一種rebco準(zhǔn)單晶生長工藝中控制液體流失的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種晶體生長工藝中控制液體流失的方法，特別是涉及一種REBCO準(zhǔn)單晶生長工藝中控制液體流失的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自REBa2Cu3Ox(簡稱 REBC0、RE123、稀土鋇銅氧，其中 RE 選自 Y、Gd、Sm、Nd 等)超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)以來，因其完全抗磁性，高臨界電流密度和高凍結(jié)磁場等性質(zhì)所帶來的巨大商業(yè)潛能，如飛輪儲能，永磁體，磁懸浮力元件等，引起了人們廣泛的關(guān)注。
[0003]同時(shí)，REBCO高溫超導(dǎo)體對于超導(dǎo)體的物理性質(zhì)研宄及分析也具有重大意義。由于在高溫超導(dǎo)體中元素?fù)诫s的基本機(jī)理和基礎(chǔ)研宄還不系統(tǒng)與完全，例如摻雜元素在塊材中的分布與存在機(jī)制，加之對于高溫超導(dǎo)體材料的研宄時(shí)間還非常短，系統(tǒng)還不完善，各種超導(dǎo)體機(jī)理還不是非常清楚，所以對于高溫超導(dǎo)體的摻雜效應(yīng)有必要進(jìn)行深入研宄。這對于REBCO高溫超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與性能的深入探索有著長遠(yuǎn)的意義，而這些研宄的基礎(chǔ)就是制備出各類元素?fù)诫s的單晶。
[0004]現(xiàn)有的技術(shù)中REBCO準(zhǔn)單晶制備采用的是Y123+lwt% CeO2，這種制備方法因其中含有的固體Y211較少，表面張力作用小，液體流失比較嚴(yán)重，導(dǎo)致晶體生長速度慢，生長不完全，導(dǎo)致研發(fā)人員無法進(jìn)行有效的物性研宄及器件的應(yīng)用開發(fā)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種REBCO準(zhǔn)單晶生長工藝中控制液體流失的方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中REBCO準(zhǔn)單晶生長工藝中液體流失嚴(yán)重的問題，該方法有效地控制液體流失，液體流失量控制在極小的范圍之內(nèi)，使得REBCO準(zhǔn)單晶的晶體生長良好、完整。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種REBCO準(zhǔn)單晶生長工藝中控制液體流失的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0007]步驟一，制備RE123相的前驅(qū)粉末；
[0008]步驟二，制備鑲嵌式籽晶的前驅(qū)體:將所述RE123相的前驅(qū)粉末和其他摻雜物質(zhì)混合后放入模具內(nèi)，然后將籽晶嵌入所述模具內(nèi)混合粉末的上表層中央?yún)^(qū)域，壓制而成圓柱形的前驅(qū)體；其中，所述其他摻雜物質(zhì)包括Fe2O3和CeO2;所述CeO2的質(zhì)量為所述RE 123質(zhì)量的1%，所述Fe2O3的摩爾數(shù)為所述RE123摩爾數(shù)的3% ；
[0009]步驟三，將所述鑲嵌式籽晶的前驅(qū)體置于生長爐中進(jìn)行熔融織構(gòu)生長工藝，獲得REBCO準(zhǔn)單晶。
[0010]優(yōu)選地，所述步驟一包括:按照RE:Ba:Cu = 1:2:3的摩爾比例將RE203、BaCOjPCuO粉末混合，得到RE123相的前驅(qū)粉末；將所述RE123相的前驅(qū)粉末研磨后，在空氣中900°C燒結(jié)48小時(shí)并重復(fù)3次此研磨、燒結(jié)過程。
[0011 ] 優(yōu)選地，所述籽晶為NdBCO/YBCO/MgO薄膜籽晶。
[0012]優(yōu)選地，所述鑲嵌式籽晶是指在壓制過程中，將所述籽晶鑲嵌在所述前驅(qū)體的中央?yún)^(qū)域的內(nèi)部，且所述籽晶的誘導(dǎo)生長面與所述圓柱形的前驅(qū)體的圓形表面平行。
[0013]優(yōu)選地，所述籽晶的尺寸為2mmX2mm。
