YBCO高溫超導(dǎo)材料的制備與檢測

向松柏

摘 要：根據(jù)我國電力、通訊、國防等行業(yè)發(fā)展的需求，考慮到國際技術(shù)發(fā)展的成熟程度和我國工作基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)變機制，整合資源，充分調(diào)動各方面的積極性，特別是相關(guān)應(yīng)用行業(yè)、地方政府和企業(yè)界的積極性，集中優(yōu)勢力量，以市場需求為導(dǎo)向，以高溫超導(dǎo)電纜、高溫超導(dǎo)限流器、移動通信用高溫超導(dǎo)濾波器子系統(tǒng)三個具有重大應(yīng)用前景和帶示范性的應(yīng)用產(chǎn)品為突破口。

關(guān)鍵詞：高溫超導(dǎo)材料；制備；檢測

一、前言

根據(jù)國際超導(dǎo)科技界和相關(guān)產(chǎn)業(yè)部門的預(yù)測：2020年，全球超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)將達到2400億美元以上。21世紀的超導(dǎo)技術(shù)會如同20世紀的半導(dǎo)體技術(shù)一樣具有重要意義。一方面，高溫超導(dǎo)線材通電能力超出相同截面積銅導(dǎo)線100倍以上，因而在能源領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，并有可能引發(fā)電力系統(tǒng)的革命。美國能源部認為高溫超導(dǎo)電力技術(shù)是21世紀電力工業(yè)唯一的高科技技術(shù)儲備，是檢驗美國將科學(xué)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)能力的重大實踐。日本認為超導(dǎo)電力技術(shù)是在21世紀全球競爭中保持尖端優(yōu)勢的關(guān)鍵所在。另一方面，超導(dǎo)元器件的高靈敏特性使得其在移動通信、航空航天、資源勘探、醫(yī)療診斷以及軍事國防等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著國際競爭的激烈，環(huán)保這一概念將會越來越成為發(fā)達國家制定游戲規(guī)則的一個重要依據(jù)。發(fā)展能耗低、環(huán)境友好的超導(dǎo)技術(shù)具有重要的戰(zhàn)略意義。

二、高溫超導(dǎo)材料的制備方法

氧化物超導(dǎo)材料作為一種陶瓷體，用于制備陶瓷的各種方法亦適用于制備氧化物超導(dǎo)材料。制備方法'有固相法、液相法和氣相法三種。

（1）固相法。固相法以氧化物、碳酸鹽粉末為原料，經(jīng)稱量、混合、鍛燒、粉碎、混合、加壓成型、燒結(jié)、冷卻等幾道工序制備氧化物超導(dǎo)材料。也有人用晶體生長的方法制備出氧化物超導(dǎo)單晶。

（2）液相法。液相法即將所用原料混合為均勻的溶液，通過共沉淀、溶膠一凝膠、蒸發(fā)溶劑熱解、吸附等方法制得粉料或吸附體，再通過固相反應(yīng)制備超導(dǎo)材料。

（3）氣相法。氣相法用于制備超導(dǎo)薄膜，有物理氣相淀積和化學(xué)氣相淀積兩種。①物理氣相淀積法。采用蒸發(fā)、濺射、分子束外延等各種物理氣相淀積技術(shù)成功地獲得了零電阻80-90K的Y-Ba-Cu-O超導(dǎo)薄膜和零電阻超過的Bi-Sr-Ca-Cu-O和T1-Ba-Cu-O超導(dǎo)薄膜。②化學(xué)氣相淀積法。此法安全可靠、能大量制備、重現(xiàn)性好且操作簡單，最有希望實現(xiàn)低溫淀積。氣相反應(yīng)原料有鹵化物、金屬有機化合物。

三、YBCO高溫超導(dǎo)材料的制備

本文采用固相燒結(jié)法制備高溫超導(dǎo)塊材：YBa2Cu3O7-8?；瘜W(xué)試劑的配比和研磨是制備高溫超導(dǎo)材料的第一步，如粉體的純度、摩爾配比的準確度、混合的均勻度、團聚狀態(tài)等對下一步成型、燒結(jié)及最后成型材料的性能都有極大的影響。下面我們就介紹一下細粉配比及混合的過程：（1）嚴格按照Y：Ba：Cu摩爾比1：2：3的比例，利用電子天平精確稱量三種粉末各為11.291g、39.466g和23.865g。（2）Y2O3將與CuO粉末放置在瑪瑙研缽中進行充分的混合研磨20分鐘，再加上Ba2Cu3，在瑪瑙缽中充分混合手工研磨1-2h，使粉末成灰色，用瑪瑙棒研磨直到不再出現(xiàn)黑色或白色的粉末痕跡。（3）然后保存在干燥器皿里邊，防止受潮。為保證三種成分的理論比例，燒結(jié)前再研磨30MIN，使三種試劑充分接觸。

