低氟mod法制備ybco高溫超導(dǎo)帶材分析

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1、第一章概述4.超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)超導(dǎo)線(xiàn)圈直接將電網(wǎng)中過(guò)剩的電能經(jīng)供電勵(lì)磁所產(chǎn)生的電磁能儲(chǔ)存起來(lái)，需要時(shí)將儲(chǔ)存的電磁能轉(zhuǎn)化為電能送回電網(wǎng)即可。它具有可長(zhǎng)期無(wú)損耗的儲(chǔ)存能量，易于控制，能有效抑制電力系統(tǒng)中因短路等故障引起的功率振蕩，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。此外，高溫超導(dǎo)材料在軍事、生物醫(yī)學(xué)、交通運(yùn)輸以及航天航空等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用前景。1.3高溫超導(dǎo)帶材的發(fā)展歷史為方便高溫超導(dǎo)材料在強(qiáng)電領(lǐng)域的應(yīng)用，首先需要將其制備成具有相當(dāng)長(zhǎng)度(百米乃至千米)、能夠保持良好的電流承載能力且可卷繞的柔性帶狀材料，即高溫超導(dǎo)帶材。在高溫超導(dǎo)帶

2、材的發(fā)展歷史上已經(jīng)出現(xiàn)了兩代超導(dǎo)帶材：第一代為BSCCO超導(dǎo)帶材，亦稱(chēng)Bi系高溫超導(dǎo)帶材；第二代為YBCO超導(dǎo)帶材，即Y系高溫超導(dǎo)帶材。1.3.1Bi系高溫超導(dǎo)帶材由于Bi系高溫超導(dǎo)材料為層狀結(jié)構(gòu)，利用機(jī)械變形就能獲得良好的晶體取向，[15]因此一般采用粉末套管法(PowderInTube，PIT)就可以制備出百米乃至千米級(jí)的長(zhǎng)帶材，其制備工藝如圖1-2所示。首先將前驅(qū)粉末按一定的比例進(jìn)行配制，再將其填充于銀套管內(nèi)，并拉拔成圓形芯線(xiàn)或六角形芯線(xiàn)，接著將其截成多股芯線(xiàn)并再次裝入銀套管內(nèi)拉拔成圓形芯線(xiàn)，最后用滾輪軋制成3-5mm寬，0.2-0.3m

3、m厚的長(zhǎng)帶材。此后經(jīng)過(guò)多次形變熱處理，使其晶粒沿a-b面擇優(yōu)取向，最終獲得成品長(zhǎng)帶材。美國(guó)超導(dǎo)公司(AMSC)在Bi系高溫超導(dǎo)帶材的制備能力上處于世界領(lǐng)先地位，42其年產(chǎn)量可達(dá)1400km，帶材的最高臨界電流密度超過(guò)7.4×10A/cm(77K、自場(chǎng))，[16]臨界電流最高為170A(77K、自場(chǎng))。日本住友電氣和德國(guó)Trithor公司以其在Bi系高溫超導(dǎo)帶材制備技術(shù)方面的特有優(yōu)勢(shì)一直緊跟AMSC的步伐。此外國(guó)內(nèi)Bi系高溫超導(dǎo)帶材的研制與生產(chǎn)水平也在逐步提高，北京英納超導(dǎo)公司已制備出臨界電流達(dá)120A的短樣(77K、自場(chǎng))，并且單根長(zhǎng)帶材已超過(guò)

