CN113013318B - 一种储能用高温超导材料性能提高方法 - Google Patents

一种储能用高温超导材料性能提高方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种储能用高温超导材料性能提高方法，涉及高温超导材料领域，具体为：将支撑坯块、液相源坯块、固相坯块、缓冲辅助层坯块、钕钡铜氧籽晶按照轴对称的方式自下而上依次放置装配成坯体，然后采用顶部籽晶熔渗法制备钇钡铜氧超导块材，并检测钇钡铜氧超导块材的超导性能。本发明通过添加缓冲辅助层坯块能够很好抑制块材表面因为籽晶不匹配而导致的随机成核，进而提高超导块材的磁通钉扎能力，超导块材磁悬浮力和临界电流密度增大，提高了飞轮储能装置的储能效率。

Description

一种储能用高温超导材料性能提高方法
技术领域
本发明涉及高温超导材料领域，尤其涉及一种储能用高温超导材料性能提高方法。
背景技术
能源问题是21世纪人类面临的巨大挑战，日益严重的能源紧缺逐渐成为制约经济和稳定发展的重要因素。开发新能源，发展高效的分布式储能和节能技术是能源领域重要的研究课题，亟需一种新的技术改善传统的电力和储能系统带来的问题。
目前高温超导飞轮储能装置无疑是一种具有潜力的解决方案。超导飞轮储能装置的工作原理是将能量或者动能以机械能的形式储存起来，需要时再将机械能转化成电能输出给负载。超导飞轮储能装置主要由飞轮转子、轴承、电机和电力电子交换装置组成，其中，轴承系统的摩擦力和稳定性直接影响整个飞轮储能系统的寿命和正常运行。为了减少摩擦，提高系统储能效率，轴承的核心装置大多采用超导磁悬浮轴承，包括超导块材和永磁体两部分，超导磁悬浮轴承的结构示意图如附图5。利用超导体的迈斯纳效应使飞轮处于悬浮状态，无需供电，也不需要复杂的位置控制系统，转速高、不存在摩擦力，还可以使得装置更加小型化，实用性增强。
目前已有的方案大多从轴承的结构上进行改进，如申请号为CN201911411964.4的发明专利，磁悬浮飞轮储能装置，设有上保护组件、下保护组件及驱动器，通电正常工作时，飞轮转子能够一直绕装置的几何中心轴旋转；断电或飞轮转子失控的情况下，驱动器驱动上锥形件从第一位置移动至第二位置，上锥形件和下锥形件的锥形面分别与芯轴两端的锥形面贴触抵紧，从而锁紧芯轴，使飞轮转子重新定心，不产生偏轴旋转，防止飞轮转子的芯轴和保护轴承之间产生不均匀的旋转力矩和陀螺力矩，减少了零部件的碰撞损坏，提升上下两端保护轴承的寿命；同时，磁悬浮飞轮储能装置能适于长途搬运，飞轮转子不会在外壳中晃动。通过对飞轮轴承结构的改进可以间接提高超导性能，但是占用空间大，对超导材料的利用率和实用性仍有提升空间。
现有的高温超导材料由于本身晶界的弱连接性和较弱的磁通钉扎能力等因素，较大程度地制约了高温超导材料超导性能的提升。因此本领域的技术人员致力于开发一种储能用高温超导材料性能提高方法，来改善高温超导材料的超导性能，从而提高飞轮储能装置的储能效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种储能用高温超导材料性能提高方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种储能用高温超导材料性能提高方法，具体包括以下步骤：
步骤一：压制固相坯块
将YBa2Cu3O7-δ粉、Y2BaCuO5粉、Ag2O粉以及Pt粉混合均匀并压制成坯块，作为固相坯块；
步骤二：压制液相源坯块
将YBa2Cu3O7-δ粉压制成坯块，作为液相源坯块；
步骤三：压制缓冲辅助层坯块
将YBa2Cu3O7-δ粉和Y2BaCuO5粉混合均匀并压制成坯块，作为缓冲辅助层坯块；
步骤四：压制支撑坯块
将Y2O3粉压制成坯块，作为支撑坯块；
步骤五：装配坯体
