由液相源包覆滲透生長(zhǎng)方式制備單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種由液相源包覆滲透生長(zhǎng)方式制備單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材的方法，由配制Y2BaCuO5前驅(qū)粉、配制液相源粉、壓制前驅(qū)塊、裝配前驅(qū)塊、熔滲生長(zhǎng)單疇釔鋇銅氧塊材、滲氧處理步驟組成。通過(guò)使用BaO和CuO的混合粉Ba3Cu5O8作為液相源，使得整個(gè)熔滲生長(zhǎng)過(guò)程僅需Y2BaCuO5一種前驅(qū)粉，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，縮短了實(shí)驗(yàn)周期，提高了制備效率。采用了液相源包覆Y2BaCuO5固相塊的成型方式，在高溫下可實(shí)現(xiàn)液相從樣品底面和側(cè)面兩個(gè)方向的滲透，更有利于樣品的完整生長(zhǎng)。此外，采用液相源包覆Y2BaCuO5固相塊的成型方式，整個(gè)樣品的高度大大降低，在高溫下更容易保持直立，可避免樣品出現(xiàn)傾斜或倒塌的情況，從而提高了熔滲生長(zhǎng)方法的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。
【專利說(shuō)明】由液相源包覆滲透生長(zhǎng)方式制備單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高溫銅氧化物超導(dǎo)材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及到一種由液相源包覆滲透生長(zhǎng)方式制備單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單疇稀土基銅氧化物高溫超導(dǎo)塊材(RE-Ba-Cu-Ο，其中RE為稀土元素，如Y、Gd、Sm、Nd等)具有較高的轉(zhuǎn)變溫度、臨界電流密度和較強(qiáng)的磁通釘扎能力，能表現(xiàn)出很強(qiáng)的捕獲磁通能力、較大的磁懸浮力性能以及良好的自穩(wěn)定磁懸浮特性。這一優(yōu)勢(shì)為該類材料的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，特別是在超導(dǎo)強(qiáng)磁體、磁懸浮軸承、儲(chǔ)能飛輪以及超導(dǎo)電機(jī)、發(fā)電機(jī)等方面具有良好的應(yīng)用前景，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ母呒夹g(shù)材料。
[0003]基于液相滲透和籽晶引導(dǎo)慢冷生長(zhǎng)的頂部籽晶熔滲生長(zhǎng)工藝(TSIG)是制備單疇RE-Ba-Cu-O超導(dǎo)塊材的主流方法之一。該工藝使用了高熔點(diǎn)的RE2BaCuO5固相壓制前驅(qū)坯體，在高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中能很好的保持樣品形狀，可以有效解決傳統(tǒng)熔化生長(zhǎng)工藝中存在的樣品收縮、變形，內(nèi)部存在氣孔及宏觀裂紋等問(wèn)題，還能在樣品內(nèi)部捕獲更多的小粒徑RE2BaCuO5粒子，從而改善了樣品的力學(xué)性能并獲得了更優(yōu)越的磁通釘扎能力。此外，該工藝還可用來(lái)制備其他形狀或結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)樣品，如超導(dǎo)圓環(huán)，多孔結(jié)構(gòu)或泡沫結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)材料等，以滿足人們的不同需要。