[0014]優(yōu)選地，所述熔融織構(gòu)生長工藝包括以下步驟:使所述生長爐內(nèi)的溫度在第一時(shí)間內(nèi)升至第一溫度，保溫2小時(shí)；使所述生長爐內(nèi)的溫度在第二時(shí)間內(nèi)升至第二溫度，保溫2小時(shí)；使所述生長爐內(nèi)的溫度在第三時(shí)間內(nèi)降至第三溫度；使所述生長爐內(nèi)的溫度在第四時(shí)間內(nèi)降至第四溫度；最后淬火，獲得REBCO準(zhǔn)單晶。
[0015]優(yōu)選地，所述第一時(shí)間為4小時(shí)，所述第一溫度為950°C ;所述第二時(shí)間為2小時(shí)，所述第二溫度高于所述REBCO準(zhǔn)單晶的包晶反應(yīng)溫度78?80°C ;所述第三時(shí)間為30分鐘，所述第三溫度為所述包晶反應(yīng)溫度；所述第四時(shí)間為15?45小時(shí)，所述第四溫度為低于所述包晶反應(yīng)溫度3?9°C。
[0016]優(yōu)選地，所述籽晶的非誘導(dǎo)生長面所在的平面與圓柱形的前驅(qū)體的圓形上表面所在的平面共面。
[0017]優(yōu)選地，所述REBCO為YBCO。
[0018]本發(fā)明提供REBCO準(zhǔn)單晶生長工藝中控制液體流失的方法，具有以下有益效果:采用鑲嵌式籽晶的前驅(qū)體熔融織構(gòu)制備REBCO準(zhǔn)單晶，在制備工藝過程中，將RE123相的前驅(qū)粉末按RE123+3mol% Fe203+lwt% CeO2的比例均勻混合后，壓制而成圓柱形前驅(qū)體，將籽晶水平固定地嵌入前驅(qū)體上表面中央?yún)^(qū)域的內(nèi)部，該方法簡單、易于操作、完全重復(fù)可控；并且與傳統(tǒng)的以RE123+lwt % CeOj^比例的制備方式相比，本發(fā)明可以有效控制液體流失，減少因液體流失對REBCO準(zhǔn)單晶的生長速度及晶體完整性的影響，有利于研發(fā)人員進(jìn)行物性研宄及器件的應(yīng)用開發(fā)。
【附圖說明】
[0019]圖1顯示為本發(fā)明提供的REBCO準(zhǔn)單晶生長工藝中控制液體流失的方法的示意圖；
[0020]圖2顯示為本發(fā)明前驅(qū)體和鑲嵌籽晶在生長爐內(nèi)的擺放的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3是本發(fā)明的實(shí)施例一的熔融織構(gòu)生長工藝的溫度程序的示意圖；
[0022]圖4是本發(fā)明的實(shí)施例一中獲得的得到的YBCO準(zhǔn)單晶的光學(xué)照片；
[0023]圖5是本發(fā)明的實(shí)施例一中獲得的得到的YBCO準(zhǔn)單晶側(cè)面的光學(xué)照片；
[0024]圖6是傳統(tǒng)方法獲得的YBCO準(zhǔn)單晶下方墊片的光學(xué)照片；
[0025]圖7是本發(fā)明的實(shí)施例一中獲得的YBCO準(zhǔn)單晶下方墊片的光學(xué)照片。
[0026]元件標(biāo)號說明
[0027]SlO ?S30步驟
[0028]I前驅(qū)體
[0029]2籽晶
【具體實(shí)施方式】
[0030]本發(fā)明采用鑲嵌式籽晶熔融織構(gòu)制備鐵與氧化鈰聯(lián)合摻雜的REBCO準(zhǔn)單晶體，在制備工藝過程中，只需要將Fe2O3和CeO2均勻混入前驅(qū)體粉末中，將籽晶水平固定地嵌入前驅(qū)體上表面中央?yún)^(qū)域的內(nèi)部，方法簡單、易于操作、完全重復(fù)可控。采用Fe2O3粉末作為鐵摻雜與CeO2聯(lián)合摻雜的REBCO準(zhǔn)單晶的前驅(qū)粉體的組分，在熔融織構(gòu)法的高溫煅燒過程中，F(xiàn)e2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氧元素隨CO 2釋放揮發(fā)，留下Fe元素均勻分布于REBCO的化學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)REBCO準(zhǔn)單晶中的鐵元素和氧化鈰的均勻摻雜。