将支撑坯块、液相源坯块、固相坯块、缓冲辅助层坯块、钕钡铜氧籽晶按照轴对称的方式自下而上依次放置，作为坯体；
步骤六：制备钇钡铜氧超导块材
将装配好的坯体放入高温炉中，设置烧结工艺，制备钇钡铜氧超导块材；
步骤七：检测钇钡铜氧超导块材的超导性能。
进一步地，所述固相坯块、液相源坯块、缓冲辅助层坯块和支撑坯块的形状均为圆柱体，所述钕钡铜氧籽晶的形状为正方体。
进一步地，所述YBa2Cu3O7-δ中0＜7-δ≤7。
进一步地，步骤一中，所述固相坯块的质量通过如下公式计算得到：
Figure GDA0004248460520000021
其中，以上公式为无量纲公式，M为固相坯块的质量，单位为g，ρ为密度，单位为g/cm3，V为体积，单位为cm3，H为固相坯块的直径，单位为mm，d为固相坯块的高度，单位为mm。
进一步地，步骤一中，Y2BaCuO5占YBa2Cu3O7-δ的摩尔比是30％，Ag2O占YBa2Cu3O7-δ和Y2BaCuO5质量之和的8wt％，Pt占YBa2Cu3O7-δ和Y2BaCuO5质量之和的0.5wt％。
所述固相坯块里掺入少许含量的Ag2O粉末，是利用Ag离子可以使得固相坯块的包晶分解温度有效下降，从而钕钡铜氧籽晶在高温下就不会被融化。此外，在固相坯块中添加适量的Ag元素，还能够使钇钡铜氧超导块材样品的机械强度得到改善。
所述固相坯块中加入Pt粉末能够使钇钡铜氧超导块材样品生长速率减缓，Y2BaCuO5粒子得到细化，单畴钇钡铜氧超导块材样品制备成功率提高，因此钇钡铜氧超导超导块材的性能得以改善。
进一步地，在步骤六中，通过采用顶部籽晶熔渗法制备钇钡铜氧超导块材。
进一步地，在步骤六中，所述烧结工艺为室温经过3h升温至420℃，保温40min，经过5h升温至920℃，保温3h，经过2h升温到最高温度1079℃，保温1h，然后降低温度至1002℃，随后以0.3℃/h的降温速率降温进行晶体的生长，最后冷却至室温。
通过在所述固相坯块和所述钕钡铜氧籽晶之间添加所述缓冲辅助层坯块，使钕钡铜氧籽晶先诱导缓冲辅助层坯块生长YBa2Cu3O7-δ，液相源坯块渗入到固相坯块中，从而制备了高性能单畴钇钡铜氧超导块材。添加缓冲辅助层坯块能够很好抑制块材表面因为籽晶不匹配而导致的随机成核，进而提高高温超导块材的磁通钉扎能力，超导块材磁悬浮力和临界电流密度增大，飞轮储能装置的储能效率提高。
进一步地，步骤七中，所述钇钡铜氧超导块材的超导性能通过超导量子干涉仪测得的磁通捕获值来表征。
有益效果
(1)本发明采用顶部籽晶熔渗法，通过在固相坯块和钕钡铜氧籽晶之间添加缓冲辅助层坯块，使钕钡铜氧籽晶先诱导缓冲辅助层坯块生长YBa2Cu3O7-δ，液相源坯块渗入到固相坯块中，从而制备了高性能单畴钇钡铜氧超导块材。添加缓冲辅助层坯块能够很好抑制块材表面因为籽晶不匹配而导致的随机成核，进而提高高温超导块材的磁通钉扎能力，超导块材磁悬浮力和临界电流密度增大，飞轮储能装置的储能效率提高。
(2)本发明从提高超导块材的超导性能出发来改善飞轮储能装置的储能效率，制备的钇钡铜氧超导块材为非理想的第二类高温超导块材，在盛有液氮的低温容器中工作时具有抗磁性和磁通钉扎性；利用抗磁性(即迈斯纳效应)提供静态的悬浮力，磁通钉扎形提供横向稳定力，共同实现稳定悬浮。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一种储能用高温超导材料性能提高方法制备流程图；
图2是本发明的实施例和对比例中坯体的装配成型图；
图3是本发明制备的添加缓冲辅助层坯块的钇钡铜氧超导块材捕获的磁场强度示意图；
图4是本发明制备的未添加缓冲辅助层坯块的钇钡铜氧超导块材捕获的磁场强度示意图；
图5是超导磁悬浮轴承结构示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
实施例：
