CN105039715A - 再回收废弃rebco超导体块材的方法 - Google Patents

再回收废弃rebco超导体块材的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种再回收废弃的REBCO超导体块材的方法，包括以下步骤：步骤一，将废弃的REBCO超导体块材置于生长炉内进行热处理；步骤二，对所述热处理后的REBCO超导体块材进行顶面磨平处理；步骤三，将顶面磨平处理后的所述REBCO超导体块材置于生长炉中进行顶部籽晶熔融织构生长工艺，实现废弃的REBCO超导体块材的回收生长。本发明引入了热处理的工艺步骤，将废弃的REBCO块材预先经过高温再熔融的处理，并且该高温不受籽晶热稳定性的限制，可以促使废弃REBCO块材的组分的再均匀化，有利于再回收REBCO块材的性能提高，操作简单，经济高效。

Description

再回收废弃REBCO超导体块材的方法
技术领域
本发明涉及一种再回收废弃REBCO超导体块材的方法，属于超导材料再生长回收方法技术领域，尤其适用于回收具有高包晶反应温度的REBCO块材。
背景技术
自REBa2Cu3Ox(简称REBCO、RE123、稀土钡铜氧，其中RE选自Y、Gd、Sm、Nd等)超导体被发现以来，因其完全抗磁性，高临界电流密度和高冻结磁场等性质所带来的巨大商业潜能，如飞轮储能，永磁体，磁悬浮力元件等，引起了人们广泛的关注。然而，其过高的制备成本一直制约其发展，而昂贵的材料成本，如稀土元素粉末，银、铂贵金属等是造成超导超导体块材制备成本过高的因素之一。另外，REBCO块材常规的熔融批量生长工艺的失败率达30％，严重局限其大规模的利用。而这些熔融生长(MeltTexturedGrowth，简称MTG)失败的废弃REBCO块材，若能加以再回收利用，其本身含有的材料资源将为减小制备成本带来巨大功效。因此，为了追求更高的资源利用率、节约成本，如何再回收废弃的REBCO块材，一直是一个热门的研究课题。
经过对现有技术的检索发现，目前再回收利用废弃REBCO块材，主要是使用重新粉碎碾磨处理和覆盖新鲜粉末块的方法。但是，此种处理方法都存在不足之处。重新粉碎碾磨处理废弃REBCO块体的方法耗能耗时，过程复杂；并且碾磨过程中需要使用各种化学试剂，使得回收后的粉末较新鲜粉末的性能有所下降；并且，在MTG过程中需要经历更高的温度才能回收成功。覆盖新鲜粉末块的方法需要再消耗新鲜粉末，且处理过程仍有待简化。
中国发明专利CN102703981A公开了一种基于高热稳定性薄膜作籽晶的再回收废弃超导块材的方法，其先将废弃的稀土钡铜氧(REBCO)超导超导体块材顶面磨平，然后以NdBCO/YBCO/MgO薄膜作为熔融生长籽晶，将其整个废弃的块材连同籽晶一起放入炉中进行MTG生长，从而实现废弃REBCO块材的再回收。然而根据熔融织构法生长REBCO超导体块材的理论和实验结果表明，废弃的REBCO超导体块材由于多处自发形核的存在，往往导致超导体块材内部的组分分布不均，表现为：1)沿纵向分布，远离顶部籽晶的方向RE211组分越来越聚集，反之RE123组分越来越少；2)以自发形核的形核点为中心，远离该形核点的RE211组分越来越聚集，反之RE123组分越来越少。同样，超导体块材内的用于抑制组分流失的稀土元素粉末，银、铂贵金属等也存在相应的组分偏失。可以设想，该专利中，先将废弃的REBCO超导体块材顶面磨平，势必导致磨平后的REBCO超导体块材再回收时的组分与原始先驱粉体的组分存在偏差，一方面偏离最优化的组分配比，另一方面导致粉体材料的浪费。另外，该方法往往适合于废弃超导体块材的籽晶不诱导或大量自发形核的情形，对于籽晶诱导区域较大，或自发形核集中在边缘的情形，往往达不到很好的效果。
因此，探索更加经济有效的回收方法就变得很有意义。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种再回收废弃的REBCO超导体块材，尤其是回收具有高包晶反应温度的REBCO块材的方法，用于提供更经济有效的回收REBCO超导块材方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种再回收废弃的REBCO超导体块材的方法，包括以下步骤：
步骤一，将废弃的REBCO超导体块材置于生长炉内进行热处理；
