稀土242相控制组分生长超导块材的方法技术

本发明专利技术涉及一种稀土２４２相控制组分生长超导块材的方法，在前驱体中添加轻稀土２４２（ＬＲＥ↓［２］Ｂａ↓［４］Ｃｕ↓［２］Ｏ↓［９］，ＬＲＥ＝Ｎｄ，Ｓｍ等）相粉末来控制组分，先按比例将研磨烧结后的ＬＲＥ１２３和ＬＲＥ２４２粉末混合研磨，压制成前驱体片，然后在其顶部放上相应的籽晶，通过熔融织构方法制备ＬＲＥ－ＢＣＯ块体材料。本发明专利技术采用富钡的稀土２４２相粉末在高温熔融状态下可以调整熔体组分，有效抑制包晶反应过程中出现的轻稀土元素和钡元素的替代情况，提高制备的轻稀土钡铜氧超导体的超导转变温度和其它性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种轻稀土 242相控制组分生长超导块材的方法，特别涉及一 种在前驱体中掺杂富钡的轻稀土 242 (LRE2Ba4Cu209， LRE242，其中轻稀土主 要包括衫和钕等元素)非超导相来控制熔体组分，实现在空气中生长高性能轻 稀土钡铜氧超导块体材料的方法。
技术介绍
熔融织构法(MTG)被普遍认为是一种极具潜力的制备钡铜氧高温超导块 体材料的制备方法。这类超导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。因此，在应用层面对块材的要求一般为具有较大的尺寸，较高的超导转变温度(Te)和在外场下较高的临界电流密度(Jc)。在研究中人们发现，和传统的钇钡铜氧(YBCO)超导体相比，轻稀土元素钡铜 氧(LRE-BCO)超导体，主要包括钕钡铜氧(NdBCO)和钐钡铜氧(SmBCO) 超导体，具有更优异的磁通钉扎能力，更高的临界磁场强度以及在高场下的临 界电流密度。此外，由于钕和钐在熔体中具有溶解度高的特性，因此在生长这 两类超导块材时可以具有更高的生长速度，这对于制备大体积块材而言更加有 利。但是，在空气中熔融织构生长SmBCO和NdBCO块材过程中，由于Nd原 子，Sm原子和Ba原子的原子半径相似，极易出现稀土原子和钡原子的替代， 形成Sm(或者Nd)1+xBa2.xCii307固熔体，这种固熔体的出现对于块体材料的超导 转变温度和性能会有很不利的影响。为了解决这个问题，有研究组提出了在生 长过程中采用低氧分压的方法。低氧的环境下会降低元素的替代比例，可以有 效减少固熔体的形成。但这个方法所需设备比较昂贵，操作起来比较复杂，而 且在低氧气氛下，块材的生长速度也会受到影响而降低。相比而言，采用组分 控制的方法不仅同样可以达到抑制固熔体生成的目的，而且由于生长可以在空 气中进行，块材可以拥有更快的生长速度。要实现块材的组分控制， 一般需要 在制备前驱体过程中在RE123超导相中掺入一定比例的具有特殊组分比例的第二相。通过在高温下该第二相与熔体的反应来控制生长阶段时熔体的组分(例 如在SmBCO和NdBCO制备过程中需要提高Ba:Cu的比例和降低RE:Ba的比 例)，以达到抑制元素间替代和固熔体形成的目的。相比气氛控制方法而言，组 分控制方法工艺比较简单，操作也比较容易，对实验环境要求不高，因此更适 用于块体材料的批量制备。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种轻稀土 242相控制组分 生长超导块材的方法，实现在空气中快速生长大单畴，高性能的LRE-BC0超导 块体材料。为实现这样的目的，在本专利技术的技术方案中，使用了一种用传统烧结方法 制备的LRE242相粉末。在制备前驱体时将一种富钡的LRE242第二相混入 LRE123粉末中，通过在高温下LRE242相和熔体的作用，调整生长过程熔体中 的组分，抑制可能出现的LRE原子和Ba原子之间出现的替代。比起一般LRE123超导块材生长中出现的LRE211非超导相来说，LRE242 相具有更高的Ba:Cu的比例以及更低的LRE: Ba的比例。在高温下LRE242相在 熔体中会和熔体发生反应并分解。在进入包晶生长阶段时，熔体中的钡元素的 比例会出现一定的升高，形成一个富钡的环境，此时LRE和Ba的比例会因此 而降低。在这种情况下轻稀土元素对钡元素的替代会遭到抑制，因而在包晶反 应过程中不会形成LRE123固熔体，使得最终获得的就是LRE123超导块材。要实现这类生长，首先要按照LRE123+ (10 30) mol%LRE242的比例将 预先烧结成相的LRE123和LRE242粉末混合在一起来进行组分配料，压制成前 驱体片后，在其顶部放上相应的籽晶材料，通过加热升温程序获得LRE-BCO准 单畴块体材料。本专利技术的方法具体步骤如下1 、按照LRE:Ba:Cu=l:2:3和LRE:Ba:Cu=2:4:2的比例将LRE203， BaC03，CuO 粉末混合成LRE123和LRE242的前驱粉末。2、将两种前驱粉末研磨均匀后，LRE242在氮气环境下81(TC左右烧结12 小时，LRE123在空气中90(TC左右烧结48小时。然后再次研磨、烧结，该过程 共重复3遍，以获得纯相的LRE123和LRE242粉末。