在目前的TSIG工藝中，人們一般將RE2BaCuO5固相塊放置在富Ba、Cu液相源輔助塊的上面，而在高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中，由于液相成分的消耗，液相源塊的直徑會(huì)嚴(yán)重收縮，使其不能很好的支撐其上的樣品塊，因此經(jīng)常出現(xiàn)樣品傾斜或倒塌的情況，這限制了 TSIG制備工 藝的推廣使用。此外，由于液相源塊被放置在RE2BaCuO5固相塊的下方，因此液相向固相塊的轉(zhuǎn)移只能通過(guò)固相塊的底面、由下向上地進(jìn)行。這種裝配方式有利于固相塊向樣品底部的生長(zhǎng)，但對(duì)于固相塊向樣品外緣方向的生長(zhǎng)，這種單一方向的液相滲透方式尚具不足。因?yàn)楫?dāng)籽晶引導(dǎo)的REBa2Cu307_s單疇區(qū)生長(zhǎng)到一定尺寸，其側(cè)面的未生長(zhǎng)區(qū)與下面液相源的連通通道變窄，使得液相的供應(yīng)、RE2BaCuO5粒子向液相的排出都變得困難，這會(huì)降低REBa2Cu307_s單疇區(qū)繼續(xù)生長(zhǎng)的速率，給樣品的完整生長(zhǎng)帶來(lái)困難。因此，有必要設(shè)計(jì)發(fā)明出新型的裝配方式來(lái)實(shí)現(xiàn)液相向樣品的多方向滲透，從而促進(jìn)樣品的完整生長(zhǎng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種步驟簡(jiǎn)單、效率高且能促進(jìn)樣品完整生長(zhǎng)的、由液相源包覆滲透生長(zhǎng)方式制備單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材的方法。
[0005]解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案由下述步驟組成:
Cl)配制Y2BaCuO5前驅(qū)粉:
將Y2O3與BaO、CuO初始粉按摩爾比為1:1:1的比例混合均勻，用固相反應(yīng)法制成Y2BaCuO5前驅(qū)粉；(2)配制液相源粉:
將BaO、CuO初始粉按摩爾比為3:5的比例混合均勻，制成名義組分為Ba3Cu5O8的混合粉，作為液相源粉；
(3)壓制前驅(qū)塊:
取Y2BaCuO5前驅(qū)粉放入圓柱型模具I中，壓制成Y2BaCuO5固相塊；將Y2BaCuO5固相塊放入圓柱型模具2的腔體中，填充液相源粉，壓制成液相源包覆的Y2BaCuO5樣品塊；其中Y2BaCuO5前驅(qū)粉與填充的液相源粉的質(zhì)量比為1:1.75~2.25，圓柱型模具2的直徑為比圓柱型模具I大4~14 mm ;再取Yb2O3初始粉放入圓柱型模具2中,壓制成厚約2 mm的薄片，作為支撐塊；
(4)裝配前驅(qū)塊:
將液相源包覆的Y2BaCuO5樣品塊放置在支撐塊正上方，將一塊釹鋇銅氧籽晶置于液相源包覆的Y2BaCuO5樣品塊的上表面中心位置，完成前驅(qū)塊的裝配；
(5)熔滲生長(zhǎng)單疇釔鋇銅氧塊材:
將裝配好的前驅(qū)塊放在Al2O3墊片上，中間隔以3~5個(gè)等高的MgO單晶粒，然后整體放入井式爐中，以每小時(shí)80~120°C的升溫速率升溫至850~950°C，保溫5~15小時(shí)；再以每小時(shí)60°C的升溫速率升溫至1040~1050°C，保溫0.5~2小時(shí)；然后以每小時(shí)60°C的降溫速率降溫至1000~1010°C，再以每小時(shí)0.1~0.5°C的降溫速率慢冷至980~990°C，隨爐自然冷卻至室溫，得到單疇釔鋇銅氧塊材；
(6)滲氧處理:
將單疇釔鋇銅氧塊材放入石英管式爐中，在流通氧氣氣氛中，450~400°C的溫區(qū)中慢冷200小時(shí)，得到單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材。
[0006]在本發(fā)明的壓制前驅(qū)塊步驟(3)中，Y2BaCuO5前驅(qū)粉與填充的液相源粉的最佳質(zhì)量比為1:2，圓柱型模具2的最佳直徑為比圓柱型模具I大10 mm ;在熔滲生長(zhǎng)單疇釔鋇銅氧塊材步驟(5)中，最佳以每小時(shí)100°C的升溫速率升溫至900°C，保溫10小時(shí)；再以每小時(shí)60°C的升溫速率升溫至1045°C，保溫I小時(shí)；然后最佳以每小時(shí)60°C的降溫速率降溫至1005°C，再以每小時(shí)0.25°C的降溫速率慢冷至985°C，隨爐自然冷卻至室溫，得到單疇釔鋇銅氧塊材。
