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雙面高溫超導帶材YBa2Cu3O7-x(YBCO)
目前,世界范圍內能源供應越來越緊張,而電能有大量浪費在傳輸線上,如果使用高溫超導線材,不僅可避免這些損失,還可以節約大量的金屬材料。因為同樣直徑的高溫超導材料的導體能力高于普通銅導線的100倍以上。高溫超導線材制成的超導器件具有損耗低、體積小、重量輕和效率高等特點。因此,超導技術越來越成為一種不可替代的具有經濟戰略意義和巨大發展潛力的高新技術,將會對國民經濟和人類社會的發展產生巨大推動作用。
近年來研發成功的以YBa2Cu3O7-x(YBCO)為代表的新一代高溫超導帶材較之第一代Bi系帶材,擁有更高的磁通釘扎能力,在磁場下的性能遠優于Bi系帶材。同時,YBCO帶材是將YBCO薄膜生長在柔性的金屬基帶上,形成可卷繞、可承載大電流、具有層狀結構的超導帶,其載體材料一般為鎳金屬或合金基帶,無需使用貴金屬材料,因此其制備成本可以大幅降低。目前,新一代高溫超導帶材已成為全世界超導材料研究的熱點。
研究表明,晶粒間夾角對YBCO薄膜臨界電流密度的影響很大,當晶界角超過5°后薄膜電流承載能力會大幅下降,這就要求帶材結構中的超導層晶粒排列相當整齊,這使得高性能YBCO長帶材的制備條件非常苛刻,必須使用薄膜沉積方法制備。迄今,各研究機構都在不斷探索以期得到成本更低、性能更高、長度更長的YBCO帶材。
我國電子科技大學的科研人員最近研發出一種雙面高溫超導帶材,這種帶材是在合金基帶的兩面同時制備緩沖層和超導層薄膜。由于帶材的厚度主要取決于基帶,如能實現緩沖層和超導層薄膜良好的均勻性和雙面一致性,將在幾乎相同厚度的帶材上實現其電流承載能力的成倍增長。因此雙面高溫超導帶材的研制成功是進一步降低生產成本,提高帶材電流承載能力的一個重要突破。
他們采用軋制輔助雙軸織構基帶作為襯底,采用反應濺射法來制備雙面Y2O3雙面種子層,通過引入水汽使Y原子在基帶上氧化成膜,同時有效避免基帶的氧化。通過對工藝參數的優化,他們成功地制備出了高質量的Y2O3種子層,其內外位向差在幾度之內,大大改善了金屬基帶的雙軸織構特性。同時,薄膜表面的粗糙度僅為2.8nm。在所制備的高質量種子層上采用濺射方法外延生長YSZ阻擋層和CeO2模板層,薄膜表面光滑,并具有良好的均勻性和雙面一致性。采用雙倒筒靶濺射法制備YBCO超導層,采用旋轉結合軸向自動進退,改善了薄膜受熱不均的現象,獲得了高質量的雙面高溫超導帶材。其中短樣雙面臨界電流Ic之和超過了400A/cm-w,同時成功制備了長度超過1米,Ic>210A/cm-w的雙面高溫超導帶材。已有的結果表明,隨著緩沖層制備效率的進一步提升,有望在不久的將來實現百米級高性能高溫超導帶材的規模化生產。
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