如图1～3，在一个优选实施例中，一种储能用高温超导材料性能提高方法，具体包括以下步骤：
步骤一：压制固相坯块
将YBa2Cu3O7-δ粉、Y2BaCuO5粉、Ag2O粉以及Pt粉混合均匀并压制成坯块，作为固相坯块；
本发明的实施例中，YBa2Cu3O7-δ中δ＝0，即氧原子的个数为7。
其中，YBa2Cu3O7-δ粉的质量为17.568g，Y2BaCuO5粉的质量为3.6299g，Ag2O粉的质量为1.69584g，Pt粉的质量为0.10599g。
步骤二：压制液相源坯块
将YBa2Cu3O7-δ粉压制成坯块，作为液相源坯块；
其中，YBa2Cu3O7-δ粉的质量为3g；
步骤三：压制缓冲辅助层坯块
将YBa2Cu3O7-δ粉和Y2BaCuO5粉混合均匀并压制成坯块，作为缓冲辅助层坯块；
其中，YBa2Cu3O7-δ粉的质量为2.96g，Y2BaCuO5粉的质量为2.04g；
步骤四：压制支撑坯块
将Y2O3粉压制成坯块，作为支撑坯块；
其中，Y2O3粉的质量为3g；
步骤五：装配坯体
将支撑坯块、液相源坯块、固相坯块、缓冲辅助层坯块、钕钡铜氧籽晶按照轴对称的方式自下而上依次放置，作为坯体；
图2中左边为添加缓冲辅助层坯块的坯体装配成型图，右边为未添加缓冲辅助层坯块的坯体装配成型图；
步骤六：制备钇钡铜氧超导块材
将装配好的坯体放入高温炉中，设置烧结工艺，制备钇钡铜氧超导块材；
步骤七：检测钇钡铜氧超导块材的超导性能。
进一步地，所述固相坯块、液相源坯块、缓冲辅助层坯块和支撑坯块的形状均为圆柱体，所述钕钡铜氧籽晶的形状为正方体。
其中，所述固相坯块的高度为12mm，直径为24mm；所述液相源坯块的高度为6mm，直径为24mm；所述缓冲辅助层坯块的高度为3mm，直径为6mm；所述支撑坯块的高度为6mm，直径为24mm；所述钕钡铜氧籽晶为长宽高均为1mm的正方体。
进一步地，步骤一中，所述固相坯块的质量通过如下公式计算得到：
Figure GDA0004248460520000051
其中，以上公式为无量纲公式，M为固相坯块的质量，单位为g，ρ为密度，单位为g/cm3，V为体积，单位为cm3，H为固相坯块的直径，单位为mm，d为固相坯块的高度，单位为mm。
进一步地，步骤一中，Y2BaCuO5占YBa2Cu3O7-δ的摩尔比是30％，Ag2O占YBa2Cu3O7-δ和Y2BaCuO5质量之和的8wt％，Pt占YBa2Cu3O7-δ和Y2BaCuO5质量之和的0.5wt％。
所述固相坯块里掺入少许含量的Ag2O粉末，是利用Ag离子可以使得固相坯块的包晶分解温度有效下降，从而钕钡铜氧籽晶在高温下就不会被融化。此外，在固相坯块中添加适量的Ag元素，还能够使钇钡铜氧超导块材样品的机械强度得到改善。
所述固相坯块中加入Pt粉末能够使钇钡铜氧超导块材样品生长速率减缓，Y2BaCuO5粒子得到细化，单畴钇钡铜氧超导块材样品制备成功率提高，因此钇钡铜氧超导超导块材的性能得以改善。
进一步地，在步骤六中，通过采用顶部籽晶熔渗法制备钇钡铜氧超导块材。
进一步地，在步骤六中，所述烧结工艺为室温经过3h升温至420℃，保温40min，经过5h升温至920℃，保温3h，经过2h升温到最高温度1079℃，保温1h，然后降低温度至1002℃，随后以0.3℃/h的降温速率降温进行晶体的生长，最后冷却至室温。
通过在所述固相坯块和所述钕钡铜氧籽晶之间添加所述缓冲辅助层坯块，使钕钡铜氧籽晶先诱导缓冲辅助层坯块生长YBa2Cu3O7-δ，液相源坯块渗入到固相坯块中，从而制备了高性能单畴钇钡铜氧超导块材。添加缓冲辅助层坯块能够很好抑制块材表面因为籽晶不匹配而导致的随机成核，进而提高高温超导块材的磁通钉扎能力，超导块材磁悬浮力和临界电流密度增大，飞轮储能装置的储能效率提高。
进一步地，步骤七中，所述钇钡铜氧超导块材的超导性能通过超导量子干涉仪测得的磁通捕获值来表征。
