CN1045483A - 超导体制件 - Google Patents

Abstract

一种超导体制件，包括由镍或镍合金制成的基体，以及在该基体表面所形成的含有Cu_XO_Y基的一种复合氧化物超导体材料的膜。所述的超导体制件上，该复合氧化物超导材料的膜几乎完全不产生开裂，并且该复合氧化物超导材料中的氧几乎完全未被该基体所吸收。

Description

本发明涉及一种超导体制件，该制件包括一个基体和一种超导体的薄膜，并将该膜成形于该基体之上。

超导材料已在粒子加速器、医疗诊断仪等等之中以超导磁体的形式付诸实际应用。超导材料的其他潜在用途包括发电机、能量贮存器、线性机动车、磁力分离器、核熔融反应堆、输电电缆以及磁性屏蔽器。此外，预期应用Josephson效应的超导元件可应用于这样一些领域，如超高速计算机、红外传感器以及低噪声放大器。在这些可能的用途付诸实现之后，对于工业界及社会带来的变化是不可估量的。

迄今为止已研制的一种典型超导材料是一种Nb-Ti合金，目前已广泛用作为磁化导线。该种Nb-Ti合金的临界温度（产生超导态的临界温度，后文中简称为Tc）为9°K。已研制的Tc高于Nb-Ti合金的Tc的化合物型超导材料，包括一种Nb₃Sn（Tc：18°K）和V₃Ga（Tc：15°K），这些现已以导线的形式应用。

关于Tc比上述合金型和化合物型超导材料的Tc更高的超导材料，最近已研制成含有Cu_xO_y基的复合氧化物基的超导材料。例如，Y-Ba-Cu-O型超导材料的Tc约为93°K。由于液氮的温度为77°K，若能使用液氮作为复合氧化物超导材料的冷却介质，则比用液氦便宜得多。

在图1中示出一种常规式应用复合氧化物超导材料的超导体制件1，它包括铜制的基体2和上述超导材料的膜3，该膜是应用已知的利用下述等离子体现象的金属化方法而成形于基体2之上。

然而，上述的常规式超导体制件1存在以下问题：已知在一种复合氧化物超导材料如Y₁Ba₂Cu₃O_7-y之中，增加氧的量即减小y，引致不可能得到具有高Tc和高临界电流密度（后文中简称为Jc）的超导材料膜3，亦即不能具备优等超导性质。当超导材料于该基体2的表面进行金属化时，以及在金属化之后加热该超导材料膜3时，从该超导材料中失去氧，使得该超导材料中的y值增大。因此在常规的制法中，为使该超导材料的y值减小，于加热至950℃并形成超导材料的膜3之后，以每分钟不超过20℃的慢速来冷却，使该超导材料吸收氧。将膜3加热的目的是使该超导材料具均匀结构，增强晶粒界面的结合强度，并增大该基体与膜3的粘附强度。然而，由于基体2与超导材料膜3的热膨胀系数不同，所以在该超导材料金属化过程中，以及在金属化之后按上述进行超导材料膜3的热处理过程中，都会引起开裂。由于铜制的基体2容易氧化，于是在上述金属化之后对该超导材料膜3进行热处理时，该超导材料中的氧被吸收到基体2中，因此常常不能够制成具有优等超导性质的超导材料膜3。

在此等情况下，亟需研制出这样的超导体制件，要在该复合氧化物超导材料在该基体的表面形成膜的过程中，以及该膜的热处理过程中，不要发生该膜的开裂，并且在该膜的热处理过程中，使该复合氧化物超导材料中的氧几乎不会被吸收到该基体中。但是，这样的超导体制件迄今尚未能提出来。

本发明的目的是提供一种超导体制件，在这种制件上，当该复合氧化物超导材料在基体表面形成膜的过程中，以及该膜在热处理过程中，不致发生开裂，并且在该膜的热处理过程中，该复合氧化物超导材料中的氧几乎不会被该基体所吸收。

按本发明的特征之一，是含有以下部分的一种超导体制件：

一个基体;

含有一种Cu_xO_y基的复合氧化物超导材料膜，并成形于所述基体之上;

其所提供的改进特征在于：

所述基体是由镍和一种镍合金中的任何一种所制成。

图1    是常规式超导体制件的剖面图;

图2    是本发明的超导体制件的剖面图;

图3    是利用等离子体现象的已知金属化方法的示意图，该方法可用于制备本发明的超导体制件;

图4    是利用激光射束的已知汽相淀积方法的示意图，该方法可用于制备本发明的超导体制件;

