CN106716659A - 用于制造带状高温超导体的前体和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于制造带材形式的高温超导体(HTS)的前体(1)，其包含具有第一带材面(11)和第二带材面(12)的带材形式的金属基底(10)，其中在第一带材面(11)上，(a)所述基底(10)具有作为用于缓冲层或HTS层的结晶配向生长的模板的限定纹理和(b)在所述基底(10)的暴露表面或存在选自如下的一个或多个层(20,30)：缓冲前体层、热解的缓冲前体层、缓冲层、HTS前体层、热解的HTS缓冲前体层和热解并进一步固结的HTS缓冲前体层，和在第二带材面(12)上，存在至少一个保护所述基底(10)免受氧化的陶瓷阻隔层(40)或在HTS结晶退火或热解过程中转化成这样的层的前体，其中，若在第一带材面(11)上存在一个或多个层(20,30)，所述陶瓷阻隔层(40)或其前体具有与布置在第一带材面(11)上并直接毗连所述基底(10)的层(20)不同的化学组成和/或不同的纹理。在这种情况中，所述阻隔层(40)是延迟或防止氧气侵入第二带材面(12)并由导电陶瓷材料构成的层，或在HTS结晶退火或热解过程中转化成这样的层的前体，且所述陶瓷材料是导电金属氧化物或金属氧化物的导电混合物，其中所述导电金属氧化物或所述导电混合物中的一种或多种金属氧化物优选是被外来金属掺杂的金属氧化物。
Description
技术领域
本发明涉及用于制造带材形式的高温超导体(HTS)的前体和方法，和可通过这种方法获得的带材形式的HTS。
现有技术
带材形式的高温超导体，也称作涂覆导体，包含带材形式的载体基底(通常由金属，包括贵金属、金属合金或金属复合材料构成，下文也被称作“金属的”)，在其上施加至少一个超导功能层，任选在施加一个或多个中间层或缓冲层后施加。
涂覆导体制造中的一个基本方面是要求超导层必须具有极高纹理(Textur)，即结晶取向。超导层的各个微晶相对于彼此可能仅轻微倾斜，以不损害在宏观长度上的超导性质(High Temperature Superconductivity 1:Materials,A.V.Narlikar(ed.)Springer-Verlag,2004,115-167)。
为了实现这样的高纹理度，依循两种不同的制造方法。在这两种方法中，都使用金属基底，因为只有这样才能实现后续使用所需的强度和同时实现最终产品的挠性。此外，在这两种方法中，在沉积超导层之前，都制造至少一个纹理化(texturierte)中间层或缓冲层，以在沉积超导层时将其纹理转移到超导层。
在第一种方法中，使用其结晶取向还不是特别合适的金属基底作为原材料，并随后在其上施加具有所需取向的缓冲层。这样的定向沉积只能借助物理涂布法，例如离子束辅助沉积(IBAD)和倾斜基底沉积(ISD)在高真空下实施。这些方法伴随着高装置复杂度。
在第二种方法中，金属基底本身通过特定方法纹理化(参见例如DE 101 43 680C1、CN 1 117 879 C、DE 100 05 861 A1)。然后将金属基底的这种纹理转移到缓冲层并在后续步骤中从此处转移到超导层。由于不必使用定向沉积法施加进一步的层，在此可以使用物理方法或特别是化学方法，如化学溶液沉积(CSD)。
JP 2011 113662 A公开了“用于薄膜超导线网的金属基础材料、其制造方法和制造薄膜超导线的方法”(摘要的标题)。根据摘要，所述金属基础材料具有在超导线网的相反面上的两个陶瓷层。这两个陶瓷层通过在薄膜沉积装置中加热金属基底制成。