步骤二，对所述热处理后的REBCO超导体块材进行顶面磨平处理；
步骤三，将顶面磨平处理后的所述REBCO超导体块材置于生长炉中进行顶部籽晶熔融织构生长工艺，实现废弃的REBCO超导体块材的回收生长。
优选地，所述热处理为使所述废弃的REBCO超导体块材的温度在1100℃～1300℃内保温1～5小时，随后随炉冷却至室温。
进一步地，所述顶部籽晶熔融织构生长工艺包括以下步骤：
将籽晶放置在所述REBCO超导体块材的磨平面的中心处，用做籽晶诱导生长；
将所述热处理后的REBCO超导体块材连同所述籽晶放入生长炉内；
使所述生长炉内的温度在第一时间内升至第一温度，保温1～3小时；
使所述生长炉内的温度在第二时间内升至第二温度，保温1～3小时；
使所述生长炉内的温度在第三时间内降至第三温度；
使所述生长炉内的温度在第四时间内降至第四温度；
最后淬火，获得REBCO超导体块材。
进一步地，所述第一时间为2～5小时，所述第一温度为900～1000℃；所述第二时间为1～3小时，所述第二温度高于所述REBCO超导体块材的包晶反应温度30～80℃；所述第三时间为0.5～1小时，所述第三温度为所述包晶反应温度；所述第四时间为10～80小时，所述第四温度为低于所述包晶反应温度5～40℃。
优选地，所述籽晶为NdBCO/YBCO/MgO薄膜籽晶。
优选地，所述籽晶的尺寸为2mm×2mm。
优选地，所述REBCO超导体块材为掺杂银的REBCO废弃超导体块材，所述RE为Sm、Gd或Y。
进一步地，REBCO废弃超导体块材还可掺杂氧化铈，铂金属等，以抑制组分流失。
本发明提供再回收废弃的REBCO超导体块材的方法，具有以下有益效果：
1、本发明再回收得到的REBCO超导体块材，以废弃的REBCO块材作为原料，通过对废弃REBCO块材加以回收再利用，有效降低REBCO超导块材制备成本，并对于节约资源、提高资源使用率产生积极作用，对生态环境保护产生积极影响。
2、本发明引入了热处理的工艺步骤，将废弃的REBCO块材预先经过高温再熔融的处理，并且该高温不受籽晶热稳定性的限制，可以促使废弃REBCO块材的组分的再均匀化，有利于再回收REBCO块材的性能提高。
3、本发明由于热处理工艺的引进，对于具有高包晶反应温度的废弃REBCO(如SmBCO、GdBCO、NdBCO等)的再回收同样适用。
4、本发明的废弃的REBCO块材经过热处理后，只需进行表面的磨平处理，以水平放置籽晶即可，无需过多的表面削平，操作简单高效，浪费材料少。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明提供一种再回收废弃的REBCO超导体块材的方法，包括：
步骤一，将废弃的REBCO超导体块材置于生长炉内进行热处理。
其中，所述热处理为使所述废弃的REBCO超导体块材的温度在1100℃～1300℃内保温1～5小时，随后随炉冷却至室温。实验中，常见的废弃REBCO超导体块材包括三种情况：1)籽晶完全不诱导，块材内几乎不存在自发形核；2)籽晶诱导范围小，块材其他区域出现大量小面积的自发形核；3)籽晶诱导范围大，块材的边缘处出现少量自发形核。对于上述三种情形，可知，其组分偏析情况依次严重。然而，由于热处理的温度不受籽晶热稳定性的限制，该温度可远高于REBCO块材的包晶反应温度，因此适用于上述三种情况，能够使得废弃REBCO块材充分熔融，组分充分再均匀化。同样，对于具有高包晶反应温度的废弃REBCO(如SmBCO、GdBCO、NdBCO等)块材，通过高温热处理，使得废弃REBCO块材充分熔融，实现组分再均匀化的效果。
步骤二，对所述热处理后的REBCO超导体块材进行顶面磨平处理；
其中，高温热处理后的REBCO超导体块材可能存在一定程度的组分流失，导致块材出现细微变形。该磨平处理主要是针对表面进行砂纸打磨，使得块材的表面平整，有利于籽晶的水平放置。可以设想，该操作相对于中国发明专利CN102703981A公开了基于高热稳定性薄膜作籽晶的再回收废弃超导块材的方法，无需过多处理，简单高效，最大程度地保留了废弃块材的原料。
步骤三，将顶面磨平处理后的所述REBCO超导体块材置于生长炉中进行顶部籽晶熔融织构生长工艺，实现废弃的REBCO超导体块材的回收生长。
具体为，将籽晶放置在热处理后的REBCO超导体块材的磨平面的中心处，再连同所述籽晶放入生长炉内；
