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1、第27卷第4期物理学进展Vol.27,No.42007年12月PROGRESSINPHYSICSDec.,2007文章编号:1000-0542(2007)04-0467-24高温超导涂层导体———RE123双轴织构技术及其发展状态11112,3蔡传兵,潘成远,刘志勇,鲁玉明,时东陆(1.上海大学物理系,上海市上大路99号,邮编200444;2.Dept.ofChemicalandMaterialsEngineeringUniversityofCincinnatiCincinnati,OH45221-00123.上海交通大学,微纳科学技术研
2、究院,上海200030)摘要:本文对高温超导涂层导体及其双轴织构外延生长技术进行了全面的论述。内容分金属基体、缓冲层、超导层三个方面,根据金属基体的不同将缓冲层分成四个类型,即辊扎双轴织构金属基带(RABiTS)上外延缓冲层、自氧化外延(SOE)NiO缓冲层、离子束辅助沉积(IBAD)缓冲层和衬底倾斜沉积(ISD)缓冲层。总结了超导层沉积工艺和人工磁通钉扎中心的最新研究成果,评述和展望了高温超导涂层导体的当前国际状态和发展前景。关键词:涂层导体;双轴织构;外延生长;磁通钉扎中图分类号:0511+.3文献标识码:A0引言自从1986年Bed
3、norz和Mǜller首次报道La-Ba-Cu-O超导电性以来,人们已先后发现了Y-Ba-Cu-O(Y系)、Bi-Sr-Ca-Cu-O(Bi系)、Tl-Ba-Cu-O(Tl系)、Hg-Ba-Cu-O(Hg系)等系列氧化物高温超导材料。其中Hg1223材料目前保持最高临界温度(Tc)的记录,其Tc在高压下[1～2]可达163K。然而从实用的角度,特别是就电力能源系统的强电应用而言,只有Bi、Y系材料才有市场价值。Tl和Hg系由于含有环境危害元素和特殊的制备工艺,失去了它们的实用性。[1,3]电力工程的应用对超导材料有如下几方面的要求:首先,
4、要具有较好的超导性能包括42高的临界温度Tc(H,J)、上临界磁场Hc2(T,J)和临界电流密度Jc(T,H)(>10A/cm,1T)等(见表1);其次要有较低的交流损耗、良好的磁热稳定性和机械强度;另外,要有满足工程应用所必需的长度和性能价格比。收稿日期:2007-04-10基金项目:国家自然科学基金(No.50672057),上海市浦江人才计划(No.5PJ14048),上海市重点科技攻关项目(No.055211003),上海市重点学科建设项目(No.T0104)和国家教委留学回国人员科研启动基金等资助。通迅联系:电话:021-661
5、35019传真:021-66134208,Email:cbcai@staff.shu.edu.cn;shid@email.uc.eud.468物理学进展27卷[1]表1电力工程应用对超导材料的性能要求应用领域限流器马达发电机磁能储能传输电缆变压器临界电流密度(A/cm2)104～105105105105104～105105磁场(T)0.1～34～54～55～10<0.20.1～0.5温度(K)20～7720～7720～5020～7765～7765～7734423临界电流(A)10～10500>1,000～10100/根10～10线长度(m
6、)10001000100010001001000应力强度(%)0.20.2～0.30.20.20.40.2弯曲半径(m)0.10.050.112(电缆)1性能价格比(US＄/kAm)10～10010101010～100<10作为第一代导体的Bi2223系线带材的发展较为成熟,已经有包括中国在内的多家企业可批量生产千米量级的产品。然而Bi系材料具有本征的缺陷,即它在液氮温区的不可逆磁场较低,临界电流密度随外加磁场的增加迅速下降,使其只有在较低温度时才适于强电应用。其次在交流传输和变化磁场的应用中(例如变压器),其交流损耗远大于基本的要求(7
7、7K和100mT磁场下应小于0.25mW/Am),特别是当磁场方向与导电Cu-O面垂直时,由于来自材料[4,5]层状结构的本征钉扎消失,交流损耗问题尤为突出。另外普遍使用的粉末套装工艺(PIT)离不了贵重金属银,成本甚高。与之相比,Y系带材具有较高的不可逆场,磁场中临界电流密度可维持在很高的水平,但它不象Bi系材料那样在应力下可产生高度的晶粒织构,传统的PIT成材工艺并不适于它。在单晶上外延生长的REBa2Cu3O7-δ(REBCO或RE123,RE=Y或Nd、Ho等稀土元素)薄膜,由于高度的面内和面外晶粒织构大大改善了电性弱连接,以及岛
8、状生长机制而产生的大量位错缺陷提供了有效的磁通钉扎中心,它在液氮温区的Jc和不可62逆磁场Hirr分别可达到10A/cm和5～7T(见表2),明显优于其它实用超导材料(例如已产[1]业化的Bi