DE 101 59 646 C1公开了“用高温超导体材料仅单面涂布平面基底的方法”(标题)。基底已施加到高温超导体材料的仅一面上。该基底在高温超导体材料的背面上形成平坦化层(段落[0011]至[0013]、[0020]和图1)。
DE 10 2013 210 940 B3公开了“用于制造具有高过渡温度的超导层的工业基底的涂布”(标题)。另外公开了在用于随后制造高温超导体带材导体的带材基底上施加平滑层的方法，其具有步骤：(a)将包含聚硅氮烷的液体施加到带材基底的至少一面上；和(b)将包含聚硅氮烷的液体加热到≥450℃的温度以沉积层。
在设备方面和在运行成本两方面，化学方法如CSD法特别经济可行，因为它们通常在标准压力下操作并能够实现高沉积速率。当今的开发研究因此集中于涂覆导体的制造方法，其中经由化学沉积在纹理化金属基底上首先施加一个或多个缓冲层，然后施加超导层。预先施加并热解的每层的随后结晶实现这样的效果：在每种情况下紧邻的下方的纹理化层或金属基底的纹理被转移。
缓冲层的一个功能是防止金属基底被氧化腐蚀，所述氧化腐蚀会导致至少在金属表面的取向损失；其次，必须防止金属离子如镍或铁扩散到超导层中，以不损害其质量。在最糟糕的情况下，该材料的超导性质会丧失。
但是，在用于最后施加的HTS前体层的结晶的HTS前体的最终HTS结晶退火中(或甚至在HTS前体层或缓冲层的热解中)，该热处理中的所用高温和氧气氛和在一些情况下湿气氛会对纹理化金属基底造成破坏，尤其是通过氧化过程。这在正面(第一带材面)上不一定有害，只要已在其上施加已附着的缓冲层(尤其是非导电缓冲层)并另外仍可经背面电连接。
发明目的
因此本发明的一个目的是保护HTS前体，尤其是带材背面(第二带材面)在HTS结晶退火过程中或甚至在热解过程中免受氧化过程损害。同时，优选不阻碍电连接。
发明主题
根据本发明，这一目的通过根据所附权利要求的前体和通过相应的方法和相应的带材形式的HTS实现。
本发明(总体上)涉及用于制造带材形式的高温超导体(HTS)的前体，其包含
带材形式的金属基底，其具有第一带材面和第二带材面，其中，
在第一带材面上，
(a)所述基底具有作为用于缓冲层或HTS层的结晶配向生长的模板的限定纹理，
和
(b)存在所述基底的暴露表面或存在选自如下的一个或多个层：缓冲前体层、热解的缓冲前体层、缓冲层、HTS前体层、热解的HTS缓冲前体层和热解并进一步固结的HTS缓冲前体层，
和
在第二带材面上，存在至少一个保护所述基底免受氧化的陶瓷阻隔层或在HTS结晶退火或热解过程中转化成这样的层的前体，
其中，当在第一带材面上存在一个或多个层时，所述陶瓷阻隔层或其前体具有与布置在第一带材面上并直接毗连所述基底的层不同的化学组成和/或不同的纹理。
借助根据本发明构思的在HTS前体层(或布置在下方的缓冲层)的施加或热解之前或在HTS的最终热处理或缓冲层结晶退火之前在HTS前体的金属下侧施加至少一个陶瓷阻隔层或其前体的措施，可以以惊人简单和有效的方式防止纹理化金属基底(例如镍-钨合金)，尤其是其下侧经受氧化过程。
在这种情况下，HTS前体的金属基底的背面(＝第二带材面)上的陶瓷阻隔层在HTS前体层(或布置在下方的缓冲层)的热解或最终HTS热解或缓冲层结晶退火过程中不仅可发挥保护基底下侧免受氧化并因此保持其机械和电性质的作用，还促进了在退火气氛中建立所需氧气分压，这是因为抑制了原本依赖于停留时间的未受保护的金属基底的氧气消耗。