4、1000m，臨界電流接[17]近90A(77K、自場(chǎng))。西北有色金屬研究院研制Bi系高溫超導(dǎo)帶材的水平與北京[18]英納超導(dǎo)公司旗鼓相當(dāng)，單根500米級(jí)長(zhǎng)帶材的臨界電流可達(dá)85A(77K、自場(chǎng))。3萬(wàn)方數(shù)據(jù)電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文雖然Bi系高溫超導(dǎo)帶材的制備過(guò)程簡(jiǎn)單且技術(shù)較為成熟，容易實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，但是其在商業(yè)化應(yīng)用時(shí)存在如下缺點(diǎn)：(1)由于具有各向異性，在液氮溫區(qū)內(nèi)[19]其不可逆場(chǎng)很??；(2)在較低磁場(chǎng)下所能承載的臨界電流密度急劇下降；(3)由于制備過(guò)程中大量使用貴金屬銀，使得其工業(yè)成本難以降低。這些缺點(diǎn)極大地限制了它在電力系統(tǒng)、交通運(yùn)輸

5、以及軍事航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，因此世界各國(guó)的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向第二代高溫超導(dǎo)帶材的研制與開(kāi)發(fā)。圖1-2粉末套管法制備Bi系高溫超導(dǎo)帶材的工藝流程1.3.2Y系高溫超導(dǎo)帶材由于第二代高溫超導(dǎo)帶材是在沉積有緩沖層的柔性金屬基帶表面外延生長(zhǎng)YBCO薄膜作為超導(dǎo)層制備而成的，因此常被人們稱(chēng)作YBCO涂層導(dǎo)體(CoatedConductor，CC)或Y系高溫超導(dǎo)帶材。相對(duì)于第一代高溫超導(dǎo)帶材，Y系高溫超導(dǎo)帶材具有顯著的優(yōu)勢(shì)：(1)較高的不可逆場(chǎng)，在77K下仍可高達(dá)7T，如圖1-3所示；(2)低磁場(chǎng)下的載流能力更強(qiáng)，如圖1-4所示；(3)采用廉價(jià)的金屬

6、基帶作為基底，其工業(yè)成本更低，性?xún)r(jià)比更高。此外，Y系高溫超導(dǎo)帶材還具有機(jī)械性能好、導(dǎo)電穩(wěn)定性高、交流損耗小等更多優(yōu)勢(shì)，因而其商業(yè)應(yīng)用前景更加廣闊，在不久的將來(lái)必將逐步取代Bi系高溫超導(dǎo)帶材的主導(dǎo)地位，成為新一代高溫超導(dǎo)帶材的主流。4萬(wàn)方數(shù)據(jù)第一章概述圖1-3Y系和Bi系帶材不可逆場(chǎng)與溫度的關(guān)系圖1-4Y系和Bi系帶材磁場(chǎng)下載流能力比較1.4YBCO涂層導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)為了減小YBCO薄膜與基底的失配度、防止基底與超導(dǎo)層之間原子的互擴(kuò)散以及傳承基底的織構(gòu)，需要在基底與超導(dǎo)層之間添加緩沖層(Bufferlayer)，同時(shí)YBCO薄膜沉積結(jié)束后，為了保護(hù)超

7、導(dǎo)層以及使用時(shí)具有良好的電接觸，需要在其表面鍍上銀或銅作為保護(hù)層，因此YBCO涂層導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)一般為圖1-5所示的多層結(jié)構(gòu)。圖1-5YBCO涂層導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)5萬(wàn)方數(shù)據(jù)電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文1.4.1金屬基帶為了降低工業(yè)成本，第二代高溫超導(dǎo)帶材一般采用廉價(jià)的柔性金屬基帶作為基底，因此基底必須滿(mǎn)足耐高溫、抗氧化等要求，目前國(guó)際上用于制備金屬基帶的技術(shù)路線(xiàn)主要有以下三種：(1)軋制輔助雙軸織構(gòu)法(RollingAssistedBiaxiallyTexturedSubstrates，[20]RABiTS)RABiTS技術(shù)是目前大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)制備金

8、屬基帶時(shí)主要采用的技術(shù)路線(xiàn)，其工藝流程為先將金屬合金材料進(jìn)行軋制變形，形成1-4cm寬的帶材，再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)耐嘶馃崽幚硎蛊渚Я駜?yōu)取向，形成具有立方織構(gòu)