燒結(jié)溫度對是否出現(xiàn)超導(dǎo)相至關(guān)重要。采用較高的燒結(jié)溫度雖對燒結(jié)過程有較好的強化作用，但因材料中的低熔點物質(zhì)熔化，而導(dǎo)致材料成分發(fā)生偏析，對超導(dǎo)相形成不利。重復(fù)燒結(jié)對材料中相的影響不大，但對材料的除碳十分有利。二次燒結(jié)的目的就是為了使各反應(yīng)物之間更好的接觸，充分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高密實度，并且使粒子間互相擴散以及原子重排。第一步將前面混合研磨好的混合粉末裝入陶瓷增鍋，放入高溫箱型電阻爐中心部分，中間部分的溫度是最接近溫度計的溫度所以便于操控溫度，并且溫度的均勻性較好，進行第一次燒結(jié)，燒結(jié)的目的是為了使碳酸鹽分解完全，提高樣品的純度、密度。第二步待樣品溫度降至室溫后將其從干燥皿中取出，放入瑪瑙研缽中手工研磨2h左右，使之成黑色粉末狀。第三步為了使成分更充分結(jié)合、碳酸鹽分解的更徹底。所以將第一次燒結(jié)材料研磨后的粉末放入模具中用6噸的壓力制成圓柱（直徑1.0cm，高2cm）。將研磨得到的粉料放入模具中加少許甘油進行壓制成型。在成型過程中，要嚴格控制成型壓力。第五步把制成圓柱裝入陶瓷柑鍋放入高溫電阻爐中進行第二次燒結(jié)。燒結(jié)過程和第一次燒結(jié)相似。

四、高溫超導(dǎo)材料的檢測

（1）樣品的研磨及制片。首先要對樣品進行大約30分鐘左右的研磨，制成黑色粉末，粉末顆粒半徑盡量的小，然后用干凈的載物勺承載大約能覆蓋全部壓片框的藥品，并用干凈的白紙覆蓋在藥品上，用大拇指用力下壓，使藥品均勻的分布在玻璃片的框內(nèi)，使壓玻片下表面盡量平滑這樣對檢測更加有利。

（2）開機和檢測過程。①開機前準備，打開冷卻循環(huán)水電源A設(shè)備開機前必須接通冷卻水并檢查冷卻水流量（≥3.5升/分鐘），設(shè)備背面板上有壓力表，用于顯示和檢查冷卻水入口和出口壓力。B當(dāng)水流量檢測裝置或溫控裝置不能接通時，嗡鳴器響，高壓不能開啟（“X射線開”按鍵失效）。C可能出現(xiàn)的問題現(xiàn)象冷卻水流量小，上水水路有堵塞（如X光管水路被堵）。②打開計算機電源③合上儀器主機總電源。分別打開前級機電源、溫控器與照明燈電源、測量系統(tǒng)電源。（分別位于機柜左下方插座面板上）④打開測量系統(tǒng)電源開關(guān)⑤接通射線發(fā)生器電源⑥開啟射線管高壓。注意開啟高壓后，光管將產(chǎn)生射線，請注意射線防護。⑦放置樣品。根據(jù)樣品制作規(guī)范，制好樣品，將其插入樣品臺。

（3）衍射圖譜的分析。第一次930度燒結(jié)的X射線衍射譜，雖然此時的超導(dǎo)峰為最高峰，但其他雜質(zhì)的峰值依然很高，所以此時的材料沒有超導(dǎo)特性。分子間沒有形成真正的鈣欽礦結(jié)構(gòu)，而是簡單的去氧結(jié)合。

參考文獻

[1]王醒東.YBCO高溫超導(dǎo)薄膜的制備方法及應(yīng)用[J].新材料產(chǎn)業(yè).013（10）：59-62

（作者單位：湖北工程學(xué)院）