使所述生长炉内的温度在第一时间内升至第一温度，保温1～3小时；
使所述生长炉内的温度在第二时间内升至第二温度，保温1～3小时；
使所述生长炉内的温度在第三时间内降至第三温度；
使所述生长炉内的温度在第四时间内降至第四温度；
最后淬火，获得REBCO超导体块材。
其中，将所述生长炉内的温度在2～5小时内升至900～1000℃，保温1～3小时；将所述生长炉内的温度在1～3小时内升至第二温度，所述第二温度高于所述REBCO准单晶的包晶反应温度30～80℃，保温1～3小时；将所述生长炉内的温度在0.5～1小时内降至材料的包晶反应温度附近；将所述生长炉内的温度在10～80小时内降至第四温度；所述第四温度为低于所述包晶反应温度5～409℃；最后淬火，即随着生长炉冷却，获得REBCO超导体块材。
包晶反应是指有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的(旧)固相与剩余液相(有确定成分)发生反应生成另一种(新)固相的恒温转变过程。这时恒温转变温度就是包晶反应温度。比如，本发明中按YBCO超导体块材的包晶反应温度一般为1005℃，GdBCO超导体块材的包晶反应温度一般为1045℃，SmBCO超导体块材的包晶反应温度一般为1065℃。
进一步，所述籽晶采用NdBCO/YBCO/MgO薄膜籽晶，该薄膜引入了YBCO中间缓冲层结构，更好的提升薄膜的过热性质。NdBCO/YBCO/MgO薄膜比常规的NdBCO/MgO薄膜过热度提高了20K，在诱导REBCO超导单晶块材生长中可承受高达1120℃的最高温度。该薄膜籽晶一般切割为尺寸为2mm×2mm。
实施例一
本实施例中，本实施例的一种再回收废弃的YBCO超导体块材的方法，包括如下工序：
1、将废弃的YBCO超导体块材去掉顶部籽晶后，放入生长炉内；使生长炉内的温度以4小时内升至1100℃，保温2小时；接着随炉冷却至室温，取出备用。
2、将所得YBCO超导体块材的上下表面用砂纸磨平，取尺寸为2mm×2mm的c轴取向的NdBCO/YBCO/MgO薄膜放置在YBCO超导体块材的上表面的中心处。其中，2mm×2mm表示薄膜的籽晶的长和宽均为2mm。
3、将YBCO超导体块材连同籽晶放入生长炉内，进行熔融织构生长工艺，生长炉的具体温度程序为：
a、从室温开始经过4h升温至950℃，保温2h。
b、继续加热2h，升温至1080℃，保温2h。
c、在30分钟内，快速降温至1005℃。
d、以0.2℃/h的冷却速度生长30h。
e、淬火制得YBCO超导体块材。
预期回收得到的YBCO样品为籽晶诱导的良好的单畴，4条面生长线清晰可见。回收得到的YBCO超导块材和正常生长的块材具有一致的超导性能，如：超导转变温度、冻结磁场等等。
实施例二
本实施例的一种再回收废弃的GdBCO超导体块材的方法，包括如下工序：
1、将废弃的GdBCO超导体块材去掉顶部籽晶后，放入生长炉内；使生长炉内的温度以4小时内升至1150℃，保温2小时；接着随炉冷却至室温，取出备用。
2、将所得GdBCO超导体块材的上下表面用砂纸磨平，取尺寸为2mm×2mm的c轴取向的NdBCO/YBCO/MgO薄膜放置在YBCO超导体块材的上表面的中心处。其中，2mm×2mm表示薄膜的籽晶的长和宽均为2mm。
3、将GdBCO超导体块材连同籽晶放入生长炉内，进行熔融织构生长工艺，生长炉的具体温度程序为：
a、从室温开始经过4h升温至950℃，保温2h。
b、继续加热2h，升温至1090℃，保温2h。
c、在30分钟内，快速降温至1045℃。
d、以0.25℃/h的冷却速度生长30h。
e、淬火制得GdBCO超导体块材。
预期回收得到的GdBCO样品为籽晶诱导的良好的单畴，4条面生长线清晰可见。回收得到的GdBCO超导块材和正常生长的块材具有一致的超导性能，如：超导转变温度、冻结磁场等等。
实施例三
本实施例的一种再回收废弃的SmBCO超导体块材的方法，包括如下工序：
1、将废弃的SmBCO超导体块材去掉顶部籽晶后，放入生长炉内；使生长炉内的温度以4小时内升至1200℃，保温2小时；接着随炉冷却至室温，取出备用。
2、将所得SmBCO超导体块材的上下表面用砂纸磨平，取尺寸为2mm×2mm的c轴取向的NdBCO/YBCO/MgO薄膜放置在SmBCO超导体块材的上表面的中心处。其中，2mm×2mm表示薄膜的籽晶的长和宽均为2mm。
