PDF《高温超导涂层导体》

25 mW/ Am) , 特别是当磁场方向与导电 Cu2O 面垂直时 , 由于来自材料 层状结构的本征钉扎消失 ,交流损耗问题尤为突出[4 ,5 ] .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 REBa2 Cu3 O7 -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 J c 和不可 逆磁场 H irr 分别可达到

106 A/ cm2 和5~7 T(见表 2) ,明显优于其它实用超导材料(例如已产 业化的 Bi2223 线材 ,其Hirr (77 K 仅为 0.

2 T) [1 ] . 表2几种实用超导材料的物理特性[1 ] 材料 Nb47wt %Ti Nb3 Sn MgB2 Y

2123 Bi22223 晶体结构 体心立方 A15 立方 P6/ mmm 六角 正交层状 钙钛矿 四方层状 钙钛矿 各向异性 无无2~217

7 ~502100 临界温度( K)

9 18

39 92

108 上临界磁场( T) (4 K)

12 27

15 >

100 >

100 不可逆磁场( T)

1015 (4 K)

24 (4 K)

8 (4 K) 5~7 (77 K) ~012 (77 K) 面内相干长度ξ(0) (nm)

4 3

615 1.

5 1.

5 面内穿透深度λ(0) (nm)

240 65

140 150

150 拆对电流密度(A/ cm2 ) (4.

2 k) 3.

6 *

107 7.

7 **

108 7.

7 *

107 3 *

108 3 *

107 临界电流密度(A/ cm2 )

4 *

105 (5 T) ~106 ~106 ~107 ~106 电阻率( Tc ) ( μ Ωcm)

60 5

014 ~40260 ~1502800

1991 年 ,以日本藤仓(Fujikura) 株式会社和美国橡树岭国家实验室 ORNL 为首提出了基 于外延薄膜的 Y 系超导成材新技术 ,他们分别通过离子束辅助沉积手段和热机械变形再结晶

8 6

4 物理学进展27 卷图1几种实用超导材料的磁热相图:粗线为 不可逆场 Hirr对温度的关系;

细线为上 临界场 Hc2对温度的关系 技术在柔性金属基体上制备出双轴织构的 RE123 薄膜[5 ,6 ] ,由于晶粒规则排列、 晶界夹角控制在几度范围 内 ,使长期以来限制 Y 系超导带材发展的晶界弱连接 问题得到了解决.这类金属基体上的超导薄膜被称 为第二代高温超导带材 , (也被称为高温超导涂层导 体) .它突破了 Bi 系材料只适用于直流和低温的限 制 ,使高温超导在电力工程中的广泛应用成为可能. 更为可贵的是其技术使用价廉的 Ni 或Ni 基合金 , 甚 至以一般的不锈钢带作为衬底 ,材料成本明显低于第 一代导体的 Bi2223 系线带材 ,性能价格比优势显著. 第二代超导带材的关键技术是实现超导晶粒的双轴织构.对晶界电传输等基本物性的理 解以及对减少面内晶界夹角、 改善弱连接的技术探索是近

10 年来该领域科技工作者坚持努力 的目标.最近随着人们对晶界特性的深入理解和制备技术的不断改进 ,第二代高温超导带材 离全面商业化已越来越近.同时 ,为了进一步提高磁场下的载流性能 ,满足更多的强电应用 , 人们正积极发展各种适于涂层导体的人工途径来增加磁通钉扎中心 ,其中像纳米掺杂和控制 性生长的准多层结构已受到越来越多的关注. 在以下章节中我们将针对缓冲层的双轴织构技术和超导层的外延生长技术以及超导、 薄 膜及其涂层导体的磁通钉扎等方面 ,对近年来国际上的研究成果作一总结性论述 ,最后对涂层 导体的发展状况和未来趋势作一简单介绍.