高温超导块体材料的取向外延生长及微结构控制的研究

题名:高温超导块体材料的取向外延生长及微结构控制的研究
作者:孙立杰
学位授予单位:上海交通大学
关键词:高温超导;;外延生长;;取向;;热稳定性
摘要:
 高温超导体(HTSC)自从被发现以来,其优异的性能和潜在的应用前景就一直受到科学界的广泛关注。由于结构上存在强烈各向异性,而且内部钉扎中心的存在也对超导性能有关键的影响。因此要得到具有高性能的高温超导材料,取向生长以及微结构控制的研究是必不可少的。通过控制高温超导材料的微观结构,可以Magnetic lifter有效改善内部磁通钉扎中心的尺寸与分布,减少弱连接的产生,提高临界电流密度。在众多种类的高温超导材料中,RE1Ba2Cu3O7 (REBCO, RE123,其中RE包括Y元素和Sm, Nd, Gd等稀土元素)系列高温超导块体材料因为具有生长方法简单,取向控制容易,临界电流密度大,冻结磁场强度高等特点而被广泛研究。在应用方面,REBCO块体材料具有潜在的实用价值。相比于YBCO, SmBCO和NdBCO具有更高的超导转变温度(Tc)以及强磁场下更高的临界电流密度值,因此更值得去开展研究。在块材的生长制备过程中,依然面临着一些困难：首先是缺乏合适的籽晶；其次是钉扎中心的改善；再者就是在生长中由于RE元素对Ba元素的替代而导致非超导固溶相的出现。本论文的主要科学意义在于从外延取向控制以及微观结构调整两方面,讨论了控制生长高性能SmBCO/NdBCO块材的手段及方法。在几年的研究学习过程中,本人主要取得了以下几项成果：
 一、研究NdBCO薄膜作为籽晶在块材生长中的过热特性以及应用。
 在块材生长中,YBCO薄膜作为籽晶显示出了过热的特性。NdBCO因为具有和YBCO相似的晶格结构及化学特性,有理由相信NdBCO薄膜应该也具有过热的特性。我们用NdBCO薄膜作为籽晶成功的用熔融织构法生长出NdBCO块体材料。经过分析,我们认为薄膜籽晶的高热稳定性可能和熔体内Nd元素的高饱和度,熔体中的Ba/Cu比例组分,以及薄膜表面晶粒在熔体中的粗化效应有关。研究中我们还发现,薄膜的结晶度对于薄膜籽晶的过热度有明显的影响,具有高结晶度的NdBCO薄膜由于界面能低,因此具有更高的热稳定性。考虑到NdBCO在整个REBCO系统中具有最高的包晶反应温度(Tp),因此NdBCO薄膜籽晶的使用,不仅解决了NdBCO/SmBCO块材生长中缺少合适籽晶的问题,更可以作为一种普适的籽晶选择来生长所有系列的REBCO块材。
 二、原位观察研究Sm2BaCu05(Sm211)晶须在高温下发生的的相外延关系
 利用高温金相显微镜(HTOM),我们用Sm211晶须的(010)面作为基板研究了Sm-Ba-Cu-0系统在不同热平衡温度下的相外延关系。在1100℃时,我们发现了一种微小针状相在Sm211晶须基板上的外延。通过XRD及EDS的分析,我们证实了该针状相为Sm2Ba4Cu2O9 (Sm242)相。我们认为富钡的Sm242相能够在晶须上保持亚稳态的存在,是因为外延界面的形成以及Sm242相的尺寸。当温度从高温缓降到1050℃时,我们观察到了Sm123晶粒开始在晶须表面上的外延形核。外延的Sm123和Sm211之间显示出了0°和45°两种不同的面内取向。当温度重新上升到1085℃时,发现0°晶粒在1055℃就出现熔化,而45°晶粒直到1085℃才熔化,说明45°晶粒和Sm211晶须有更好的晶格匹配,因此具有更高的热稳定性。经过晶格适配的计算以及前述的结果,我们进一步提出了Sm123与Sm242之间也可能存在外延关系。
 三、研究富钡Sm242相的添加对生长高质量Sm123块体材料的影响。
 组分控制是抑制SmBCO块材生长中Sm和Ba的替代,避免固溶体形成的有效方法。在本工作中,通过添加富钡的Sm242相,成功在空气中用熔融织构法生长出了具有高超导性能的Sm123超导块材。在生长过程中,我们使用了具有过热特性的SmBCO以及NdBCO薄膜作为籽晶来控制块材的外延取向。通过分析并优化Sm242相的添加量,我们获得了具有94K的高临界温度和小于1K的临界转变宽度(△Tc)的SmBCO块材。这是目前在空气中生长的同类样品中所获得的最高Tc值。在测量样品的临界电流密度时,我们观察到了一个相对较强的第二峰,这个第二峰的出现可能是由于Sm123内形成的组分涨落形成http://www.999magnet.com/的。此外,由于Sm242相的添加,块材中Sm211非超导相和熔体中的界面能发生了改变,在块材内的尺寸和分布也有相当的改善。
 本论文的工作,为REBCO高温超导块体材料的取向控制和微结构控制提供了新的思路和方法,并希望在将来能够实现大尺寸高性能高温超导块材的制备,以适应实际应用中的需要
学位年度:2010