CN101429019A - 一种提高单畴ybco超导块临界电流的方法 - Google Patents

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郑明辉
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Abstract

一种提高单畴YBCO超导块临界电流的方法，属于功能材料领域。其特征是在单畴YBCO超导块先驱粉中掺杂粒径20～100nm的SiO2纳米粉末，将SiO2纳米粉末按相对于YBCO超导块先驱粉的0.02～1wt％的比例加入该先驱粉末中，经球磨混合均匀后，用单轴模压成型，再采用顶部籽晶辅助熔融织构生长工艺(TSMTG)生成单畴结构的YBCO超导块。SiO2纳米粉末的制备工艺为：将正硅酸四乙酯、无水乙醇和去离子水按体积比1∶1－3∶1－3配成清澈透明溶液，经水浴、搅拌形成乳白色凝胶；再经形成干凝胶后研磨成细粉，经400－700℃焙烧0.5－2.5小时即得到粒径20～100nm的SiO2纳米粉末。本发明有效提高了单畴YBCO超导块材宽场范围内的临界电流。

Description

一种提高单畴YBCO超导块临界电流的方法
技术领域
本发明涉及一种提高单畴钇钡铜氧(YBCO)超导块临界电流的方法，属于功能材料领域。
背景技术
熔融织构YBCO超导块能够俘获高的磁场。并有希望在飞轮储能，电机转子，高性能的磁源，磁浮装置等获得运用。尽管人们已经获得了比较高的临界电流密度。但是实际工业应用需要更高的，尤其是高场下的临界电流密度。由于II型超导体的相干长度只有几个纳米。应此，这方面的努力集中在化学掺杂和添加非超导的纳米颗粒作为Y123基体的第二相。例如：一方面，非磁性离子(如Li+)替代CuO2面上的Cu离子；磁性离子(如Co3+)替代CuO2链上的Cu离子都因为可局部破坏库泊对，从而创造非常有效的δTc-型磁通钉扎中心。这种磁通钉扎中心可有效的提高临界电流密度，特别是磁场条件下的临界电流密度。另一方面，纳米尺度的Y2BaCuO5和Y2Ba4MCuOy(M＝U，Mo，W，Ta，Nb，Hf，Zr，Ru，Ag，Sb，Sn，Bi)可在Y123基体中创造孪晶、位错、堆垛层错等各种微观缺陷。而这些缺陷的密度分布导致超流电子运动的平均自由程在空间有涨落，从而可增强δ1-型磁通钉扎进而提高临界电流密度，特别是自场下的临界电流密度。此外，添加纳米尺度的ZrO2颗粒被证明是结合以上提到的两种不同类型的钉扎效果。因为：纳米ZrO2颗粒总是几乎全部转化为BaZrO3第二相，而且这种纳米第二相可在包晶生长过程中避免粗化进而增强δ1-型磁通钉扎。纳米ZrO2颗粒中不可避免的会有少量Zr4+离子进入YBCO晶格进而增强δTc-型磁通钉扎。结果，相比没有掺纳米ZrO2颗粒的样品。自场下临界电流密度可提高近20000A/cm2，遗憾的是高场(2T)下临界电流密度只提高了近5000A/cm2。而通过替代铜位高场(2T)下临界电流密度通常可提高近20000～30000A/cm2。纳米氧化物作为非常有前途的有效提高宽场范围内超导性能的添加剂。尝试掺杂其它纳米氧化物，以期待临界电流密度，特别是高场下临界电流密度能有更大的提升。
发明内容
本发明的目的是通过在单畴YBCO超导块中添加掺杂材料的方法有效提高单畴YBCO超导块宽场范围内临界电流。
一种提高单畴YBCO超导块临界电流的方法，其特征是在单畴YBCO超导块先驱粉中掺杂粒径20～100nm的SiO2纳米粉末，将SiO2纳米粉末按相对于YBCO超导块先驱粉的0.02～1wt％的比例加入该先驱粉末中，经球磨混合均匀后，用单轴模压成型，再采用顶部籽晶辅助熔融织构生长工艺(TSMTG)生成单畴结构的YBCO超导块，TSMTG是顶部籽晶辅助熔融织构生长工艺英文TopSeeded Melt Textured Growth的缩写。
先驱粉是YBa2Cu3O7-d和Y2BaCuO5混合粉，YBa2Cu3O7-d和Y2BaCuO5摩尔比为7:3。YBa2Cu3O7-d粉由Y2O3，BaCO3，CuO按1：4：6摩尔比混合，经880℃烧50小时而成，中间取出重新混合1次。Y2BaCuO5粉由Y2O3，BaCO3，CuO按1：1：1摩尔比混合，经800℃烧120小时而成，中间取出重新混合两次。