优选在第一带材面上存在单独缓冲层并且该缓冲层已通过外延方式生长，或优选在第一带材面上已通过外延方式生长两个或更多个缓冲层。
在这种情况下预计陶瓷阻隔层或其前体具有与布置在第一带材面上的任何单独缓冲层或毗邻基底的任何两个或更多个缓冲层中的任一个不同的化学组成和/或不同的纹理。
根据本发明，陶瓷阻隔层是延迟或防止氧气侵入第二带材面的导电陶瓷材料层(该陶瓷材料是金属氧化物或金属氧化物的混合物)，或使用在HTS结晶退火或热解过程中转化成这样的阻隔层的前体。
根据本发明预计该陶瓷材料是导电金属氧化物或金属氧化物的导电混合物，该导电金属氧化物或该导电混合物中的一种或多种金属氧化物优选是被外来金属掺杂的金属氧化物。
该被外来金属掺杂的导电金属氧化物优选选自掺杂的氧化锌(优选Al掺杂的氧化锌)、掺杂的氧化铟(优选Sn掺杂的氧化铟，例如90％In2O3、10％SnO2)、铌掺杂的钛酸锶和掺杂镍酸镧。术语“传导”和“传导性”在本申请始终是是指导电性。
在HTS结晶退火后，在连接分路器前不需要再除去第二带材面上的任何导电陶瓷阻隔层，因为在第二带材面上存在导电性。
被外来金属掺杂的金属氧化物的掺杂水平优选为至少1％，基于阻隔层中的金属离子总数。被外来金属掺杂的金属氧化物的掺杂水平更优选为至少5％。
在另一种使用由非导电金属氧化物构成的陶瓷阻隔层的情况下，这种由非导电金属氧化物构成的层优选是在HTS结晶退火后易去除的。下面参照优选方法进一步给出关于这一方面的细节。在阻隔层的导电能力不足，同时在HTS面上使用至少一个本身不够导电的缓冲层的情况下，除去该阻隔层或氧化物层是必要的，以恢复与该层结构成直角的导电性和因此该HTS的电连接能力。
在此特别优选地，由非导电金属氧化物构成的层的厚度不大于基底厚度的10％。非导电金属氧化物优选选自锆酸镧(例如La2Zr2O7)、氧化钇(例如Y2O3)、铝酸镧(例如LaAlO3)、钛酸锶(例如SrTiO3)和钛酸钙(例如CaTiO3)。此处的一个重要的选择标准除气密性外还有抗划伤性以保证在RTR炉中的可加工性。缩写RTR(“卷到卷(reel-to-reel)”)在此是指加工以卷到卷连续进行而非以分批法进行。
本发明还涉及制造带材形式的HTS的方法，其具有下列步骤：
-提供或制造本发明的前体(如上所述的，优选如上文指定为优选的，尤其优选如权利要求书中定义的那些)，
其中在第一带材面上存在热解的HTS前体层，
-将所述前体结晶退火。
在本发明的方法中，陶瓷阻隔层优选通过CSD(化学溶液沉积)法施加到金属基底上。
由于在该说明书的引言部分中已提到的原因，CSD法特别经济可行。
这种CSD法优选选自浸涂、狭缝涂布和印刷以及随后热处理。
在非导电陶瓷阻隔层的施加中优选使用CSD法，尤其是通过毛毡经弯月面狭缝涂布。
另外优选的是具有下列附加步骤的本发明的方法：通过优选机械途径除去陶瓷阻隔层。这样的工艺配置尤其在使用导电性不足的阻隔层的情况下是有利的。特别优选以这样的方式除去阻隔层：在除去阻隔层的过程中不将带材形式的金属基底加热到超过100℃的温度。此外，应该避免基底中的位错延续到HTS面。由此，可以以特别经济可行的方式实现阻隔层的剥离并可另外足够精确地控制以将剥离限于最小限度并仅在极小程度上损伤由此再次暴露出的金属基底。更特别地，应该排除对HTS层的破坏。
优选通过用金刚石悬浮液磨擦或通过喷砂清洁实现陶瓷阻隔层的除去。