3、将SmBCO超导体块材连同籽晶放入生长炉内，进行熔融织构生长工艺，生长炉的具体温度程序为：
a、从室温开始经过4h升温至950℃，保温2h。
b、继续加热2h，升温至1100℃，保温2h。
c、在30分钟内，快速降温至1065℃。
d、以0.15℃/h的冷却速度生长30h。
e、淬火制得SmBCO超导体块材。
预期回收得到的SmBCO样品为籽晶诱导的良好的单畴，4条面生长线清晰可见。回收得到的SmBCO超导块材和正常生长的块材具有一致的超导性能，如：超导转变温度、冻结磁场等等。
实施例四
本实施例的一种再回收废弃的SmBCO超导体块材的方法，包括如下工序：
1、将废弃的SmBCO超导体块材去掉顶部籽晶后，放入生长炉内；使生长炉内的温度以4小时内升至1200℃，保温2小时；接着随炉冷却至室温，取出备用。与实施例三不同的是，该弃的SmBCO超导体块材掺杂有Ag，以降低材料的包晶反应温度。
2、将所得SmBCO超导体块材的上下表面用砂纸磨平，取尺寸为2mm×2mm的c轴取向的NdBCO/YBCO/MgO薄膜放置在SmBCO超导体块材的上表面的中心处。其中，2mm×2mm表示薄膜的籽晶的长和宽均为2mm。
3、将SmBCO超导体块材连同籽晶放入生长炉内，进行熔融织构生长工艺，生长炉的具体温度程序为：
a、从室温开始经过4h升温至950℃，保温2h。
b、继续加热2h，升温至1100℃，保温2h。
c、在30分钟内，快速降温至1035℃。
d、以0.15℃/h的冷却速度生长30h。
e、淬火制得SmBCO超导体块材。
预期回收得到的SmBCO样品为籽晶诱导的良好的单畴，4条面生长线清晰可见。回收得到的SmBCO超导块材和正常生长的块材具有一致的超导性能，如：超导转变温度、冻结磁场等等。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种再回收废弃的REBCO超导体块材的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，将废弃的REBCO超导体块材置于生长炉内进行热处理；
步骤二，对所述热处理后的REBCO超导体块材进行顶面磨平处理；
步骤三，将顶面磨平处理后的所述REBCO超导体块材置于生长炉中进行顶部籽晶熔融织构生长工艺，实现废弃的REBCO超导体块材的回收生长。
2.根据权利要求1所述的再回收废弃的REBCO超导体块材的方法，其特征在于：所述热处理为使所述废弃的REBCO超导体块材的温度在1100℃～1300℃内保温1～5小时，随后随炉冷却至室温。
3.根据权利要求1所述的再回收废弃的REBCO超导体块材的方法，其特征在于：所述顶部籽晶熔融织构生长工艺包括以下步骤：
将籽晶放置在所述REBCO超导体块材的磨平面的中心处，用做籽晶诱导生长；
将所述热处理后的REBCO超导体块材连同所述籽晶放入生长炉内；
使所述生长炉内的温度在第一时间内升至第一温度，保温1～3小时；
使所述生长炉内的温度在第二时间内升至第二温度，保温1～3小时；
使所述生长炉内的温度在第三时间内降至第三温度；
使所述生长炉内的温度在第四时间内降至第四温度；
最后淬火，获得REBCO超导体块材。
4.根据权利要求3所述的再回收废弃的REBCO超导体块材的方法，其特征在于：所述第一时间为2～5小时，所述第一温度为900～1000℃；所述第二时间为1～3小时，所述第二温度高于所述REBCO超导体块材的包晶反应温度30～80℃；所述第三时间为0.5～1小时，所述第三温度为所述包晶反应温度；所述第四时间为10～80小时，所述第四温度为低于所述包晶反应温度5～40℃。
5.根据权利要求1所述的再回收废弃的REBCO超导体块材的方法，其特征在于：所述籽晶为NdBCO/YBCO/MgO薄膜籽晶。
6.根据权利要求5所述的再回收废弃的REBCO超导体块材的方法，其特征在于：所述籽晶的尺寸为2mm×2mm。
7.根据权利要求1所述的再回收废弃的REBCO超导体块材的方法，其特征在于：所述REBCO超导体块材为掺杂铈、银或铂的REBCO废弃超导体块材。
8.根据权利要求1所述的再回收废弃的REBCO超导体块材的方法，其特征在于：所述RE为Sm、Gd或Y。
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