[發明專利]一種簡化的高效低成本高溫超導長帶退火方法

有效

• 申請號: 201210139728.3
• 申請日: 2012-05-08
• 公開（公告）號: CN102682919A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 李貽杰
• 申請（專利權）人: 上海超導科技股份有限公司
• 主分類號: H01B13/00
• 分類號: H01B13/00
• 代理公司: 上海信好專利代理事務所(普通合伙) 31249
• 代理人: 張妍

技術領域

本發明涉及一種簡化的高效低成本高溫超導長帶退火方法。

背景技術

自從1986年新型氧化物高溫超導體發現以來，該領域已經取得了很大的進展。由于釔鋇銅氧超導體(YBCO)在液氮溫區(77K)具有非常高的不可逆場,用這種材料制成的帶材在高場中具有很強的高載流能力，使得它在電力應用,如傳輸電纜、電機、儲能和磁體等諸多方面具有廣闊的應用前景。

與傳統的金屬低溫超導體相比，高溫超導體屬于氧化物材料，就其機械性能而言，屬“氧化物陶瓷”系列，所以，與傳統的低溫超導材料相比不易加工成各種應用所需的線材或帶材，故無法在能源、電力、醫療、和軍工領域大規模應用。為了解決高溫超導材料不易加工成線材這一難題，科學家們首先采用的方法是“銀包套”方法，稱之為第一代高溫超導帶材。“銀包套”方法的原理是將鉍系高溫超導粉末灌入空心銀套筒中，經過拉伸及加壓等工藝加工成4毫米寬0.2毫米厚的銀包套高溫超導帶材。經過“銀包套”方法加工的高溫超導帶材具有很好的柔軟性，可用于制造高溫超導電纜、超導線圈、超導發電機、超導馬達、超導變壓器、超導限流器等各種設備。第一代高溫超導帶材以鉍系（鉍為鍶為鈣為銅為氧）高溫超導材料為主。目前，由鉍系氧化物（BSCCO）制成的第一代高溫超導帶材（又稱鉍系帶材）已邁向商品化，但由于原材料銀的成本相當昂貴，故采用銀包套法制成的第一代高溫超導帶材的成本很高。另外，由于其它普通金屬套筒材料（銅、鋁、不銹鋼、各類合金等）會與超導粉料發生化學反應，無法替代昂貴的原材料銀，這使得采用銀包套法制成的第一代高溫超導帶材難以實現大規模商業化應用。

為了實現稀土氧化物高溫超導材料的商業化大規模應用，解決高溫超導材料不易加工成線材這一難題的另一種途徑是鍍膜法，即采用各種鍍膜手段在很薄（40－100微米）的傳統金屬基帶（鎳基合金或不銹鋼等其它合金）上鍍一層大約1到幾個微米厚的稀土氧化物高溫超導薄膜。采用鍍膜方法制備的稀土氧化物高溫超導帶材稱之為第二代高溫超導帶材，以釔鋇銅氧為代表。

與“銀包套”法技術研制的第一代高溫超導帶材相比，第二代高溫超導帶材具有更優越的超導性能，因為采用鍍膜方法形成的釔鋇銅氧高溫超導帶材具有幾乎完美的單晶結構，所以具有很強的超導電流傳輸能力。與傳統的銅導線相比，相同橫截面積超導帶材的載流能力是銅導線的幾百倍。而金屬基帶的成本很低，故隨著研發水平的提高，第二代高溫超導帶材的成本將會大大降低。近年來由于石油、貴金屬、有色金屬等原材料價格的大幅上漲，使第二代高溫超導帶材的成本目標更容易實現。

第二代高溫超導帶材的主要研發方向是具有實用化價值的公里級長帶的規模化加工制備技術。近年來，美國、日本、歐洲在千米級第二代高溫超導帶材制備技術上取得了很大進展，并已開始規模化生產和應用。

第二代高溫超導帶材的制備工藝流程主要包括金屬基帶制備、功能層多層膜制備以及后處理退火工藝。以釔鋇銅氧為代表的稀土氧化物超導體其結構和超導性能與氧含量非常密切。就超導層制備工藝而言，分為兩大類，一類為原位外延生長制備工藝。在原位外延生長制備超導層的工藝過程中，通過加熱器金屬基帶處在高溫狀態下，超導層生長溫度在700-850℃之間。在金屬基帶上沉積的超導膜以外延生長的形式可直接一次性形成具有單一取向和面內織構度的準單晶結構。另一類為二次成相制備工藝。在二次成相制備超導層的工藝過程中，超導層的初始狀態為非晶態。然后將已沉積的非晶態超導膜在高溫退火爐中進行退火處理以形成所需的準單晶結構，非晶態超導層結晶化的退火溫度為800-900℃。?無論是一次成相制備的超導層還是二次成相制備的超導層，其晶體結構均為四方相（YBa₂Cu₃O_7-δ，δ>0.65）。就稀土氧化物而言，四方相為缺氧態，不具有超導性能。只有氧含量較高的正交相（YBa₂Cu₃O_7-δ，δ<0.2）才具有超導性能。因此為了獲得優越的超導性能，無論采用哪種工藝制備的稀土氧化物高溫超導帶材都必須在純氧氣氛爐內進行退火處理，盡量增加稀土氧化物高溫超導層內的氧含量。以釔鋇銅氧為代表的稀土氧化物高溫超導體最佳吸氧溫度為450-500℃，氧氣壓為1個標準大氣壓，退火時間為1小時以上。?