含量较多的胚体单畴的生长速度较快。因此，综合考虑Y211含量对胚体起始生长温度和生长速度的影响，我们分别制备出了53、58和7mm大直径YBCO单畴块材。 2、为了进一步提高YBCO单畴块材的磁悬浮力，我们对影响磁悬浮力的因素进行研究。通过一系列实验研究磁悬浮力与样品临界电流密度、微结构的关系。结果表明，微裂纹和孔洞是影响磁悬浮力的重要因素。我们提出了一个模型，很好的解释了小孔和微裂纹对磁悬浮力的影响。在大直径单畴的制备中，适当把握烧结前一阶段的恒温时间，控制好液相流失，可以有效地减少孔洞和微裂纹，从而把块材的磁悬浮力密度提高到15.5N/cm2。 3、采用不同Nd123/Nd422前驱粉配比和不同的起始慢冷生长温度尝试制备NdBCO单畴块材，发现采用1:0.15的配比，可以制备出织构好、面积较大的NdBCO单畴块材。采用NdBCO籽晶制备出了形貌和性能较好GdBCO和SmBCO/Ag单畴块材，解决了LREBCO制备当中的籽晶问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 引言

1.2 REBCO(RE=Y，Gd，Sm，Nd)单畴块材的研究与应用现状

1.2.1 REBCO单畴块材的基本特征

1.2.2 REBCO单畴块材的制备技术

1.2.3 REBCO单畴块材的研究和进展

1.2.4 REBCO单畴块材的应用

1.3 REBCO高温超导块材目前存在的问题

1.4 本论文的课题来源及主要研究内容

第二章 单畴YBCO定向凝固生长机制

2.1 引言

2.2 定向凝固技术介绍

2.2.1 超高梯度定向凝固技术

2.2.2 深过冷定向凝固

2.2.3 电磁约束成形定向凝固技术

2.2.4 激光超高温度梯度快速定向凝固

2.3 定向凝固技术的优点及在YBCO块材制备中的应用

2.4 YBCO晶体定向凝固生长模型

2.4.1 YBCO的定向凝固生长模型

2.4.2 生长界面前沿溶质扩散分析

2.5 熔融织构

2.5.1 熔融织构的基本原理

2.5.2 熔融织构的发展

2.5.3 顶部籽晶熔融织构法

第三章 YBCO块材制备和表征方法

3.1 本论文所采用的TSMTG制备工艺流程

3.1.1 YBCO先驱粉的制备

3.1.2 织构样品的制备

3.1.3 退火处理

3.2 样品的主要表征方法

3.2.1磁悬浮力的测试

3.2.2 样品的宏观和微观情况观测

3.2.3 样品的磁滞回线和临界电流密度的测试

3.2.4 俘获场的测试

第四章 大尺寸高性能YBCO块材的制备和测试

4.1 引言

4.2 前驱粉体制备和样品制备

4.2.1 前驱粉体的制备

4.2.2 样品制备

4.3 关于样品生长温度窗口和提高磁悬浮力性能的研究

4.3.1 关于样品生长温度窗口的研究

4.3.2 关于提高磁悬浮力性能的研究

4.4 样品的表征

4.4.1 样品微结构分析

4.4.2 样品的磁悬浮力

4.4.3 样品的俘获磁场分布

4.5 小结

第五章籽晶的制备

5.1 引言

5.2 NdBCO籽晶制备的意义和可行性

5.2.1 NdBCO籽晶制备的意义

5.2.2 制备NdBCO籽晶的可行性

5.3 NdBCO前驱粉的制备

5.3.1 Nd123粉体的制备

5.3.2 Nd422粉体的制备

5.4 NdBCO织构块材的制备

5.4.1 MgO籽晶的清洗

5.4.2 Nd123/Nd422混料

5.4.3 Nd422含量对NdBCO织构块材生长的影响

5.4.4 温度的选择

5.5 NdBCO织构块材的表征

5.6 NdBCO籽晶在LREBCO块材制备中的应用

第六章结论与展望

6.1结论

6.2 展望

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

致谢