高温超导涂层导体缓冲层研究

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1、上海大学硕士学位论文摘要第二代高温超导带材是基于REBa2Cu307．6(REBCO，l砸=Y、Sm、Ho等稀土元素)薄膜外延和双轴织构技术发展起来的，在液氮温度具有较高的超导临界电流密度和不可逆场，且由于采用柔韧的金属带材作为基体材料，大大地降低了材料成本，使高温超导材料在电力工程中的许多应用成为可能。典型的涂层导体主要包括金属基底、缓冲层和超导层，其中缓冲层已成为获得高质量涂层导体的关键性技术。与其它物理方法相比，化学溶液法(CSD)无需高真空，成本低廉，操作简单，适合工业化批量生产，由于这些优点，使得全化学法制备涂层导体成为近来人们研究的热点。本文结合了近期涂层导体研究的热点方向

2、和我们现有的实验条件开展了化学法制备涂层导体缓冲层的研究，主要研究内容如下：一、采用低成本醋酸铈为原料，获得了与高成本乙酰丙酮铈相同的高质量Ce02缓冲层薄膜，明确了CSD法获得稳定高质量Ce02缓冲层薄膜的关键性制备工艺。在双轴织构金属镍钨合金(Ni．5at．％w)基底上外延生长的CSD．Ce02缓冲层薄膜表面均匀光滑且无裂纹，llI扫描和CO扫描结果显示其面内外织构峰强半高宽(FWHM)分别为7．70和6．90，原子力显微镜(AFM)观察表明其表面粗糙度约为4．Snm。二、通过差热分析(DTA)、热重分析(TGA)以及红外谱线分析等手段明确了Ce02前驱物的主要热反应过程包括三个阶

3、段：(1)110．140℃温度区间内吸附水的脱去；(2)230．240℃范围内醋酸组的解离；(3)发生在250—500℃温度段的复杂氧化合成反应。前两个反应的特征温度受升温速率的影响较小，而最后一个反应的特征温度随升温速率的变化近似成线性增加，表明这两个反应都在较短的时间内完成，而最后一个反应则需要较长的时间。由TG曲线知此反应过程中83．6％的重量损失都发生在最后一个温度范围内，说明Ce02的生成也主要发生在这个阶段。不同温度下前驱物溶液产物的XRD物象分析和红外吸收谱分析结果进一步证实了250℃开始有Ce02形成，并在500"C以后Ce02就可以达到较好的结晶度。通过高温金相显微镜

4、观察了薄膜形成过程中的表面形貌的演变，显示了薄膜经历了一个从非V上海大学硕士学位论文晶态膜到结晶态膜的演变过程。三、通过有限元素分析法研究了涂层及热处理时产生的残余应力，并对因残余应力而导致微裂纹形成的机理进行了详细的分析。表明由于晶格失配和热膨胀系数失配等因素导致的残余应力是引起薄膜微裂纹形成的主要原因。通过定量分析，对比了Ce02、LZO和YSZ缓冲层薄膜内应力随膜厚的变化趋势，得出在缓冲层薄膜和衬底的界面处Ce02受到的应力最大，且随着膜厚的增大呈线性减小趋势也最缓，因而导致Ce02膜内残余的应力也最大，这可能就是Ce02容易出现微裂纹的一个重要原因。另外由于金属基底的热膨胀而引

5、起的残余应力也是导致微裂纹出现的可能原因，即当残余应力小于金属基底的屈服强度时，其发生的是可恢复的弹性形变，反之，则会发生不可恢复的塑性形变，此时其上热膨胀系数不匹配的缓冲层薄膜就可能会形成微裂纹。四、通过CSD法对Ce02缓冲层薄膜进行了Y、Ho、Zr和Sm等稀土元素替代。结果显示各种替代的薄膜都表现出了较好的C轴取向，且IlI扫描和∞扫描表明其面内外织构FWHM值分别在5．70--一6．40和4．20"-4．80的范围内。反射式高能电子衍射(RHEED)I羽分析显示其衍射图案呈现周期性的排列斑点，表明元素替代薄膜也呈现了较好的外延生长特征。扫描电子显微镜(SEM)观察替代膜的表面均

6、匀光滑且无裂纹，衬底的晶界也清晰可见，但随着薄膜厚度的增加，晶界逐渐模糊。利用脉冲激光沉积系统(PLD)在元素替代薄膜上外延生长的I．盈2Zr207(LZO)缓冲层薄膜显示了较好的c轴取向，LZO薄膜的IlI扫描和∞扫描表明其面内外织构的FWHM值分别为5．90和6．30，可见此元素替代薄膜提供了较好的织构模板。元素替代膜的厚度测量结果显示当其厚度达到300nm以上时仍能保持均匀光滑且无裂纹的表面特征，而纯Ce02薄膜通常在100nm就会出现微裂纹。此结果显示通过元素替代可以明显地抑制Ce02薄膜厚度诱导微裂纹现象的产生，因此通过元素替代制备单层有效的缓冲层薄膜将具有非常重大的应用价值

7、。五、通过脉冲激光沉积系统(PLD)在单层的物理法LZO和化学法稀土元素替代Ce02缓冲层薄膜上分别外延生长了YBCO超导层，X射线衍射结果上海大学硕士学位论文显示，这些外延薄膜都具有了较好的双轴织构性能。单一LZO和RExCe，吖024RE=Y、Ho、Sm和zr等元素)缓冲层YBCO涂层导体的超导转变温度分别约为89K和82K。这是目前将CSD．Ce02作为单一缓冲层的首个成功。通过工艺参数的进一步优化，此转变温度还可能会有进一步提高。为适应