CN107103957A - 提高第二代高温超导带材层间结合力的处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高第二代高温超导带材层间结合力的处理方法，其包括如下步骤：以织构柔性带材为基材，对带材表面的氧化物层进行刻蚀，控制刻蚀的深度、宽度以及图案；采用刻蚀后的织构柔性带材沉积超导薄膜。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：1、采用该制备技术获得第二代高温超导带材层间结合力提高1倍以上，且载流能力衰减在20％以下；2、采用该制备技术制备第二代高温超导带材，对后续制备超导薄膜的结构和制备工艺无影响。

Description

提高第二代高温超导带材层间结合力的处理方法
技术领域
本发明涉及一种提高第二代高温超导带材层间结合力的处理方法，属于第二代高温超导带材制备技术领域。
背景技术
第二代高温超导带材为多层结构，包括保护层、超导层、隔离层和柔性基带四个主要部分。其中超导层和隔离层为氧化物陶瓷，保护层和柔性基带为金属材料。在第二代高温超导带材的制备和应用过程中，带材经历复杂的应力应变、冷热循环、弯曲、扭转、拉伸、紧箍力等。由于各层材料物理性质存在显著差异，且超导层、隔离层、金属基带的表面均为原子级平整，因此第二代高温超导带材在应力条件下，层间结合力较差。研究表明，采用现有的第二代高温超导带材制备工艺，带材的层间结合力较轴向拉伸强度低一到两个数量级。此外，层间结合力沿带材长度方向存在较大的不均匀性。随着应用进程的加快，人们越来越意识到第二代高温超导带材的弱层间结合力是限制其进一步应用的短板。这也严重影响后续加工工艺的鲁棒性，目前尚无有效解决手段。
发明内容
为了提高第二代高温超导带材层间结合力，本发明提供一种第二代高温超导带材的制备方法。本发明采用“刻蚀”柔性金属基带氧化物隔离层表面的技术路线。即选取未沉积超导薄膜的织构柔性带材为基材，对基材表面氧化物层进行刻蚀，然后沉积超导薄膜。本发明可显著提高第二代高温超导带材层间结合力，且最大程度地减少了超导带材载流能力的衰减，提高了超导带材的复杂工作环境中的使用性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种提高第二代高温超导带材层间结合力的处理方法，其包括如下步骤：
以织构柔性带材为基材，对带材表面的氧化物层进行刻蚀，形成若干刻蚀区域；
在带有刻蚀区域的带材的表面进行超导薄膜的沉积，所述超导薄膜覆盖于带材的整个表面。
作为优选方案，所述刻蚀的方法为激光刻蚀和机械刻蚀中的一种或两种。
作为优选方案，所述刻蚀的深度不超过氧化物层的厚度，刻蚀区域的宽度之和不超过带材宽度的15％。
作为优选方案，所述刻蚀区域的形状为连续直线形、间断直线形、点状中的至少一种。
作为优选方案，所述沉积超导薄膜的方法选自物理气相沉积、化学气相沉积、热蒸发和化学溶液沉积中的一种。
作为优选方案，所述超导薄膜的材料为：REBa2Cu3O7超导体，或以REBa2Cu3O7为主含掺杂相(如)的复合超导体，其中RE为稀土元素。
作为优选方案，所述掺杂相包括BaZrO3。
本发明的基本原理为：
增加表面粗糙度，利用机械咬合增强界面强化是一种增强复合材料多相材料结合力的技术手段之一。由于第二代高温超导带材基于薄膜外延工艺，目前所有工艺途径都是减小界面粗糙度，提高薄膜外延质量。本发明提出在未沉积超导薄膜的织构柔性带材进行表面刻蚀，然后沉积超导薄膜的技术路线。表面刻蚀图案为沿带材长度方向的连续直线、间断直线、点、或上述图案的组合。利用了电流传输沿带材长度方向的特点，以“牺牲”小部分刻蚀区域上沉积超导薄膜载流能力为代价，增加界面粗糙度，提高界面结合力。该制备技术在传统第二代高温超导带材工艺中增加了一个步骤，即在未沉积超导薄膜的织构柔性带材进行表面刻蚀，从而提高整体带材的层间结合力，本领域技术人员很难想到。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、采用该制备技术获得第二代高温超导带材层间结合力提高1倍以上，且载流能力衰减在20％以下；