[0007]本發(fā)明采用頂部籽晶熔滲生長(zhǎng)方法，通過(guò)使用BaO和CuO的混合粉Ba3Cu5O8作為液相源，使得整個(gè)熔滲生長(zhǎng)過(guò)程僅需Y2BaCuO5 —種前驅(qū)粉，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，縮短了實(shí)驗(yàn)周期，提高了制備效率。采用了液相源包覆Y2BaCuO5固相塊的成型方式，在高溫下可實(shí)現(xiàn)液相從樣品底面和側(cè)面兩個(gè)方向的滲透，更有利于樣品的完整生長(zhǎng)。此外，采用液相源包覆Y2BaCuO5固相塊的成型方式，整個(gè)樣品的高度大大降低，在高溫下更容易保持直立，可避免樣品出現(xiàn)傾斜或倒塌的情況，從而提高了熔滲生長(zhǎng)方法的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。本發(fā)明可用于制備釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材，也可用于制備Gd、Sm、Nd等其他系列的高溫超導(dǎo)塊材。
[0008]【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】:
圖1是實(shí)施例1的裝配前驅(qū)塊的示意圖；其中I為液相源包覆的Y2BaCuO5樣品塊，2為支撐塊，3為釹鋇銅氧籽晶；
圖2是實(shí)施例1制備的 單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材的表面形貌圖；
圖3是實(shí)施例1制備的單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材的臨界電流密度曲線。[0009]
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。其中所用到的Y203、BaO、CuO, Yb2O3原來(lái)均有市售。
[0011]實(shí)施例1
(1)配制Y2BaCuO5前驅(qū)粉:
取 73.8453g Υ203、50.1414g Ba0、26.0133g CuO 初始粉混合均勻，即 Y2O3 與 BaO、CuO 初始粉的摩爾比為1:1:1，用固相反應(yīng)法制成Y2BaCuO5前驅(qū)粉；
(2)配制液相源粉:
取80.4435g Ba0、69.5565g CuO初始粉混合均勻，即BaO與CuO初始粉的摩爾比為3:5，制成名義組分為Ba3Cu5O8的混合粉，作為液相源粉； (3)壓制前驅(qū)塊:
取6g Y2BaCuO5前驅(qū)粉放入圓柱型模具I (直徑16 mm)中，壓制成Y2BaCuO5固相塊；將Y2BaCuO5固相塊放入圓柱型模具2 (直徑26 mm)的腔體中，填充液相源粉12g，壓制成液相源包覆的Y2BaCuO5樣品塊；即Y2BaCuO5前驅(qū)粉與填充的液相源粉的質(zhì)量比為1:2，圓柱型模具2的直徑為比圓柱型模具I大10 mm ;再取3g Yb2O3初始粉放入圓柱型模具2 (直徑26mm)中，壓制成厚約2 mm的薄片,作為支撐塊；
(4)裝配前驅(qū)塊:
如圖1所示，在圖1中，將液相源包覆的Y2BaCuO5樣品塊I放置在支撐塊2正上方，將一塊釹鋇銅氧籽晶3置于液相源包覆的Y2BaCuO5樣品塊I的上表面中心位置，完成前驅(qū)塊的裝配；
(5)熔滲生長(zhǎng)單疇釔鋇銅氧塊材:
將裝配好的前驅(qū)塊放在Al2O3墊片上，中間隔以4個(gè)等高的MgO單晶粒，然后整體放入井式爐中，以每小時(shí)100°C的升溫速率升溫至900°C，保溫10小時(shí)；再以每小時(shí)60°C的升溫速率升溫至1045°C，保溫I小時(shí)；然后以每小時(shí)60°C的降溫速率降溫至1005°C，再以每小時(shí)0.25°C的降溫速率慢冷至985°C，隨爐自然冷卻至室溫，得到單疇釔鋇銅氧塊材；
