单畴YBa2Cu307-δ(YBCO)超导块材是具有较高的临界电流密度,较高的捕获磁场和较大磁悬浮力的最重要最有实用化潜力的高温超导材料之一,在超导磁悬浮,超导磁体,储能飞轮等高新技术领域有着广泛的应用前景。因此,世界各国尤其是发达国家均投入大量的人力财力进行相关的研究,以便在这一高新技术领域的国际竞争中占据优势地位。目前,YBCO超导块材的制备技术和应用已取得了长足的进展,但是在其走向实用化的过程中还存在一些关键问题需要解决,如如何优化和提高YBCO超导块材的性能,降低制备成本,提高制备效率等。为了解决这些关键问题本文主要开展了以下几方面的工作:(1)改进了实验室自行研制的晶体生长高温摄像装置,对YBCO超导体的晶体生长过程进行了实时全程记录,对不同过冷度下等温生长的YBCO超导晶体的生长规律进行了细致研究,为理解晶体生长机制,提高YBCO超导晶体制备成品率奠定了基础。(2)以提高效率,简化工艺,降低成本为目标对顶部籽晶熔渗法(TSIG)进行了改进。在顶部籽晶熔融织构法(TSMTG)的基础上,提出了顶部籽晶金属氧化物熔融织构法(TS-MOMTG)这一全新的YBCO超导块材制备方法,该方法极大地缩短了超导块材的制备时间,提高了制备效率,是一种高效率低成本环保的绿色制备工艺。(3)通过掺杂Y2Ba4CuNbOy(YNb2411)和Nb205在YBCO超导体中成功引入第二相粒子,提高了 YBCO超导体的临界电流密度。(4)研究了不同脉冲峰值磁场和同一脉冲峰值磁场反复多次充磁对YBCO超导体捕获磁通密度的影响;对比了永磁体磁场和脉冲磁场两种不同的充磁方式对YBCO超导体捕获磁通密度的影响。改进了晶体生长监控仪的结构和光路设计,使之可以根据光强和晶体表面高低的变化更方便地实时调节焦距、对比度等关键参数,提高了晶体生长过程中录像的整体质量,同时也大大提高了系统工作的稳定性。晶体生长监控仪可以更直观地研究晶体生长规律,也为探索大尺寸、批量化制备超导块材提供了很好的手段和条件。利用改进后的晶体生长监控仪细致观察了不同过冷度下的YBCO晶体等温生长的全过程,研究了 YBCO超导晶体的生长规律。确定了 YBCO晶体生长的温度窗口为988～1008℃。YBCO超导块材的晶体生长长度与生长时间之间不存在严格的线性关系,YBCO晶体生长的平均速率随过冷度的增大而增大,二者的关系可以用Ra=a(△T)b来描述。在一定的过冷度下,YBCO晶体的平均生长速率与生长时间有关。当过冷度△T≥15℃时,平均速率随时间逐渐减小;当过冷度△T≤11℃时,平均速率先随时间逐渐减小然后趋于一个稳定值。YBCO晶体的瞬时生长速率在0.01～0.72mmh-1之间,具有很大的波动性,这种波动性与生长长度和生长时间之间不成严格的线性关系相一致,更直观地反应了超导块材生长的不均匀性和复杂性。但瞬时生长速率的平均值随过冷度的增大呈线性增加。通过对Y2O3-BaO-CuO三元相图的分析,提出了顶部籽晶金属氧化物熔融织构生长法(TS-MOMTG)的YBCO超导块材的新制备方法。该新方法直接采用Y2O3、BaO、CuO三种金属氧化物作原料粉体,经熔融织构生长得到单畴YBCO超导体。无需制备Y123、Y211和Y011任何一种先驱粉体,节省了时间、能源、人力,提高了效率降低了成本,减少了含稀土元素的废水排放。因此,是一种高效率、低成本、环保的绿色制备工艺。通过仔细分析传统TSIG法制备工艺中Y2BaCuO5(Y211)、BaCuC2(Y011)、YBa2Cu3O7-δ(Y123)三种先驱粉在晶体生长中的作用,采用(Y211+Y035)新液相源代替了传统的(Y123+Y035)液相源,成功制备了 YBCO单畴超导块材。采用新液相源和传统的液相源制备的YBCO样品的磁悬浮力和捕获磁通密度,分别为33N、0.296T和31N、0.28T。表明两种方法制备的样品整体超导性能基本不相上下,但改进的TSIG法只需要制备Y211和Y035两种先驱粉节省了时间,简化了工艺。在改进的TSIG法制备的YBCO超导体中掺杂YNb2411或Nb2O5粉体,均可在晶体生长阶段在超导体Y123相中形成纳米量级的YNb2411第二相粒子;随着掺杂量的增加,YNb2411粒子的粒径均略有增大;两种掺杂均会在YBCO超导体表面形成小台阶状的褶皱区域。YNb2411第二相纳米粒子可以增强超导体的磁通钉扎能力,从而提高超导体的超导性能。两种掺杂方式对YBCO超导体的影响不同之处在于:掺杂YNb2411,当掺杂量大于10wt%时,YNb2411粒子会发生团聚,但Y211粒子的大小、分布没有明显的变化,掺杂量过大会在晶体生长过程中出现严重的随机成核,使籽晶的外延生长受到抑制;掺杂Nb2O5,随着掺杂量的增加,没有发现YNb2411粒子的团聚,Nb2O5的添加在一定程度上有助于细化Y211粒子,掺杂量对YBCO晶体的单畴形貌的生长影响不太大。当YNb2411粒子掺杂量为7 wt%时,YBCO超导体的磁悬浮力和捕获磁通密度最大,分别为42.5N、0.313T;当Nb2O5掺杂量为0.9wt%时,磁悬浮力与捕获磁通密度达到最大值,分别为36 N、0.263 T,临界电流密度Jc在零场77K时可达3.6 × 104 A/cm2,60 K可达 1 × 105 A/cm2。采用脉冲磁场的充磁方式对YBCO超导体充磁,超导体的捕获磁通密度最大值随着脉冲峰值磁场的增强,先增大后减小,存在一个最佳的充磁峰值磁场。同时,超导体的捕获磁通密度分布形态也有相应的变化:从边缘高中心低的“凹陷”形态,到“凹陷”消失的单峰形态,再到双峰甚至多峰形态。对于直径20 mm的YBCO超导体,最佳脉冲峰值磁场在4.8 T左右。在最佳充磁峰值磁场作用下,连续多次充磁可以提高YBCO超导体的最大捕获磁场,可以提高超导体捕获磁通密度分布的对称性。连续充磁7次,最大捕获磁场可以增加30%左右,对含有纳米粒子掺杂的超导体捕获磁场增加的潜力更大。当充磁的峰值磁场比最佳值更强时,超导体的温度上升严重,使磁通钉扎能力减弱,捕获场强减小。但相对而言,含有YNb2411纳米粒子的超导体捕获磁场下降的更慢。采用永久磁体对YBCO超导体充磁,超导体的捕获磁通密度分布更加对称。对于表面中心磁场相同的永久磁体,随着磁体直径的增大,捕获磁场逐渐增强。直径40 mm表面磁场为0.5 T的永磁体充磁与峰值磁场为4.8 T的脉冲磁场充磁连续充磁3次,YBCO超导体所获得的捕获磁场基本相同,为0.332 T。