2、采用该制备技术制备第二代高温超导带材，无需改变织构柔性带材和超导薄膜的结构和制备工艺。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中带材在刻蚀出非连续型图案后的剖视图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1中的带材沉积超导薄膜后的剖视图；
图4为本发明中带材在刻蚀出连续直线型图案后的结构示意图；
图5是实施例1中，表面刻蚀区域的光学显微镜照片；
图6是实施例1中，刻蚀区域沿垂直刻蚀方向上的高度分布曲线；
图7是实施例1中，在表面刻蚀织构柔性带材上沉积超导薄膜的光学显微镜照片；
图8是实施例1中，在表面刻蚀织构柔性带材上沉积超导薄膜的X射线衍射结果。
图中：1、带材；2、氧化物层；3、刻蚀区域；4、超导薄膜。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明涉及的在织构柔性带材氧化物层“表面刻蚀”工艺，刻蚀技术为激光刻蚀、机械刻蚀、或几种刻蚀技术的组合；刻蚀深度不超过氧化物层的厚度；刻蚀图案可为沿带材长度方向的连续直线、间断直线、或点；刻蚀区域在带材宽度方向上所占比例小于15％；刻蚀过程应对未刻蚀区域不造成任何影响；
本发明涉及的在表面刻蚀的织构柔性带材沉积高温超导层的工艺，物理气相沉积、化学气相沉积，热蒸发和化学溶液沉积等技术，沉积超导薄膜的工艺与未进行表面刻蚀的基材在沉积超导薄膜时所采用的工艺相同或相近。
如图1～4所示，本发明中，首先对带材1表面的氧化物层2进行刻蚀，形成若干刻蚀区域3，刻蚀区域3的形状为为沿带材长度方向的连续直线、间断直线、或点、或间断直线和点的组合，然后在带材1的表面进行沉积，形成超导薄膜4。
实施例1
本实施例涉及一种提高第二代高温超导带材层间结合力的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)刻蚀过程：选取结构为CeO2/MgO/Y2O3/Al2O3/C276织构柔性带材，对CeO2氧化物层进行刻蚀；刻蚀技术为激光刻蚀，激光器可提供波长为紫外波段的激光，激光光斑直径小于2微米，激光刻蚀频率为10Hz，激光光斑移动速度为20毫米/秒；刻蚀区域的光学显微镜照片，如图5所示；
2)超导薄膜沉积过程：在步骤1)获得的织构柔性带材表面沉积超导层，沉积超导层的工艺为物理气相沉积技术，超导层材料为YBa2Cu3O7。步骤1)不影响沉积超导层的优化工艺参数，沉积工艺与未进行表面刻蚀的基材相同，如下，沉积气压为30帕斯卡，沉积气氛为氧气，沉积温度为800℃，沉积时间为1小时，超导薄膜厚度为400纳米。在刻蚀区域沉积超导层的光学显微镜照片，如图6所示；刻蚀区域沿垂直刻蚀方向上的高度分布曲线如图7所示；超导层样品的X射线衍射结果，如图8所示。性能测试结果表明，该实施例获得样品的临界脱层应力为40MPa，较无刻蚀工艺获得样品提高1倍；该实施例获得样品在77K，自场条件下的临界电流值为190安培，较无刻蚀工艺获得样品衰减10安培。
实施例2
本实施例涉及一种提高第二代高温超导带材层间结合力的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)刻蚀过程：选取结构为LaMnO3/MgO/Y2O3/Al2O3/SS织构柔性带材，对LaMnO3氧化物层进行刻蚀；刻蚀技术为激光刻蚀；
