CN113443907A - 一种用于高温超导飞轮储能的材料性能改善方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高温超导飞轮储能的材料性能改善方法，包括压制固相坯块、压制液相源坯块、压制支撑坯块、装配坯体、制备钇钡铜氧超导块材、检测钇钡铜氧超导块材的超导性能。本发明的有益效果是：目前已有的方案大多从轴承的结构上进行改进，这些都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，从改善超导材料的基础上采用双籽晶改善超导材料性能，进行超导性能的提升，同时改善超导材料性能提高飞轮储能效率，结构简单，改善效果明显。

Description

一种用于高温超导飞轮储能的材料性能改善方法
技术领域
本发明涉及一种飞轮储能材料，具体为一种用于高温超导飞轮储能的材料性能改善方法，属于飞轮储能技术领域。
背景技术
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，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。因此致力于储能用高温超导材料性能提高方法研究，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
本发明的目的就在于为了解决问题而提供一种用于高温超导飞轮储能的材料性能改善方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种用于高温超导飞轮储能的材料性能改善方法，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；
其中，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。此外还能够使钇钡铜氧超导块材样品的机械强度得到改善；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。
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，液相源能够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，对飞轮储能装置的储能效率提高有促进作用。
步骤三、压制支撑坯块，将Y2O3粉压制成坯块，支撑坯块不会与液相源发生反应，只作为支撑坯块。
步骤四、装配坯体，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。
步骤五、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，制备钇钡铜氧块材并进行渗氧形成超导相。
步骤六、检测钇钡铜氧超导块材的超导性能。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤一中，固相坯块组成为：(Y123+30％Y211)+8wt％Ag2O+0.5wt％Pt，将(Y123+30％Y211)记为A，其中，8wt％为Ag2O占A的质量比，0.5wt％为Pt占A的质量比，30％是Y211占Y123的摩尔比。
作为本发明再进一步的方案：所述Y123为YBa2Cu3O7-δ，Y211为Y2BaCuO7-δ。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤一中，固相坯块的质量通过如下公式计算得到：
Figure BDA0003038615660000031
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。
本发明的有益效果是：该用于高温超导飞轮储能的材料性能改善方法设计合理，该改善方法并没有从飞轮结构上进行改善，而是对飞轮材料进行改善，并且在材料上没有采用复杂的掺杂，而是从籽晶的数量上改善，选择双籽晶而非单籽晶，通过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。
附图说明
图1为本发明流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1，一种用于高温超导飞轮储能的材料性能改善方法，以单籽晶超导块材为例，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；
其中，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。此外还能够使钇钡铜氧超导块材样品的机械强度得到改善；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。
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，液相源能够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，对飞轮储能装置的储能效率提高有促进作用。
步骤三、压制支撑坯块，将Y2O3粉压制成坯块，支撑坯块不会与液相源发生反应，只作为支撑坯块。
步骤四、装配坯体，将支撑坯块、液相源坯块、固相坯块、单个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。
其中，固相坯块的高度为12mm，直径为24mm；液相源坯块的高度为6mm，直径为24mm；支撑坯块的高度为6mm，直径为24mm；钕钡铜氧籽晶为长宽高均为1mm的正方体
步骤五、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，制备钇钡铜氧块材并进行渗氧形成超导相。
步骤六、检测钇钡铜氧超导块材的超导性能，单籽晶的块材的最大磁通捕获量是0.197T。
在本发明实施例中，所述步骤一中，固相坯块组成为：(Y123+30％Y211)+8wt％Ag2O+0.5wt％Pt，将(Y123+30％Y211)记为A，其中，8wt％为Ag2O占A的质量比，0.5wt％为Pt占A的质量比，30％是Y211占Y123的摩尔比。
在本发明实施例中，所述Y123为YBa2Cu3O7-δ，Y211为Y2BaCuO7-δ。
在本发明实施例中，所述步骤一中，固相坯块的质量通过如下公式计算得到：
Figure BDA0003038615660000051
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。
实施例二
请参阅图1，一种用于高温超导飞轮储能的材料性能改善方法，以双籽晶超导块材为例，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；
其中，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。此外还能够使钇钡铜氧超导块材样品的机械强度得到改善；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。
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，液相源能够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，对飞轮储能装置的储能效率提高有促进作用。
步骤三、压制支撑坯块，将Y2O3粉压制成坯块，支撑坯块不会与液相源发生反应，只作为支撑坯块。
步骤四、装配坯体，将支撑坯块、液相源坯块、固相坯块、两个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。
其中，固相坯块的高度为12mm，直径为24mm；液相源坯块的高度为6mm，直径为24mm；支撑坯块的高度为6mm，直径为24mm；钕钡铜氧籽晶为长宽高均为1mm的正方体。其中，固相坯块：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。液相源坯块：YBa2Cu3O7-δ粉的质量为3g。支撑坯块：Y2O3粉的质量为3g。
步骤五、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，制备钇钡铜氧块材并进行渗氧形成超导相。
步骤六、检测钇钡铜氧超导块材的超导性能，单籽晶的块材的最大磁通捕获量是0.484T，相比于实施例一中的单籽晶，最大磁通捕获值提高了59.3％。
在本发明实施例中，所述步骤一中，固相坯块组成为：(Y123+30％Y211)+8wt％Ag2O+0.5wt％Pt，将(Y123+30％Y211)记为A，其中，8wt％为Ag2O占A的质量比，0.5wt％为Pt占A的质量比，30％是Y211占Y123的摩尔比。
在本发明实施例中，所述Y123为YBa2Cu3O7-δ，Y211为Y2BaCuO7-δ。
在本发明实施例中，所述步骤一中，固相坯块的质量通过如下公式计算得到：
Figure BDA0003038615660000061
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。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种用于高温超导飞轮储能的材料性能改善方法，其特征在于：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；
其中，固相坯块里掺入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；
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，液相源能够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，对飞轮储能装置的储能效率提高有促进作用；
步骤三、压制支撑坯块，将Y2O3粉压制成坯块，支撑坯块不会与液相源发生反应，只作为支撑坯块；
步骤四、装配坯体，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；
步骤五、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，制备钇钡铜氧块材并进行渗氧形成超导相；
步骤六、检测钇钡铜氧超导块材的超导性能。
2.根据权利要求1所述的一种用于高温超导飞轮储能的材料性能改善方法，其特征在于：所述步骤一中，固相坯块组成为：(Y123+30％Y211)+8wt％Ag2O+0.5wt％Pt，将(Y123+30％Y211)记为A，其中，8wt％为Ag2O占A的质量比，0.5wt％为Pt占A的质量比，30％是Y211占Y123的摩尔比。
3.根据权利要求2所述的一种用于高温超导飞轮储能的材料性能改善方法，其特征在于：所述Y123为YBa2Cu3O7-δ，Y211为Y2BaCuO7-δ。
4.根据权利要求1所述的一种用于高温超导飞轮储能的材料性能改善方法，其特征在于：所述步骤一中，固相坯块的质量通过如下公式计算得到：
Figure FDA0003038615650000021
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。
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