掺杂材料SiO2纳米粉末的制备工艺为：将正硅酸四乙酯、无水乙醇和去离子水按体积比1：1-3：1-3配成清澈透明溶液。经50-90℃水浴，并搅拌1-3小时。再用氨水调节PH值到8-10，继续搅拌直到形成乳白色凝胶。在空气中放置一星期后经70-90℃干燥10-30小时，可形成干凝胶。将干凝胶研磨成细粉，经400-700℃焙烧0.5-2.5小时可得到粒径20～100nm的SiO2纳米粉末。
SiO2纳米粉末相对于YBCO超导块先驱粉的添加比例在0.02～1wt％范围中能够取得好效果，超出此范围会引起性能的下降。
本发明所采用的球磨混合、单轴模压成型、顶部籽晶辅助熔融织构生长工艺(TSMTG)均为公知工艺。
本发明的优点是有效提高了单畴YBCO超导块材宽场范围内的临界电流。
附图说明
图1为不同成分YBCO单畴超导块77K下临界电流与磁场之间的关系图。其中A是未掺杂超导块，B是掺0.06wt％纳米SiO2的超导块。
具体实施方式
实施例1
将正硅酸四乙酯、无水乙醇和去离子水按体积比1：1-3：1-3配成清澈透明溶液。经50-90℃水浴，并搅拌1-3小时。再用氨水调节PH值到8-10，继续搅拌直到形成乳白色凝胶。在空气中放置一星期后经70-90℃干燥10-30小时，可形成干凝胶。将干凝胶研磨成细粉，经400-700℃焙烧0.5-2.5小时可得到粒径20～100nm的SiO2纳米粉末。
将SiO2纳米粉末按相对于YBCO超导块先驱粉的0.03wt％，0.06wt％和0.09wt％的比例加入该先驱粉末中。放入玛瑙罐中用钇稳定氧化锆球研磨。按300～400目研磨粒度配球，球料重量比约为1：1.2，研磨时间约2小时。经球磨混合均匀后，用15MPa的压强单轴模压成型。再采用顶部籽晶辅助熔融织构生长工艺(Top Seeded Melt Textured Growth，缩写为TSMTG工艺)生成三种不同成分的单畴YBCO超导块。TSMTG工艺过程和具体参数如下：将c轴取向的SmBCO或NdBCO小晶体放在模压成型的圆柱状YBCO块的顶表面中心位置，保持其c轴与园柱状材料的对称轴平行。将带有籽晶的成型块放入加热炉中，以250℃～350℃/小时的速率快速升温至1030℃±5℃，保温1～2小时后以400℃～600℃/小时的速率快速降温至1000℃～1005℃，再以0.3～0.5℃/小时的速率缓慢降温至980℃±5℃，然后以100～200℃/小时的速率冷却到室温，使YBCO块经历部分熔化后再凝固的过程，生成单畴结构的YBCO超导块。
从上述三种不同成分的单畴超导块上取样，分别测量其在77K温度下的临界电流密度(Jc)，其中掺杂0.06wt％SiO2的样品效果最好，Jc比未掺杂样品大幅度提高(见图1)。
比较例1
将YBCO粉末用单轴模压成型，再采用顶部籽晶辅助熔融织构生长工艺(TSMTG)生成单畴YBCO超导块。
测量了77K温度下单畴超导块的临界电流密度(Jc)。在图1，2，3中，未掺杂单畴超导块的曲线A分别明显低于掺杂0.06wt％的SiO2的超导块的曲线B。

Claims (2)

1、一种提高单畴YBCO超导块临界电流的方法，其特征是在单畴YBCO超导块先驱粉中掺杂粒径20～100nm的SiO2纳米粉末，将SiO2纳米粉末按相对于YBCO超导块先驱粉的0.02～1wt％的比例加入单畴YBCO超导块先驱粉末中，经球磨混合均匀后，用单轴模压成型，再采用顶部籽晶辅助熔融织构生长工艺生成单畴结构的YBCO超导块。
2、如权利要求1所述一种提高单畴YBCO超导块临界电流的方法，其特征是掺杂材料SiO2纳米粉末的制备工艺为：将正硅酸四乙酯、无水乙醇和去离子水按体积比1：1-3：1-3配成清澈透明溶液，经50-90℃水浴，并搅拌1-3小时，再用氨水调节PH值到8-10，继续搅拌直到形成乳白色凝胶；在空气中放置一星期后经70-90℃干燥10-30小时，形成干凝胶；将干凝胶研磨成细粉，经400-700℃焙烧0.5-2.5小时即得到粒径20～100nm的SiO2纳米粉末。
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