3、 将烧结后获得的LRE123粉末和LRE242粉末按LRE123+ (10 30) mol%LRE242的比例混合均匀，压制成前驱体片，并在顶部放上籽晶，用来控 制生长取向。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LRE-BCO的包晶熔化温度以下20-50°C，保温1小时；继 续加热，2小时升温至包晶温度以上30士5'C，保温1.5小时。6、 在15分钟内将温度降低至包晶反应温度，然后以每小时0.5'C的速率降 温20-40小时，最后淬火制得超导块体材料。本专利技术中所述的LRE242 (其中LRE主要包括Sm, Nd等元素)是通过氮 气环境下烧结的方法人工合成的富钡的LRE2Ba4Cu209相。本专利技术采用组分控制方法来生长LRE-BCO超导块材，将一种新的LRE242 相引入到LRE123块材的熔融织构生长过程中。富钡的LRE242相在高温熔融状 态下可以调整熔体组分，有效抑制包晶反应过程中出现的轻稀土元素和钡元素 的替代情况，防止轻稀土钡铜氧固熔体的形成，提高空气下制备的轻稀土钡铜 氧超导体的超导转变温度和其它性能。本专利技术的优点是(l)生长过程中不引进其它元素杂质，对超导块材的制备 不产生不利影响；(2)无需特殊气氛环境，工艺简单，操作方便；(3)在空气环境 下轻稀土钡铜氧可以有更高的生长速度，因此适用于制备具有大单畴结构的高 性能高温超导LRE-BCO块体材料。 具体实施例方式以下结合具体的实施例对本专利技术的技术方案作进一步描述。以下实施例不 构成对本专利技术的限定。实施例1:把Sm242和Sml23粉末混合后熔融织构生长钐钡铜氧块体材料1、 用BaC03， CuO和Sm203粉末按照Sml23和Sm242的组分比例配制原 始粉料。2、 将原始粉料充分研磨均匀，Sml23粉料在90(TC左右烧结48小时，Sm242 在氮气下810。C下烧结12小时；为保证最终获得颗粒较小的Sml23和Sm242纯相，将烧结后的粉末再次研磨、烧结，相同工艺共重复三次。3、 将获得的纯相粉末按照Sml23+ (10 30) mol%Sm242组分配料，将 烧结后研磨好的粉末压制成cp20xl0 mm圆形前驱体片，顶部放置籽晶来控制取 向。4、 将步骤3中压好的前驱体片放在MgO单晶衬底上，整个体系放入密封 系统中。5、 2小时升温至950°C，保温1小时；继续加热，2小时升温至1090°C， 保温2个小时。6、 在15分钟内将温度降低至1060°C，然后以每小时0.5'C的速率降温30 小时，最后淬火制得超导Sml23块体材料。实施例2:把Nd242和Ndl23粉末混合后熔融织构生长钕钡铜氧块体材料1、 用BaC03， CuO和Nd203粉末按照Ndl23和Nd242的组分比例配制原 始粉料。2、 将原始粉料充分研磨均匀，Ndl23粉料在900。C左右烧结48小时，Nd242 在氮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轻稀土２４２相控制组分生长超导块材的方法，其特征在于包括如下步骤：１）按照ＬＲＥ∶Ｂａ∶Ｃｕ＝１∶２∶３和ＬＲＥ∶Ｂａ∶Ｃｕ＝２∶４∶２的比例将ＬＲＥ↓［２］Ｏ↓［３］，ＢａＣＯ↓［３］，ＣｕＯ粉末混合成ＬＲＥ１２３和ＬＲＥ２４２的前驱粉末；２）前驱粉末经过研磨后，ＬＲＥ１２３前驱粉在空气气氛下９００℃下烧结４８小时，ＬＲＥ２４２前驱粉在氮气环境下８１０℃烧结１２小时；该研磨、烧结过程共重复３遍，以获得纯相的小尺度ＬＲＥ１２３和ＬＲＥ２４２粉末；３）将烧结成相后的ＬＲ Ｅ１２３粉末和ＬＲＥ２４２粉末按ＬＲＥ１２３＋（１０～３０）ｍｏｌ％ＬＲＥ２４２的比例混合均匀，压制成前驱体片，顶部放上籽晶控制生长取向；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ＬＲＥ－ＢＣＯ的包晶熔 化温度以下２０－５０℃，保温１小时；继续加热，２小时升温至包晶温度以上３０±５℃，保温１．５小时；６）在１５分钟内将温度降低至包晶反应温度，然后以每小时０．５℃的速率降温２０－４０小时，最后淬火制得超导块体材料。

【技术特征摘要】
1、一种轻稀土242相控制组分生长超导块材的方法，其特征在于包括如下步骤1)按照LRE∶Ba∶Cu＝1∶2∶3和LRE∶Ba∶Cu＝2∶4∶2的比例将LRE2O3，BaCO3，CuO粉末混合成LRE123和LRE242的前驱粉末；2)前驱粉末经过研磨后，LRE123前驱粉在空气气氛下900℃下烧结48小时，LRE242前驱粉在氮气环境下810℃烧结12小时；该研磨、烧结过程共重复3遍，以获得纯相的小尺度LRE123和LRE242粉末；3)将烧结成相后的LRE123粉末和LRE242粉末按LRE123+(10～30)mol％LRE2...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚忻，孙立杰，黄宜斌，程玲，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]