图5    是对本发明的超导体制件中该超导材料膜的粘附强度进行试验的示意剖面图。

从上述的观点出发，通过广泛的研究工作来研制这样一种超导体制件，使得在该复合氧化物超导材料在基体表面形成膜的过程中，以及该膜在热处理过程中，不致发生开裂，并且在该膜热处理过程中，该复合氧化物超导材料中的氧几乎不会被该基体所吸收。研究的结果，发现以下各点：通过使用由镍和镍合金中任一种所制的基体，有可能制得这样一种超导体制件，该制件上的膜在该复合氧化物超导材料在基体表面形成膜的过程中，以及该膜在热处理过程中，不致发生开裂，并在该膜热处理过程中，该复合氧化物超导材料中的氧几乎不会被该基体所吸收。

本发明即为以上述发现为基础而完成的，其特征在于一种基体是由镍和镍合金中任一种所制成，并且在该基体表面所形成的膜包含一种含有Cu_xO_y基的复合氧化物超导材料。

于下文中对本发明的超导体制件参照附图来说明。

图2是本发明的超导体制件的剖面图。如图2所示，本发明的超导材料体制件4包括一个由镍和镍合金中任一种所制的基体5，以及由含有Cu_xO_y基的一种复合氧化物超导材料于基体5表面所形成的膜3。

在按本发明的超导体制件中，由于基体5是由镍和镍合金中任何一种所制成，使得该制件上的膜3在该复合氧化物超导材料在基体5的表面形成膜3的过程中，以及该膜3在热处理过程中不发生开裂。这可以归因于由镍和合金中任一种所制基体5的热膨胀系数基本上等于该超导材料膜3的热膨胀系数。由于基体5是由镍和镍合金中任一种所制成，并且在膜3热处理过程中，膜3的复合氧化物超导材料中的氧几乎不会被基体5所吸收。这是因为由镍和镍合金中任一种所制的基体5与常规所用的铜制基体相比，更不容易被氧化。

至于上述的镍合金，例如是使用一种镍与铬的合金。

下面参照附图来描述可用于制造本发明的超导体制件的某些已知方法。

图3是利用等离子体现象的已知金属化方法，制造本发明的超导体制件的示意图。在图3中，6是在容器7中装备的金属化喷嘴，8是一个压力罐，用以贮存工作气体，9是超导材料粉末的贮槽，5是置于容器7之内竖向放置的基体，并使之面对金属化喷咀6，10是在容器7外面装设的电源装置。

如图3所示，将一种惰性气体，例如氩作为工作气体连续地从压力罐8送出，通过金属化喷嘴6的后部进入其空腔6A。将复合氧化物超导材料粉末，例如含有Cu_xO_y基的Y₁Ba₂Cu₃O_7-y从贮槽9连续送出，通过金属化喷嘴6的尖端部分而进入其空腔6A。由电源装置10向插入在空腔6A后端部的电极11供电，在电极11和空腔6A的内表面6B之间产生电弧，将供入空腔6A的工作气体转变成高温等离子体。供入该金属化喷咀6的空腔6A的超导材料粉末被已转化为高温等离子体的工作气体所熔化。已经熔化的超导材料粉末被已转化为高温等离子体的工作气体的喷射流从金属化喷咀6均匀地喷出，喷到置于容器7之中并安置成面对金属化喷咀6的镍或镍合金所制的基体表面上，从而在该基体5的表面上形成该超导材料的膜3，用以制造本发明的超导体制件4。

然后，将基体5的表面上形成的复合氧化物超导材料膜3加热至约950℃，然后以每小时不超过20℃的速率慢速冷却该膜3，使该超导材料吸收氧。

如上所述的按本发明的超导材料体制件4，由于其基体5是由镍和镍合金中任一种所制成，使得该基体5的表面上形成该复合氧化物超导材料的膜3的过程中，以及该膜3热处理过程中，都不会使膜3发生开裂，并且在该热处理过程中，该复合氧化物超导材料中的氧几乎不会被基体5所吸收。于是就可以得到这样的超导体制件4，该制件包括基体5和在基体5表面上形成的具优等超导性质的膜3。

下面参照附图来描述本发明可用的制造该超导体制件的另一方法。

图4是应用激光射束的已知汽相淀积方法的示意剖面图，该方法可用于制造本发明的超导体制件。在图4中，12是复合氧化物超导材料的汽化源，此装置是安装在一个容器13中;5是水平放置的基体，并使其位于该汽化源12之上;14是一个激光射束源，它向容器13内的汽化源12射出一个激光射束15。

如图4所示，激光射束15从激光射束源14射出，通过容器13上面的一个聚光透镜16，射向该汽化源12，从而在容器13之内产生该复合氧化物超导材料（例如含有Cu_xO_y基的Y₁Ba₂Cu₃O_7-y）。该汽化源12被激光射束15加热到高温，从而产生该复合氧化物超导材料的蒸汽，这些蒸汽进一步附着在基体5的表面上，从而在该基体5表面上形成该超导材料的膜3，这样来制造本发明的超导体制件4。