根据本发明，还可能的是通过CMP(化学-机械抛光，也称作化学-机械平面化)实现陶瓷阻隔层的去除，例如使用Al2O3/水进行。
最后，本发明还涉及可通过本发明的方法获得的带材形式的HTS。
不同于在金属基底的第一带材面上的所述层，根据本发明构思的陶瓷阻隔层不需要取向，因为其不需要转移任何纹理。但是，该阻隔层应该足够不透以基本防止金属在HTS结晶退火过程中受到氧化侵袭；这样的侵袭可改变金属基底的机械强度和电导率和热导率。
在本发明的前体中，也可以提供多个相邻阻隔层，在这种情况下这样的前体例如如下所述来制造，
-首先，在第二带材面上，施加延迟或防止氧气侵入第一带材面的(根据所附权利要求的)导电或(替代性地)非导电陶瓷材料的第一阻隔层(陶瓷材料优选是金属氧化物或金属氧化物的混合物)，或施加在HTS结晶退火或热解过程中转化成这样的第一阻隔层的涂层
然后
-在该第一阻隔层上施加(优选易剥离和/或非导电的)第二阻隔层。如果这两个组件层之一由导电性不足的材料构成，通常在HTS退火后必须再除去至少该组件层。
陶瓷阻隔层可由用于该金属基底的表面上存在的任何缓冲层或HTS层的材料之一构成(但是，在这种情况下，其具有与布置在第一面上的直接毗连基底的层不同的化学组成和/或不同的纹理)，也可由不同的材料构成。如已经提到，该陶瓷阻隔层是延迟或防止氧气侵入第二带材面的(根据所附权利要求的)导电或(替代性地)非导电金属氧化物的层，或在HTS结晶退火过程中转化成这样的层。当阻隔层由足够不透氧的金属构成时，其优选是比用于金属基底的合金的成分更不活跃(edler)的金属或易形成密封氧化物皮层。
该阻隔层在本发明的前体的常规HTS结晶退火之前不需要一定表现出其最终改性或化学计量。在具体情况中可能完全可接受或合意的是在本发明的HTS前体的热处理过程中进行进一步氧化或结晶。
在导电材料用于阻隔层的情况下，可以在带材形式的HTS与稍后连接的金属分路器的电连接中由此获得额外益处。当使用至少一种非导电氧化物作为金属基底和第一带材面(HTS面)上的HTS层之间的缓冲层时，这尤其有利。
一个特殊情况是，使用导电氧化物作为阻隔层材料，例如外来金属掺杂的金属氧化物，例如铝掺杂的氧化锌或锡掺杂的氧化锌，在这种情况下可提供至少1％，更优选至少5％的掺杂水平。掺杂将材料的电导率提高到例如10-4至10-5ohm/cm。另一替代方案是使用固有地已提供金属电导性的金属氧化物层，例如镧-氧化镍层。
根据本发明使用的陶瓷(氧化物)阻隔层优选具有>10-8Scm-1，优选>10-6Scm-1的电导率。
作为使用导电层的替代方案(如所附权利要求所述)，在HTS结晶退火之前可以为金属基底的第二带材面(背面)提供任何氧化物或非导电阻隔层。然后恢复对后续使用而言必需的在金属基底的第一带材面上的导电区，优选在HTS结晶退火和氧气加载(oxygenloading)后通过机械去除陶瓷阻隔层实现。
这可以例如通过将该金属基底的涂覆的第二带材面在被金刚石悬浮液浸渍的旋转毛毡上牵拉(drawing)实现。随后在冲洗级联中除去残留金刚石粒子。使用具有指定平均粒度(例如100纳米)的金刚石悬浮液确保了仅在表面程度上剥离材料。
或者，可以通过喷砂清洁剥离陶瓷阻隔层。
在这种情况下，应该小心确保主要除去阻隔层，并应避免将通常更软的金属基底向下损伤至更深区域；这会导致位错向下蔓延至相反的载体基底表面，在此其会造成缓冲构造层离。
用于除去阻隔层和恢复带材形式的金属基底的金属表面的一个优选配置是化学-机械抛光(CMP)，也称作化学-机械平面化。