[0031]本發(fā)明控制液體流失的原理:在YBCO準(zhǔn)單晶體生長過程中要經(jīng)歷非常高的溫度，高溫會使前驅(qū)體成為固溶體，其中的Y211相為固相部分，液相部分在重力作用下向下流失，鐵元素具有細(xì)化固相Y211相的作用，使得Y211相顆粒變小，固相的總表面積增大，固相的表面張力增大，液體粘度增大，使得液體流動受到的阻力增大，故減少液體的流失。
[0032]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0033]請參閱圖1至圖7。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0034]本發(fā)明提供一種REBCO準(zhǔn)單晶生長工藝中控制液體流失的方法，如圖1所示，包括:
[0035]步驟一 SlO:制備RE123相的前驅(qū)粉末。
[0036]按照RE:Ba:Cu = 1:2:3的摩爾比例將RE2O3' BaCO3和CuO粉末混合，得到RE 123相的前驅(qū)粉末；將所述RE123相的前驅(qū)粉末研磨后，在空氣中900°C燒結(jié)48小時(shí)并重復(fù)3次此研磨、燒結(jié)過程。
[0037]步驟二 S20:制備鑲嵌式籽晶的前驅(qū)體:將所述RE123相的前驅(qū)粉末和其他摻雜物質(zhì)混合后放入模具內(nèi)，然后將籽晶嵌入所述模具內(nèi)混合粉末的上表層中央?yún)^(qū)域，壓制而成圓柱形的前驅(qū)體；其中，所述其他摻雜物質(zhì)包括Fe2O3和CeO2;所述CeO2的質(zhì)量為所述RE123質(zhì)量的1%，所述Fe2O3的摩爾數(shù)為所述RE123摩爾數(shù)的3%。
[0038]本發(fā)明中所述籽晶為平板狀，其包括相對的誘導(dǎo)生長面和非誘導(dǎo)生長面。
[0039]所述籽晶采用NdBCO/YBCO/MgO薄膜籽晶，該薄膜引入了 YBCO中間緩沖層結(jié)構(gòu)，更好的提升薄膜的過熱性質(zhì)。NdBCO/YBCO/MgO薄膜比常規(guī)的NdBC0/Mg0薄膜過熱度提高了20K，在誘導(dǎo)REBCO超導(dǎo)單晶塊材生長中可承受高達(dá)1120°C的最高溫度。
[0040]在鑲嵌式籽晶的前驅(qū)體的制備過程中，圓柱體的模具豎直放置，前驅(qū)粉末加入模具后，將平板狀籽晶水平鑲嵌在所述前驅(qū)粉末中，且鑲嵌平板狀籽晶時(shí)其誘導(dǎo)生長面向下。
[0041]所述籽晶鑲嵌在所述前驅(qū)體的中央?yún)^(qū)域的內(nèi)部，且所述籽晶的誘導(dǎo)生長面與所述圓柱形的前驅(qū)體的圓形表面平行，所述籽晶的非誘導(dǎo)生長面所在的平面與圓柱形的前驅(qū)體的圓形上表面所在的平面共面。
[0042]步驟三S30:將所述鑲嵌式籽晶的前驅(qū)體置于生長爐中進(jìn)行熔融織構(gòu)生長工藝，獲得REBCO準(zhǔn)單晶。
[0043]將所述生長爐內(nèi)的溫度在4小時(shí)內(nèi)升至950°C，保溫2小時(shí)；將所述生長爐內(nèi)的溫度在2小時(shí)內(nèi)升至第二溫度，所述第二溫度高于所述REBCO準(zhǔn)單晶的包晶反應(yīng)溫度78?80°C，保溫2小時(shí)；將所述生長爐內(nèi)的溫度在30分鐘內(nèi)降至第三溫度；所述第三溫度為所述包晶反應(yīng)溫度；將所述生長爐內(nèi)的溫度在15?45小時(shí)內(nèi)降至第四溫度；所述第四溫度為低于所述包晶反應(yīng)溫度3?9°C ;最后淬火，即隨著生長爐冷卻，獲得REBCO準(zhǔn)單晶。
[0044]包晶反應(yīng)是指有些合金當(dāng)凝固到一定溫度時(shí)，已結(jié)晶出來的一定成分的(舊)固相與剩余液相(有確定成分)發(fā)生反應(yīng)生成另一種(新)固相的恒溫轉(zhuǎn)變過程。這時(shí)恒溫轉(zhuǎn)變溫度就是包晶反應(yīng)溫度。比如，本發(fā)明中按Y123+3mol% Fe203+lwt% CeO2比例的合金的包晶反應(yīng)溫度為1002°C。
[0045]在所述熔融織構(gòu)生長工藝完成后，觀察所述REBCO準(zhǔn)單晶下方墊片的液體流失情況。
[0046]實(shí)施例一
[0047]本實(shí)施例中，如圖2所示熔融織構(gòu)生長工藝中，籽晶2和前驅(qū)體I在生長爐內(nèi)的擺放示意圖，圖3所示熔融織構(gòu)生長工藝中籽晶2和前驅(qū)體I進(jìn)行熔融織構(gòu)生長的