(6)滲氧處理:
將單疇釔鋇銅氧塊材放入石英管式爐中，在流通氧氣氣氛中，450~400°C的溫區(qū)中慢冷200小時(shí)，得到單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材。
[0012]所制備的單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材，用照相機(jī)拍攝表面形貌，照片如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，樣品表面光滑，四徑清楚，且無(wú)自發(fā)成核現(xiàn)象，說(shuō)明樣品成功生長(zhǎng)為單疇的超導(dǎo)塊材。
[0013]應(yīng)用低速金剛石切割機(jī)(SYJ-150型，沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司生產(chǎn))在所制備的單疇乾鋇銅氧超導(dǎo)塊材上切取一尺寸為2 mmX2 mmX I mm的小樣品,再利用低溫磁性測(cè)試裝置(MPMS-XL-7，美國(guó)Quantum Design公司生產(chǎn))在77K溫度下測(cè)試其磁滯回線。用測(cè)得的磁滯回線推算其臨界電流密度(J。)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，樣品的零場(chǎng)J。為
5.48 X IO4 A/cm2，不可逆場(chǎng)約為 4.5T。
[0014]實(shí)施例2在壓制前驅(qū)塊步驟(3)中，取6g Y2BaCuO5前驅(qū)粉放入圓柱型模具I (直徑16 mm)中，壓制成Y2BaCuO5固相塊；將Y2BaCuO5固相塊放入圓柱型模具2 (直徑20 mm)的腔體中，填充液相源粉10.5g，壓制成液相源包覆的Y2BaCuO5樣品塊；即Y2BaCuO5前驅(qū)粉與填充的液相源粉的質(zhì)量比為1:1.75，圓柱型模具2的直徑為比圓柱型模具I大4 mm ;再取2g Yb2O3初始粉放入圓柱型模具2 (直徑20 mm)中，壓制成厚約2 mm的薄片，作為支撐塊。
[0015]在熔滲生長(zhǎng)單疇釔鋇銅氧塊材步驟(5)中，將裝配好的前驅(qū)塊放在Al2O3墊片上，中間隔以3個(gè)等高的MgO單晶粒，然后整體放入井式爐中，以每小時(shí)120°C的升溫速率升溫至950°C，保溫5小時(shí)；再以每小時(shí)60°C的升溫速率升溫至1050°C，保溫0.5小時(shí)；然后以每小時(shí)60°C的降溫速率降溫至1010°C，再以每小時(shí)0.50C的降溫速率慢冷至980°C，隨爐自然冷卻至室溫，得到單疇釔鋇銅氧塊材。
[0016]其他步驟與實(shí)施例1相同。制備得到單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材。
[0017]實(shí)施例3
在壓制前驅(qū)塊步驟(3)中，取6g Y2BaCuO5前驅(qū)粉放入圓柱型模具I (直徑16 mm)中，壓制成Y2BaCuO5固相塊 ；將Y2BaCuO5固相塊放入圓柱型模具2 (直徑30 mm)的腔體中，填充液相源粉13.5g，壓制成液相源包覆的Y2BaCuO5樣品塊；即Y2BaCuO5前驅(qū)粉與填充的液相源粉的質(zhì)量比為1:2.25，圓柱型模具2的直徑為比圓柱型模具I大14 mm;再取3.5g Yb2O3初始粉放入圓柱型模具2 (直徑30 mm)中，壓制成厚約2 mm的薄片，作為支撐塊。
[0018]在熔滲生長(zhǎng)單疇釔鋇銅氧塊材步驟(5)中，將裝配好的前驅(qū)塊放在Al2O3墊片上，中間隔以5個(gè)等高的MgO單晶粒，然后整體放入井式爐中，以每小時(shí)80°C的升溫速率升溫至850°C，保溫15小時(shí)；再以每小時(shí)60°C的升溫速率升溫至1040°C，保溫2小時(shí)；然后以每小時(shí)60°C的降溫速率降溫至1000°C，再以每小時(shí)0.10C的降溫速率慢冷至990°C，隨爐自然冷卻至室溫，得到單疇釔鋇銅氧塊材。
