[发明专利]一种简化的高效低成本高温超导长带退火方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种简化的高效低成本高温超导长带退火方法。

背景技术

自从1986年新型氧化物高温超导体发现以来，该领域已经取得了很大的进展。由于钇钡铜氧超导体(YBCO)在液氮温区(77K)具有非常高的不可逆场,用这种材料制成的带材在高场中具有很强的高载流能力，使得它在电力应用,如传输电缆、电机、储能和磁体等诸多方面具有广阔的应用前景。

与传统的金属低温超导体相比，高温超导体属于氧化物材料，就其机械性能而言，属“氧化物陶瓷”系列，所以，与传统的低温超导材料相比不易加工成各种应用所需的线材或带材，故无法在能源、电力、医疗、和军工领域大规模应用。为了解决高温超导材料不易加工成线材这一难题，科学家们首先采用的方法是“银包套”方法，称之为第一代高温超导带材。“银包套”方法的原理是将铋系高温超导粉末灌入空心银套筒中，经过拉伸及加压等工艺加工成4毫米宽0.2毫米厚的银包套高温超导带材。经过“银包套”方法加工的高温超导带材具有很好的柔软性，可用于制造高温超导电缆、超导线圈、超导发电机、超导马达、超导变压器、超导限流器等各种设备。第一代高温超导带材以铋系（铋为锶为钙为铜为氧）高温超导材料为主。目前，由铋系氧化物（BSCCO）制成的第一代高温超导带材（又称铋系带材）已迈向商品化，但由于原材料银的成本相当昂贵，故采用银包套法制成的第一代高温超导带材的成本很高。另外，由于其它普通金属套筒材料（铜、铝、不锈钢、各类合金等）会与超导粉料发生化学反应，无法替代昂贵的原材料银，这使得采用银包套法制成的第一代高温超导带材难以实现大规模商业化应用。

为了实现稀土氧化物高温超导材料的商业化大规模应用，解决高温超导材料不易加工成线材这一难题的另一种途径是镀膜法，即采用各种镀膜手段在很薄（40－100微米）的传统金属基带（镍基合金或不锈钢等其它合金）上镀一层大约1到几个微米厚的稀土氧化物高温超导薄膜。采用镀膜方法制备的稀土氧化物高温超导带材称之为第二代高温超导带材，以钇钡铜氧为代表。

与“银包套”法技术研制的第一代高温超导带材相比，第二代高温超导带材具有更优越的超导性能，因为采用镀膜方法形成的钇钡铜氧高温超导带材具有几乎完美的单晶结构，所以具有很强的超导电流传输能力。与传统的铜导线相比，相同横截面积超导带材的载流能力是铜导线的几百倍。而金属基带的成本很低，故随着研发水平的提高，第二代高温超导带材的成本将会大大降低。近年来由于石油、贵金属、有色金属等原材料价格的大幅上涨，使第二代高温超导带材的成本目标更容易实现。

第二代高温超导带材的主要研发方向是具有实用化价值的公里级长带的规模化加工制备技术。近年来，美国、日本、欧洲在千米级第二代高温超导带材制备技术上取得了很大进展，并已开始规模化生产和应用。

第二代高温超导带材的制备工艺流程主要包括金属基带制备、功能层多层膜制备以及后处理退火工艺。以钇钡铜氧为代表的稀土氧化物超导体其结构和超导性能与氧含量非常密切。就超导层制备工艺而言，分为两大类，一类为原位外延生长制备工艺。在原位外延生长制备超导层的工艺过程中，通过加热器金属基带处在高温状态下，超导层生长温度在700-850℃之间。在金属基带上沉积的超导膜以外延生长的形式可直接一次性形成具有单一取向和面内织构度的准单晶结构。另一类为二次成相制备工艺。在二次成相制备超导层的工艺过程中，超导层的初始状态为非晶态。然后将已沉积的非晶态超导膜在高温退火炉中进行退火处理以形成所需的准单晶结构，非晶态超导层结晶化的退火温度为800-900℃。 无论是一次成相制备的超导层还是二次成相制备的超导层，其晶体结构均为四方相（YBa₂Cu₃O_7-δ，δ>0.65）。就稀土氧化物而言，四方相为缺氧态，不具有超导性能。只有氧含量较高的正交相（YBa₂Cu₃O_7-δ，δ<0.2）才具有超导性能。因此为了获得优越的超导性能，无论采用哪种工艺制备的稀土氧化物高温超导带材都必须在纯氧气氛炉内进行退火处理，尽量增加稀土氧化物高温超导层内的氧含量。以钇钡铜氧为代表的稀土氧化物高温超导体最佳吸氧温度为450-500℃，氧气压为1个标准大气压，退火时间为1小时以上。