[發明專利]一種制備高臨界電流密度釓鋇銅氧超導薄膜的方法

無效

• 申請號: 201110269273.2
• 申請日: 2011-09-13
• 公開（公告）號: CN102442822A
• 公開（公告）日: 2012-05-09
• 發明（設計）人: 王文濤;趙勇;楊新福;蒲明華;張勇
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: C04B35/45
• 分類號: C04B35/45;C04B35/622
• 代理公司: 成都博通專利事務所 51208
• 代理人: 陳樹明

技術領域

本發明涉及一種高溫超導涂層材料的制備方法，尤其涉及一種制備高臨界電流密度釓鋇銅氧超導薄膜的制備方法。

背景技術

高溫超導涂層導體即第二代高溫超導帶材由于其在液氮溫區具有較高的臨界電流密度和不可逆場，在超導電纜、電動機、發電機、磁能存儲及磁共振成像等方面有重要應用。二代帶材主要由金屬基帶、緩沖層、超導層和保護層組成，其中超導層是帶材傳輸電流的主要通道。然而超導層的臨界電流密度隨著磁場的增加大幅度衰減的特性阻礙了高溫超導帶材的實際應用。因此需要提高超導層在磁場下的臨界電流密度。

目前，釓鋇銅氧(GdBCO)構成的超導帶材超導層的性能較為優良：釓鋇銅氧(GdBCO)超導材料具有較寬的化學組分窗口和熱處理溫度窗口以及較高的超導轉變溫度和臨界電流密度。較高的臨界電流密度是由于GdBCO材料在熱處理過程中生成Gd與Ba的納米級固溶取代相可作為有效的磁通釘扎中心。

現有制備釓鋇銅氧(GdBCO)超導帶材的方法有：真空沉積法如脈沖激光沉積(PLD)、金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)和化學溶液沉積法。其中化學溶液沉積法以其成本低，而受到廣泛的青睞。三氟醋酸鹽金屬有機物沉積法(TFA-MOD)是現有化學溶液沉積法制備摻雜GdBCO超導層的較為成熟的方法。它采用化學摻雜的方法，在GdBCO超導材料中引入納米級的富Y相粒子以及納米尺度的含鋯(Zr)的柱狀缺陷，使得超導薄膜在磁場下的臨界電流密度有了較大的提高。然而，TFA-MOD法起始原料中含氟且熱處理過程中不斷釋放HF氣體對環境造成污染，增加配套排氟設施，將會提高超導帶材的制造成本。

發明內容

本發明的目的在于提供一種制備高臨界電流密度釓鋇銅氧超導薄膜的方法，該方法成本低、工藝簡單，無環境污染，適合于工業化批量生產；由本發明方法制得的GdBCO超導薄膜具有表面平整，在磁場下的臨界電流密度高。

本發明實現其發明目的，所采用的技術方案是：一種制備高臨界電流密度釓鋇銅氧超導薄膜的方法，其具體作法是：

a、無氟前驅溶液制備：將乙酸釓、乙酸鋇、乙酸銅及乙酸鋅，按釓∶鋇∶銅∶鋅的化學計量比1∶2∶3-X∶X，0.0002≤X≤0.006的比例溶解于丙酸中，得前驅溶液；

b、無氟涂層膠體制備：在a步制備的前驅溶液中，加入高分子材料聚乙烯醇縮丁醛(PVB)或聚乙二醇(PEG)，加入的高分子材料與前驅溶液的質量比為2-8∶100，充分攪拌，得涂層膠體；

c、涂敷及干燥：將b步制備的涂層膠體涂敷于基片上，在基片上形成薄膜，在100-200℃溫度范圍內進行干燥，時間5-20分鐘；

d、熱分解處理與成相熱處理：將c步制得的帶薄膜基片進行熱分解處理后再進行成相熱處理，即得。

與現有技術相比，本發明的技術方案的有益效果是：

一、本發明方法在制備前驅液時，在其中摻入了微量的Zn元素，由于Zn替代GdBCO中CuO₂面上的Cu形成了納米級的點缺陷，局部抑制了CuO₂面的超導電性并造成體系超導電性的漲落，從而作為磁通釘扎中心提高GdBCO薄膜在磁場下的臨界電流密度。實驗證明，利用本發明方法制備的GdBCO超導層在超導轉變溫度下降較少的情況下，其磁場下的臨界電流密度顯著提高。

二、與沒有Zn摻雜的GdBCO薄膜相比，利用本發明方法摻雜后的薄膜表面懸浮的晶粒明顯減少，平整度顯著提高；而不摻雜的GdBCO薄膜表面通常會浮有較多較小的GdBCO晶粒，表面不平整。這是由于在該工藝條件下，Zn的微量摻雜促進了GdBCO薄膜中晶粒的形核以及長大，使得GdBCO晶粒之間的連接性得以改善，從而呈現出了平整的表面形貌。平整的表面形貌進一步增強了GdBCO薄膜的超導性能，也提高了臨界電流密度。

三、本發明方法在整個制備過程中，所有初始原料中均不含氟等污染物，對環境無污染，且所有原料均便宜易得，制作成本低，而且容易控制和便于調整摻雜物配比，適合工業化批量生產。

上述d步中的熱分解處理的具體作法為：將c步干燥后的帶薄膜基片置于管式爐中，在氬氣氣氛保護下，以1-5℃/min從室溫升至100-150℃；然后向爐中通入露點為10-20℃的水蒸汽，同時通入氬氣，以0.25-1.5℃/min的速度升溫至450-500℃，保溫0.5-2小時；隨后再在氬氣氣氛中，自然冷卻至室溫。