[0019]其他步驟與實(shí)施例1相同。制備得到單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材。
[0020]實(shí)施例4
單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材的實(shí)際使用情況。
[0021]本發(fā)明制備的單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材可用于超導(dǎo)電機(jī)/發(fā)電機(jī)，超導(dǎo)限流器，磁懸浮軸承，儲(chǔ)能飛輪，超導(dǎo)磁懸浮列車模型等設(shè)備或演示儀器的制作。
【權(quán)利要求】
1.一種由液相源包覆滲透生長(zhǎng)方式制備單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材的方法，其特征在于它由下述步驟組成: (1)配制Y2BaCuO5前驅(qū)粉: 將Y2O3與BaO、CuO初始粉按摩爾比為1:1:1的比例混合均勻，用固相反應(yīng)法制成Y2BaCuO5前驅(qū)粉； (2)配制液相源粉: 將BaO、CuO初始粉按摩爾比為3:5的比例混合均勻，制成名義組分為Ba3Cu5O8的混合粉，作為液相源粉； (3)壓制前驅(qū)塊: 取Y2BaCuO5前驅(qū)粉放入圓柱型模具I中，壓制成Y2BaCuO5固相塊；將Y2BaCuO5固相塊放入圓柱型模具2的腔體中，填充液相源粉，壓制成液相源包覆的Y2BaCuO5樣品塊；其中Y2BaCuO5前驅(qū)粉與填充的液相源粉的質(zhì)量比為1:1.75~2.25，圓柱型模具2的直徑為比圓柱型模具I大4~14 mm ;再取Yb2O3初始粉放入圓柱型模具2中,壓制成厚約2 mm的薄片，作為支撐塊； (4)裝配前驅(qū)塊: 將液相源包覆的Y2BaCuO5樣品塊放置在支撐塊正上方，將一塊釹鋇銅氧籽晶置于液相源包覆的Y2BaCuO5樣 品塊的上表面中心位置，完成前驅(qū)塊的裝配； (5)熔滲生長(zhǎng)單疇釔鋇銅氧塊材: 將裝配好的前驅(qū)塊放在Al2O3墊片上，中間隔以3~5個(gè)等高的MgO單晶粒，然后整體放入井式爐中，以每小時(shí)80~120°C的升溫速率升溫至850~950°C，保溫5~15小時(shí)；再以每小時(shí)60°C的升溫速率升溫至1040~1050°C，保溫0.5~2小時(shí)；然后以每小時(shí)60°C的降溫速率降溫至1000~1010°C，再以每小時(shí)0.1~0.5°C的降溫速率慢冷至980~990°C，隨爐自然冷卻至室溫，得到單疇釔鋇銅氧塊材； (6)滲氧處理: 將單疇釔鋇銅氧塊材放入石英管式爐中，在流通氧氣氣氛中，450~400°C的溫區(qū)中慢冷200小時(shí)，得到單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材。
2.權(quán)利要求1所述的由液相源包覆滲透生長(zhǎng)方式制備單疇釔鋇銅氧超導(dǎo)塊材的方法，其特征在于:在壓制前驅(qū)塊步驟(3)中，Y2BaCuO5前驅(qū)粉與填充的液相源粉的質(zhì)量比為1:.2，圓柱型模具2的直徑為比圓柱型模具I大10 mm ;在熔滲生長(zhǎng)單疇釔鋇銅氧塊材步驟(5)中，將裝配好的前驅(qū)塊放在Al2O3墊片上，中間隔以4個(gè)等高的MgO單晶粒，然后整體放入井式爐中，以每小時(shí)100°C的升溫速率升溫至900°C，保溫10小時(shí)；再以每小時(shí)60°C的升溫速率升溫至1045°C，保溫I小時(shí)；然后以每小時(shí)60°C的降溫速率降溫至1005°C，再以每小時(shí).0.25°C的降溫速率慢冷至985°C，隨爐自然冷卻至室溫，得到單疇釔鋇銅氧塊材。
【文檔編號(hào)】C04B35/505GK103951434SQ201410217604
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】李國(guó)政, 董磊, 鄧建華 申請(qǐng)人:天津師范大學(xué)