2)超导薄膜沉积过程：在步骤1)获得的织构柔性带材表面沉积超导层，沉积超导层的工艺为化学气相沉积技术，超导层材料为Gd0.5Y0.5Ba2Cu3O7，步骤1)不影响沉积超导层的优化工艺参数，沉积工艺与未进行表面刻蚀的基材相同。性能测试结果表明，该实施例获得样品的临界脱层应力为50MPa，较无刻蚀工艺获得样品提高1.5倍；该实施例获得样品在77K，自场条件下的临界电流值为240安培，较无刻蚀工艺获得样品衰减20安培。
实施例3
本实施例涉及一种提高第二代高温超导带材层间结合力的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)刻蚀过程：选取结构为CeO2/YSZ/Y2O3/NiW织构柔性带材，对CeO2氧化物层进行刻蚀；刻蚀技术为化学刻蚀；
2)超导薄膜沉积过程：在步骤1)获得的织构柔性带材表面沉积超导层，沉积超导层的工艺为化学气相沉积技术，超导层材料为Gd0.5Y0.5Ba2Cu3O7与摩尔含量为5％BaZrO3的复合超导体；步骤1)不影响沉积超导层的优化工艺参数，沉积工艺与未进行表面刻蚀的基材相同。性能测试结果表明，该实施例获得样品的临界脱层应力为30MPa，较无刻蚀工艺获得样品提高1倍；该实施例获得样品在77K，自场条件下的临界电流值为160安培，较无刻蚀工艺获得样品衰减40安培。
实施例4
本实施例涉及一种提高第二代高温超导带材层间结合力的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)刻蚀过程：选取结构为CeO2/Gd2Zr2O7/C276织构柔性带材，对CeO2氧化物层进行刻蚀；刻蚀技术为激光刻蚀；
2)超导薄膜沉积过程：在步骤1)获得的织构柔性带材表面沉积超导层，沉积超导层的工艺为化学溶液沉积技术，超导层材料为YBa2Cu3O7与摩尔含量为3％BaHfO3的复合超导体；步骤1)不影响沉积超导层的优化工艺参数，沉积工艺与未进行表面刻蚀的基材相同。性能测试结果表明，该实施例获得样品的临界脱层应力为50MPa，较无刻蚀工艺获得样品提高2倍；该实施例获得样品在77K，自场条件下的临界电流值为80安培，较无刻蚀工艺获得样品衰减20安培。
综上所述，本发明方法在沉积超导层前，加入在织构柔性带材氧化物层“表面刻蚀”工艺，该步骤不影响后续沉积超导层的优化工艺参数，可大幅度提高第二代高温超导带材层间结合力，减小临界电流的衰减，且可大规模工业化生产。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种提高第二代高温超导带材层间结合力的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
以织构柔性带材为基材，对带材表面的氧化物层进行刻蚀，形成若干刻蚀区域；
在带有刻蚀区域的带材的表面进行超导薄膜的沉积，所述超导薄膜覆盖于带材的整个表面。
2.如权利要求1所述的提高第二代高温超导带材层间结合力的处理方法，其特征在于，所述刻蚀的方法为激光刻蚀和机械刻蚀中的一种或两种。
3.如权利要求1所述的提高第二代高温超导带材层间结合力的处理方法，其特征在于，所述刻蚀的深度不超过氧化物层的厚度，刻蚀区域的宽度之和不超过带材宽度的15％。
4.如权利要求1或3所述的提高第二代高温超导带材层间结合力的处理方法，其特征在于，所述刻蚀区域的形状为连续直线形、间断直线形、点状中的至少一种。
5.如权利要求1所述的提高第二代高温超导带材层间结合力的处理方法，其特征在于，所述沉积超导薄膜的方法选自物理气相沉积、化学气相沉积、热蒸发和化学溶液沉积中的一种。
6.如权利要求1所述的提高第二代高温超导带材层间结合力的处理方法，其特征在于，所述超导薄膜的材料为：REBa2Cu3O7超导体，或以REBa2Cu3O7为主含掺杂相的复合超导体，其中RE为稀土元素。
7.如权利要求6所述的提高第二代高温超导带材层间结合力的处理方法，其特征在于，所述掺杂相包括BaZrO3。
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