非导电实施方案中的阻隔层可以例如由极薄(例如20-100纳米)锆酸镧层构成，其可以常规方式通过CSD(化学溶液沉积)法(例如浸涂或狭缝涂布)施加到带材形式的金属基底的第二带材面(背面)上。在第一带材面(正面，HTS面)上使用非导电缓冲层的情况下，在HTS结晶退火后必须再除去这样的非导电阻隔层以恢复该金属基底背面上的电导率。
或者–如由现有技术中已知–最终超导体构造可以在顶部和底部焊接到例如铜或黄铜的金属箔上，其在侧面用随后建立电接触的焊料连接。由此可以由不同的金属或合金和以任何厚度构造分流层。
唯一的附图，图1，以示意性形式举例显示本发明的前体，但并非按比例的。
本发明的前体1具有带材形式的金属基底10，其具有第一带材面11和第二带材面12。第一带材面11用于呈现HTS典型的层结构，在本实施例中具有在HTS层30下的单缓冲层20。
金属基底10的背面(第二带材面)12带有根据本发明的用于防止氧化侵袭的陶瓷阻隔层40。
下面详细说明本发明，其首先包括权利要求书中所述的主题，其次包括替代性主题，优选方面可概括为：
1.用于制造带材形式的高温超导体(HTS)的前体(1)，其包含
带材形式的金属基底(10)，其具有第一带材面(11)和第二带材面(12)，其中
在第一带材面(11)上，
(a)所述基底(10)具有作为用于缓冲层或HTS层的结晶配向生长的模板的限定纹理
和
(b)存在所述基底(10)的暴露表面或存在选自如下的一个或多个层(20,30)：缓冲前体层、热解的缓冲前体层、缓冲层、HTS前体层、热解的HTS缓冲前体层和热解并进一步固结的HTS缓冲前体层，
和
在第二带材面(12)上，存在至少一个保护所述基底(10)免受氧化的陶瓷阻隔层(40)或在HTS结晶退火或热解过程中转化成这样的层的前体，
其中，当在第一带材面(11)上存在一个或多个层(20,30)时，所述陶瓷阻隔层(40)或其前体具有与布置在第一带材面(11)上并直接毗连所述基底(10)的层(20)不同的化学组成和/或不同的纹理。
2.根据方面1的前体，其中在第一带材面(11)上，
存在单缓冲层(20)并且所述缓冲层(20)已通过外延方式生长
或
存在已通过外延方式生长的两个或更多个缓冲层。
3.根据前述方面任一项的前体，其中所述阻隔层(40)是延迟或防止氧气侵入第二带材面(12)的导电或非导电陶瓷材料层，或在HTS结晶退火或热解过程中转化成这样的层的前体。
4.根据方面3的前体，其中所述陶瓷材料是导电金属氧化物或金属氧化物的导电混合物，所述导电金属氧化物或所述导电混合物中的一种或多种金属氧化物优选是被外来金属掺杂的金属氧化物。
5.根据方面4的前体，其中所述被外来金属掺杂的金属氧化物选自掺杂的氧化镍、掺杂的氧化铟、铌掺杂的钛酸锶和镍酸镧。
6.根据方面4或5的前体，其中所述被外来金属掺杂的金属氧化物的掺杂水平为至少1％，基于所述阻隔层中的金属离子总数。
7.根据方面3的前体，其中所述非导电金属氧化物层的厚度不大于所述基底的厚度的10％。
8.根据方面3和7任一项的前体，其中所述非导电金属氧化物选自锆酸镧、氧化钇、铝酸镧、钛酸锶和钛酸钙。
9.一种用于制造带材形式的HTS的方法，其具有下列步骤：
-提供或制造根据方面1至8任一项的前体(1)，
其中在第一带材面(12)上存在热解的HTS前体层，
-将所述前体(1)结晶退火。
10.根据方面9的方法，其中所述陶瓷阻隔层(40)通过CSD(化学溶液沉积)法施加到金属基底上。
