[发明专利]微量稀土元素掺杂钇钡铜氧超导块体材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微量稀土元素掺杂钇钡铜氧超导块体材料的制备方法，特别涉及一种采用其它稀土元素(RE)微量取代钇钡铜氧(YBCO)中的Y，以实现高速生长YBCO超导块体材料的方法。

背景技术

熔融织构法(MTG)被普遍认为是一种极具潜力的REBCO高温超导块体材料制备方法。这些块体材料有许多潜在的应用，如可用于磁悬浮力、磁性轴承、飞轮储能和永磁体等方面。而在应用层面对块材的要求一般为具有较大的尺寸，较高的临界电流密度(J_c)。目前国内可用熔融织构法批量化制备出d＝30mm的YBCO块材，国外可用熔融织构法制备出d＝60mm的YBCO块材，并且已经商品化。众所周知，高温超导块材的磁悬浮力随样品尺寸增大而增大，所以在目前阶段块材应用研究的目标之一即为制备具有较大尺寸的超导单畴。但是目前在制备更大尺寸(d＞50mm)方面还存在一些技术上的困难：(1)YBCO亚稳区生长区间小，大尺寸块体材料必须采用较慢的降温速度；(2)稀土溶质(Y)在Ba-Cu-O溶济中溶解度小，溶解度温度系数大(液相线斜率大)，导致生长速度慢。利用非磁性元素如：Zn，Al进行Cu位取代，虽然也可以提高YBCO超导材料的Jc及其磁通钉扎能力，但是对于提高块材的生长速度不利。

发明内容

本发明的目的在于针对相应技术的不足，提供一种微量稀土元素掺杂钇钡铜氧超导块体材料的制备方法，不仅工艺简单，可以制备出无污染、取向性好的大单畴高温超导块体材料，更可以提高块体材料的生长速度，缩短生长时间，提高效率。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中，使用的是与Y同一周期其它稀土元素(RE：Pr，Sm和Nd)部分取代YBCO中的Y。由于与Y相比较而言，RE在Ba-Cu-O熔体中的溶解度和溶解度温度系数较高，因而利用RE取代Y生长YBCO超导块材具有较高的生长速度。(Y，RE)BCO体系中RE的分配系数大于1，因而(Y，RE)BCO的T_p随着RE含量增加而提高，即(Y，RE)BCO的T_p较YBCO的高。第一，(Y，RE)BCO的T_p提高会使得(Y，RE)BCO的生长区间变宽，增加了超导块材有效生长时间。第二，(Y，RE)BCO的T_p提高使得同一温度下的ΔT增大，提高了块材的生长速度。第三，(Y，RE)BCO体系中RE的分配系数大于1，当远离生长界面时，RE在Ba-Cu-O熔体中的浓度逐渐减小。也就是说，(Y，RE)BCO块体中RE的浓度以籽晶为中心呈梯度分布，随着与籽晶距离增加，(Y，RE)BCO块体的RE的浓度遂渐减小。而(Y，RE)BCO的T_p随着RE含量增加而提高。因而(Y，RE)BCO块体的T_p也以籽晶为中心呈梯度分布，随着与籽晶距离增加，(Y，RE)BCO块体的Tp遂渐减小。T_p的这种梯度分布克服了大尺寸块材生长过程中的自发形核问题，使得可以得到完整的准单畴结构。因此Pr，Sm和Nd微量取代是一种很好的实现快速生长大尺寸YBCO超导块材的方法。

要实现微量稀土元素掺杂快速生长大尺寸稀土钡铜氧超导块体材料，首先要按照适当比例将Y123，RE123和Y211来进行组分配料，煅烧研磨多次后，压制成前驱体片并在其顶部放上SmBCO单晶作籽晶，通过包晶反应：Y211+L→(Y，RE)BCO获得(Y，RE)BCO块体材料。

本发明的方法具体步骤如下：

1、按照(Y，RE)123+(20～35)mol％RE211组分配料；

2、在850-950℃下煅烧24-48小时，然后研磨；该煅烧、研磨过程共重复3遍；

3、将煅烧后研磨好的粉末压制成前驱体片，顶部放上一小块SmBCO单晶作为籽晶；

4、将前驱体片放在MgO单晶衬底上，整个体系放入密封系统中；

5、2小时升温至YBCO的包晶反应温度以下20-50℃，保温1-2小时；继续加热，2小时升温至包晶温度以上30±5℃，保温1-3小时；

6、在15分钟内将温度降低至包晶反应温度以下5-10℃，然后以每小时0.3-1℃的速率降温至包晶反应温度以下20-40℃，最后随炉冷却制得超导块体材料。

本发明所述的RE为Pr、Sm或Nd。