低氟mod法制备ybco高温超导带材分析

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1、第一章概述4.超导储能系统超导储能系统的工作原理是通过超导线圈直接将电网中过剩的电能经供电励磁所产生的电磁能储存起来，需要时将储存的电磁能转化为电能送回电网即可。它具有可长期无损耗的储存能量，易于控制，能有效抑制电力系统中因短路等故障引起的功率振荡，提高电力系统稳定性等优点。此外，高温超导材料在军事、生物医学、交通运输以及航天航空等领域也有着广泛的应用前景。1.3高温超导带材的发展历史为方便高温超导材料在强电领域的应用，首先需要将其制备成具有相当长度(百米乃至千米)、能够保持良好的电流承载能力且可卷绕的柔性带状材料，即高温超导带材。在高温超导带

2、材的发展历史上已经出现了两代超导带材：第一代为BSCCO超导带材，亦称Bi系高温超导带材；第二代为YBCO超导带材，即Y系高温超导带材。1.3.1Bi系高温超导带材由于Bi系高温超导材料为层状结构，利用机械变形就能获得良好的晶体取向，[15]因此一般采用粉末套管法(PowderInTube，PIT)就可以制备出百米乃至千米级的长带材，其制备工艺如图1-2所示。首先将前驱粉末按一定的比例进行配制，再将其填充于银套管内，并拉拔成圆形芯线或六角形芯线，接着将其截成多股芯线并再次装入银套管内拉拔成圆形芯线，最后用滚轮轧制成3-5mm宽，0.2-0.3m

3、m厚的长带材。此后经过多次形变热处理，使其晶粒沿a-b面择优取向，最终获得成品长带材。美国超导公司(AMSC)在Bi系高温超导带材的制备能力上处于世界领先地位，42其年产量可达1400km，带材的最高临界电流密度超过7.4×10A/cm(77K、自场)，[16]临界电流最高为170A(77K、自场)。日本住友电气和德国Trithor公司以其在Bi系高温超导带材制备技术方面的特有优势一直紧跟AMSC的步伐。此外国内Bi系高温超导带材的研制与生产水平也在逐步提高，北京英纳超导公司已制备出临界电流达120A的短样(77K、自场)，并且单根长带材已超过

4、1000m，临界电流接[17]近90A(77K、自场)。西北有色金属研究院研制Bi系高温超导带材的水平与北京[18]英纳超导公司旗鼓相当，单根500米级长带材的临界电流可达85A(77K、自场)。3万方数据电子科技大学硕士学位论文虽然Bi系高温超导带材的制备过程简单且技术较为成熟，容易实现批量化生产，但是其在商业化应用时存在如下缺点：(1)由于具有各向异性，在液氮温区内[19]其不可逆场很小；(2)在较低磁场下所能承载的临界电流密度急剧下降；(3)由于制备过程中大量使用贵金属银，使得其工业成本难以降低。这些缺点极大地限制了它在电力系统、交通运输

5、以及军事航天等领域的广泛应用，因此世界各国的研究机构开始将目光转向第二代高温超导带材的研制与开发。图1-2粉末套管法制备Bi系高温超导带材的工艺流程1.3.2Y系高温超导带材由于第二代高温超导带材是在沉积有缓冲层的柔性金属基带表面外延生长YBCO薄膜作为超导层制备而成的，因此常被人们称作YBCO涂层导体(CoatedConductor，CC)或Y系高温超导带材。相对于第一代高温超导带材，Y系高温超导带材具有显著的优势：(1)较高的不可逆场，在77K下仍可高达7T，如图1-3所示；(2)低磁场下的载流能力更强，如图1-4所示；(3)采用廉价的金属

6、基带作为基底，其工业成本更低，性价比更高。此外，Y系高温超导带材还具有机械性能好、导电稳定性高、交流损耗小等更多优势，因而其商业应用前景更加广阔，在不久的将来必将逐步取代Bi系高温超导带材的主导地位，成为新一代高温超导带材的主流。4万方数据第一章概述图1-3Y系和Bi系带材不可逆场与温度的关系图1-4Y系和Bi系带材磁场下载流能力比较1.4YBCO涂层导体的结构为了减小YBCO薄膜与基底的失配度、防止基底与超导层之间原子的互扩散以及传承基底的织构，需要在基底与超导层之间添加缓冲层(Bufferlayer)，同时YBCO薄膜沉积结束后，为了保护超

7、导层以及使用时具有良好的电接触，需要在其表面镀上银或铜作为保护层，因此YBCO涂层导体的基本结构一般为图1-5所示的多层结构。图1-5YBCO涂层导体的基本结构5万方数据电子科技大学硕士学位论文1.4.1金属基带为了降低工业成本，第二代高温超导带材一般采用廉价的柔性金属基带作为基底，因此基底必须满足耐高温、抗氧化等要求，目前国际上用于制备金属基带的技术路线主要有以下三种：(1)轧制辅助双轴织构法(RollingAssistedBiaxiallyTexturedSubstrates，[20]RABiTS)RABiTS技术是目前大多数研究机构制备金

8、属基带时主要采用的技术路线，其工艺流程为先将金属合金材料进行轧制变形，形成1-4cm宽的带材，再经过适当的退火热处理使其晶粒择优取向，形成具有立方织构