11.根据方面10的方法，其中所述CSD法选自浸涂、狭缝涂布和印刷。
12.根据方面9至11任一项的方法，其具有下列附加步骤：
除去所述陶瓷阻隔层(40)，优选通过机械途径进行。
13.根据方面12的方法，其中通过用金刚石悬浮液磨擦或通过喷砂清洁除去陶瓷阻隔层(40)。
14.根据方面13的方法，其中通过CMP(化学-机械抛光)除去陶瓷阻隔层(40)。
15.可通过根据方面9至14任一项的方法获得的带材形式的HTS。
Claims (12)
1.用于制造带材形式的高温超导体(HTS)的前体(1)，其包含
带材形式的金属基底(10)，其具有第一带材面(11)和第二带材面(12)，其中
在第一带材面(11)上，
(a)所述基底(10)具有作为用于缓冲层或HTS层的结晶配向生长的模板的限定纹理
和
(b)存在所述基底(10)的暴露表面或存在选自如下的一个或多个层(20,30)：缓冲前体层、热解的缓冲前体层、缓冲层、HTS前体层、热解的HTS缓冲前体层和热解并进一步固结的HTS缓冲前体层，
和
在第二带材面(12)上，
存在至少一个保护所述基底(10)免受氧化的陶瓷阻隔层(40)或在HTS结晶退火或热解过程中转化成这样的层的前体，
其中，当在第一带材面(11)上存在一个或多个层(20,30)时，所述陶瓷阻隔层(40)或其前体具有与布置在第一带材面(11)上并直接毗连所述基底(10)的层(20)不同的化学组成和/或不同的纹理，
其中
所述阻隔层(40)是延迟或防止氧气侵入第二带材面(12)的导电陶瓷材料层，或在HTS结晶退火或热解过程中转化成这样的层的前体，
且
所述陶瓷材料是导电金属氧化物或金属氧化物的导电混合物。
2.根据权利要求1的前体，其中所述导电金属氧化物或所述导电混合物中的一种或多种金属氧化物是被外来金属掺杂的金属氧化物。
3.根据权利要求1或2的前体，其中在第一带材面(11)上，
存在单缓冲层(20)并且所述缓冲层(20)已通过外延方式生长
或
存在已通过外延方式生长的两个或更多个缓冲层。
4.根据前述权利要求任一项的前体，其中所述被外来金属掺杂的金属氧化物选自掺杂的氧化锌、掺杂的氧化铟、铌掺杂的钛酸锶和镍酸镧。
5.根据前述权利要求任一项的前体，其中所述被外来金属掺杂的金属氧化物的掺杂水平为至少1％，基于所述阻隔层中的金属离子总数。
6.一种用于制造带材形式的HTS的方法，其具有下列步骤：
-提供或制造根据权利要求1至5任一项的前体(1)，
其中在第一带材面(12)上存在热解的HTS前体层，
-将所述前体(1)结晶退火。
7.根据权利要求6的方法，其中所述陶瓷阻隔层(40)通过CSD(化学溶液沉积)法施加到金属基底上。
8.根据权利要求7的方法，其中所述CSD法选自浸涂、狭缝涂布和印刷。
9.根据权利要求6至8任一项的方法，其具有下列附加步骤：
除去所述陶瓷阻隔层(40)，优选通过机械途径进行。
10.根据权利要求9的方法，其中通过用金刚石悬浮液磨擦或通过喷砂清洁除去陶瓷阻隔层(40)。
11.根据权利要求10的方法，其中通过CMP(化学-机械抛光)除去陶瓷阻隔层(40)。
12.可通过根据权利要求6至11任一项的方法获得的带材形式的HTS。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170524 |
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