铜氧化物超导体成材的科学技术之二,带材

2020-06-26 00:00 admin

粉末装管法(PIT)是最常用的而且取得最好效果在制备BSCCO系超导线上。它是将适当配比的BSCCO粉末, 均匀、致密地装到银管中,然后经过拉拔(或锻造)使它成为所要求的形式(线材或带材),再进行一次或多次轧制、压制和热处理,便能得到高质量的Bi系带材。77K, OT下Jc~6.6×104A/cm2。图2-23是PIT法工艺流程。

在这形变、热处理中晶粒沿a-b面择优解理并取向排列。这涉及多方面材料科学技术问题。Bi(Pb)-Sr-Ca-Cu-O系统的相图是很复杂的,实际成份和理想的分子式有较大的变化,各个超导相也不稳定,容易形成多个杂相并存的局面,因此“原始”的粉料的成份、粒度等便是一个很有考究的问题。形变热处理对成相和形成织构都有许多需要认真对待的问题,氧化物原始厚度、均匀性、变形速率等因素都要优化,另外超导相和管壁的相互作用,氧的扩散、热处理过程、裂纹的产生等,都要加以考虑。实践证明,对于铋系2212相的带子, 热处理工艺应该利用部分熔化热处理过程, 这中间有Bi-2212相的分解和再形成的过程。而对Bi-2223带子, 则宜用反复的轧制和烧结过程, 在烧结热处理过程中, 氧化物层中出现了复杂的相变过程。无论是Bi(2212)还是Bi(2223)复银超导带材, 在4.2K情况下, 都有很好的临界电流密度(Jc)的特性, 在高的磁场情况下的电磁性能显著比传统的超导材料NbTi, Nb3Sn好。目前已研制出2.6特斯拉铋系超导磁体(4.2K), 确实令人鼓舞。

多芯Bi-2223/Ag带材作为高温超导材料在强电方面应用的首选材料,现将它的制备方法作简单叙述.粉末装管法(PIT)是较通用的方法.包套材料采用纯银或银-锰,银-镁-镍等合金管,要求银管无裂纹,气孔而内外表面光滑;化学原料Bi2O3,PbO,SrCO3,CaCO3,CuO的纯度为分析纯.料粉的化学计量Bi:Pb:Sr:Ca:Cu~(1.75-1.85):(0.32-0.34):(1.81-1.93):(1.94-2.06)(2.91-3.09))。

料粉加工方法有固相法和双粉法,为使粉体均匀,细化更有活性而采用硝酸盐喷雾热分解和草酸盐共沉淀等方法.然后将粉体装入银管(PIT)或将其以等静压方法制成棒装入银管(SIT)此时银管中料体的充装密度约为3.0-4.0g/cm3.装粉体的银管经拉拔最后拉成正六角形棒材,

根据要求将7,19,37,或61根….六角型材再次装入银管,这就是制备多芯Bi-2223/Ag带材的原棒材.棒材经退火处理,每次减径~10%,拉拔到Φ1.5-1.8mm,最后经Φ200-300 mm轧机逐步轧制成多芯Bi-2223/Ag带材, 带材的尺寸~2.0 mm *3.0 mm.为了获得高性能的多芯Bi-2223/Ag超导带材,

带材的热处理过程是十分重要的. 多芯Bi-2223/Ag带材热处理工艺特点是两次热处理中间加一次轧制工艺,第一次热处理工艺参数是在空气气氛中,830-835°C/30-40h, 第二次热处理工艺参数热处理时间为120-150 h, 轧制工艺带材减薄为~30%.此外, 带材的热处理也可以采用低氧压热处理工艺,即7.5-10%氧和92.5-90%氮或氩的气氛中, 热处理温度比在空气气氛中低~15°C, 热处理时间也比在空气气氛中短~20 h.经热处理后多芯Bi-2223/Ag带材的临界电流密度达104A/cm2,达到实用要求.

在比较成熟PIT法基础上,派生出金属化前驱物法(MP)和氧化物粉末装管法(OPIT)。这是制备多芯高温超导线的有效方法。MP法的工艺流程:先将各种金属粉末通过机制合金化法制成均匀的合金粉末(即前驱物);装入银管中,形成多股金属化前驱物/银的复合线;合金复合线被氧化成亚氧化物相,再次氧化成超导相;将超导相/银线材拉拔、烧结得到多芯复合超导线。用该法制备的10000芯超导线,单芯性能偏差在0.6%以下。是一种有前途的方法

为了高温超导材料实用化,有许多新的成材工艺相继出现。如熔体装管法,采用带钯涂层衬的铜管代替银管,可使生长成本下降,便于工业规模生产。还有借助薄膜制备方法制备窄的超导带(线)材,如MOCVD法,激光加热法等。

下面简单介绍一下刮带法制备超导带的工艺。图2-24中一种制备超导厚膜带的流程,这种工艺简单,但不适宜强电应用中材料的制备。

总而言之,围绕高Tc铜氧化物超导体的实用化目标,从材料科学的角度,已经做了大量研究工作,也取得了相当的进展,但是距离真正能满足实用的要求,还有大量的工作要做。

在这节结束之前,想讲一下超导单晶。要研究高温超导体物理性能,只有用超导单晶,才能反映出本质的特征。否则所测得数据往往由于样品的不同,使数据十分离散。但至今单晶体的生产技术仍没重大的突破,主要的几种高温超导体YBCO,BSCCO和TBCCO的单晶不论是在质量和尺寸上都不能满足物性研究的需要, 所以高温超导单晶体生长技术仍是急待解决的关键技术之一。