钇钡铜氧超导块材样品平行放置，大小是1T的磁场下；钇钡铜氧超导块材样品在液氮环境中保持8min，环境温度为77K时将钇钡铜氧超导块材样品全部放入，不断检查液氮含量，做好补充；撤去外部磁场45min，利用霍尔探测扫描系统对磁场捕获的密度分布进行测量。一般来说，霍尔探针在钇钡铜氧超导块材样品的上表面0.4mm位置。
对比例：
对比例中钇钡铜氧超导块材的制备方法与实施例基本相同，区别在于，对比例中无需压制缓冲辅助层坯块，因此仅需将支撑坯块、液相源坯块、固相坯块、钕钡铜氧籽晶按照轴对称的方式自下而上依次放置，作为坯体。
通过超导量子干涉仪测得的钇钡铜氧超导块材捕获的磁场强度如图3和图4所示，添加缓冲辅助层坯块的钇钡铜氧超导块材的最大磁通捕获值是0.496T，未添加缓冲辅助层坯块的钇钡铜氧超导块材的最大磁通捕获值是0.484T，最大磁通捕获值提高了2.5％，所以添加缓冲辅助层坯块的钇钡铜氧超导块材具有更好的超导性能。
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)

1.一种储能用高温超导材料性能提高方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：压制固相坯块
将YBa2Cu3O7-δ粉、Y2BaCuO5粉、Ag2O粉以及Pt粉混合均匀并压制成坯块，作为固相坯块；
步骤二：压制液相源坯块
将YBa2Cu3O7-δ粉压制成坯块，作为液相源坯块；
步骤三：压制缓冲辅助层坯块
将YBa2Cu3O7-δ粉和Y2BaCuO5粉混合均匀并压制成坯块，作为缓冲辅助层坯块；
步骤四：压制支撑坯块
将Y2O3粉压制成坯块，作为支撑坯块；
步骤五：装配坯体
将支撑坯块、液相源坯块、固相坯块、缓冲辅助层坯块、钕钡铜氧籽晶按照轴对称的方式自下而上依次放置，作为坯体；
步骤六：制备钇钡铜氧超导块材
将装配好的坯体放入高温炉中，设置烧结工艺，制备钇钡铜氧超导块材；
步骤七：检测钇钡铜氧超导块材的超导性能。
2.如权利要求1所述的储能用高温超导材料性能提高方法，其特征在于，所述固相坯块、液相源坯块、缓冲辅助层坯块和支撑坯块的形状均为圆柱体，所述钕钡铜氧籽晶的形状为正方体。
3.如权利要求1所述的储能用高温超导材料性能提高方法，其特征在于，所述YBa2Cu3O7-δ中0＜7-δ≤7。
4.如权利要求1所述的储能用高温超导材料性能提高方法，其特征在于，步骤一中，所述固相坯块的质量通过如下公式计算得到：
Figure FDA0004248460510000011
其中，M为固相坯块的质量，单位为g，ρ为密度，单位为g/cm3，V为体积，单位为cm3，H为固相坯块的直径，单位为mm，d为固相坯块的高度，单位为mm。
5.如权利要求4所述的储能用高温超导材料性能提高方法，其特征在于，步骤一中，Y2BaCuO5占YBa2Cu3O7-δ的摩尔比是30％，Ag2O占YBa2Cu3O7-δ和Y2BaCuO5质量之和的8wt％，Pt占YBa2Cu3O7-δ和Y2BaCuO5质量之和的0.5wt％。
6.如权利要求1所述的储能用高温超导材料性能提高方法，其特征在于，在步骤六中，通过采用顶部籽晶熔渗法制备钇钡铜氧超导块材。
7.如权利要求6所述的储能用高温超导材料性能提高方法，其特征在于，在步骤六中，所述烧结工艺为室温经过3h升温至420℃，保温40min，经过5h升温至920℃，保温3h，经过2h升温到最高温度1079℃，保温1h，然后降低温度至1002℃，随后以0.3℃/h的降温速率降温进行晶体的生长，最后冷却至室温。
8.如权利要求1所述的储能用高温超导材料性能提高方法，其特征在于，步骤七中，所述钇钡铜氧超导块材的超导性能通过超导量子干涉仪测得的磁通捕获值来表征。
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