YGdBCO带材前驱焊料研制及超导连接工艺探索

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由于REBa2Cu3O7-δ(RE:Y、Gd等稀土元素)超导涂层导体在液氮温区具有高的临界电流密度和上临界磁场以及优异的力学性能,REBCO涂层导体即第二代高温超导带材在电力能源、交通运输、生物医学、航天发展和国防军事等领域有广泛的应用价值。在超导材料的诸多应用中,超导磁体是目前最大的工程应用。受加工工艺限制,现行带材长度无法满足线圈绕制的需求。同时为满足不同磁场形状和场强及闭环电流模式等,超导磁体需要通过接头连接各个线圈。此外,超导磁体在闭环恒流模式下,电流衰减几乎为零,能产生极其稳定的磁场,而闭合线圈的的形成,离不开超导接头。本文以在YGd BCO带材超导层上制备超导焊料为出发点,一方面通过提高膜厚增大YBCO涂层导体的载流能力,另一方面以有效缓解陶瓷属性的界面无法仅依赖高温熔融实现高质量连接为目标,重点研究了YBCO超导焊料的制备工艺和YGd BCO高温超导带材超导连接工艺,并围绕超导接头制备中遇到的实际问题展开了较为深入的探索,为超导接头制备奠定了基础研究。本研究以上海超导公司(SHSC)的4 mm宽YGd BCO银带材为载体,在带材超导层上旋涂YBCO薄膜,经过系列的热处理工艺制备成YBCO超导焊料。研究了以丙酸为溶剂前驱溶液和新开发的以甲醇为溶剂前驱溶液对YGd BCO带材超导层表面的腐蚀情况。结果表明随着时间延长,丙酸为溶剂前驱溶液在室温和干燥条件下会对带材超导层表面产生越来越严重得腐蚀,但以甲醇为溶剂前驱溶液无论是在室温和干燥条件下都不会对带材超导层表面产生腐蚀。通过对超导焊料的制备研究发现:YGd BCO高温超导带材在溶液涂敷和管式炉干燥低温热处理过程中不会对带材超导层结构、表面形貌和超导性能产生破坏。在低温分解热处理时会造成带材内部氧含量降低,从而衰减带材临界电流值,但进行充氧处理后,其临界电流值可以恢复至母材水平。研究中确定了在YGd BCO带材超导层制备多晶膜的最佳温度为795℃,最佳生长时间为60 min,在这一条件下制备的多晶膜样品带材超导层结构、微观形貌和超导性能不会被破坏,且临界电流值能够保持在正常范围内。通过自制模具施加压力制备超导接头,分别研究了模具施加压力的均匀性和不同接头结构对带材超导层形貌的影响。通过对高温连接工艺探索,确定了在YGd BCO带材超导接头制备过程中单晶膜生长的最佳温度为820℃,最佳生长时间为30 min,通过在450℃保温5 h氧化退火处理后,单晶膜样品带材超导层结构和超导性能可以恢复至母材水平。对接头内部微观结构研究发现,边缘应力集中效应会破坏带材超导层。接头在经过高温连接处理后,多晶膜可以在封闭的接头环境中实现单晶生长。探索以YBCO超导焊料制备第二代高温超导带材超导接头的方法,通过在接头处经过热处理制备超导焊料,进而制备出超导接头。初步研究显示,这种方法制备高性能的超导接头具有很强的可行性。
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