然后，在基体5的表面上所形成的复合氧化物超导材料膜3进一步加热至约950℃，然后使膜3以每分钟不超过20℃的速率降温，使得该超导材料吸收氧。

如此制成的按本发明的超导体制件4，例如按上面介绍的利用等离子体现象的金属化方法所制成的按本发明的该超导体制件，就有可能制成这样一种超导体制件，其中包括基体5和在该基体5表面上形成的具优等超导性质的膜3。

下面通过实例来进一步说明本发明的超导体制件。

实例1

如图3所示，由镍制成的基体5，横宽度30毫米，纵宽度20毫米，厚度1.0毫米以竖向置于容器7中并面向金属化喷咀6。将氩气作为工作气体，将之从压力罐8中连续地通过该金属化喷咀的后端部，进入该喷咀的空腔6A，同时保持容器7中的压力为60乇。将粒度为10-100微米的复合氧化物超导材料（包含Y₁Ba₂Cu₃O_7-y）粉末从容器9连续地从该金属化喷咀6的端部供入，并进入其空腔6A。由容器7外边的电源装置10将25千瓦电力供给电极11，该电极是插在该金属喷咀6的空腔6A的后端部，从而在电极11和该金属化喷咀6的内腔6A的内表面6B之间产生一个电弧，从而将供给到空腔6A的工作气体转化为为高温等离子体。供给到金属化喷咀6的空腔6A的超导材料粉末被已转变为高温等离子体的工作气体所熔化。已熔化的超导材料粉末被已转变为高温等离子体的工作气体喷射流均匀地从金属化喷咀6喷出，喷到基体5的表面上，从而在基体5的表面上形成厚度为150微米的超导材料膜3，用以制备本发明的超导体制件4。

然后，将基体5表面上形成的超导材料膜3于容器7以外的电炉中在含氧气氛下加热至930℃，历时30分钟（此设备未示出），然后以20℃/分钟的速率慢速降温至室温。

然后，测定该超导材料的膜3的临界温度Tc和出现Meissner效应的温度。测定结果，膜3的临界温度Tc为85°K，出现Meissner效应为77°K。

下一步考察所形成的膜3的开裂情况和膜3的强度。测定膜3的强度时，按图5所示对超导体制件4的试样进行三点式弯曲试验，评价达到怎样的弯曲角度膜3上开始产生开裂，用以评价膜3的强度。考察结果，在膜3上未观察到有开裂发生，并且弯曲角度达到4.4度之前，未发生开裂。

实例2

如图4所示，基体5由Ni-Co合金制成，横向宽度30毫米，纵向宽度20毫米，厚度1.0毫米，以水平向放在容器13内复合氧化物超导材料的汽化源12之上方。将CO₂气体激光射束15从容器13之外的激光射束源14连续地射出，通过容器13内的聚光透镜16射向汽化源12，用以产生该复合氧化物超导材料（如含Cu_xO_y基的Y₁Ba₂Cu₃O_7-y）的蒸汽，同时保持容器13内的压力为10^-1乇。利用激光射束15将该汽化源12加热至高温，使之产生该复合氧化物超导材料的蒸汽，这些蒸汽进一步附着在该基体5的表面上，从而在该基体5的表面上形成厚度5微米的该超导材料的膜3，用以制取本发明的超导体制件4。

然后，将基体5表面上形成的超导材料膜3按实例1的相同条件进行热处理。

下一步，考察该超导材料膜3的临界温度Tc和出现Meissner效应的温度。结果，该膜3的临界温度Tc为88°K，出现Meissner效应的温度为77°K。

下一步是考察该超导材料膜3的开裂情况和膜3的强度。按实例1的相同方式测试评价膜3的强度。结果，在膜3上未观察到开裂，并且弯曲角度达到8.1度之前，未发生开裂。

如前所详述，由于按照本发明是使用由镍和镍合金中任一种制成基体，当在该基体的表面上形成该复合氧化物超导材料膜时，以及对该膜进行热处理时，所述的膜均未发生开裂，并且在该膜的热处理过程中，该复合氧化物超导材料中的氧几乎未被该基体所吸收。因此就有可能制得这样的超导体制件，包括一个基体和在该基体的表面上形成具有优等超导性质的膜，这样的超导体制件提供了工业上有用的效果。

Claims (1)

1、一种超导体制件，该制件包括：

一个基体；

在所述基体的表面上形成的含有Cu_xO_y基的一种复合氧化物超导材料的膜；

其改进特征在于：

所述的基体是由镍和一种镍合金之中任一种所制成。

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