專利名稱：一種制備釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫超導(dǎo)膜的制備領(lǐng)域，特別涉及一種采用納米電泳技術(shù)制備高溫超導(dǎo)釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7-δ)厚膜的方法。
背景技術(shù)：
釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7-δ)是最有應(yīng)用價(jià)值的具有較高不可逆線的高溫超導(dǎo)體材料之一，但是釔鋇銅氧具有弱連接的缺點(diǎn)，很難采用包套法制備柔性超導(dǎo)帶材，所以人們采用一種稱為第二類帶材的在金屬基帶上生長(zhǎng)釔鋇銅氧超導(dǎo)膜的方法；而直接在金屬上生長(zhǎng)釔鋇銅氧超導(dǎo)膜，金屬就會(huì)擴(kuò)散到導(dǎo)體層使超導(dǎo)性能變壞，導(dǎo)致臨界電流密度(Jc)降低。
目前，有二種制備第二類超導(dǎo)帶材的方法，離子束輔助淀積法和軋制織構(gòu)基帶法，這兩種方法都是在晶格常數(shù)、熱脹系數(shù)與釔鋇銅氧超導(dǎo)膜相近的金屬襯底上，用穩(wěn)定性好的MgO、Ag、Y2O3、SrTiO3、YSZ、CeO2等制備一層隔離層；然后用PLD、濺射、或蒸發(fā)等技術(shù)在隔離層上制備釔鋇銅氧超導(dǎo)膜。采用PLD方法所生長(zhǎng)的釔鋇銅氧超導(dǎo)層成分和結(jié)構(gòu)都很好，但它的生長(zhǎng)速度緩慢，生長(zhǎng)費(fèi)用昂貴，制備難度隨膜層面積變大和變厚而迅速增加，如文獻(xiàn)High criticalcurrent density YBa2Cu3O7-δthick films using ion beam assisted deposition MgO bi-axially oriented template layers on nickel-based superalloy substrates，Journal ofMaterials Research--August 2001--Volume 16，Issue 8，pp.2175-2178.中所介紹的；采用電子束共蒸發(fā)法在RABiTS基帶上制備釔鋇銅氧膜，如文獻(xiàn)Electronbeam co-evaporation of Y-BaF2-Cu precursor films for YBa2Cu3O7-y coatedconductors，supercond.Sci.Technol.14(April 2001)218-223所述的，但該方法中所用的電子槍、熱源等都需要超高真空，而且生長(zhǎng)高溫超導(dǎo)膜又需要氧氣，同時(shí)電子槍設(shè)備必須用高電壓，導(dǎo)致該方法的設(shè)備復(fù)雜，費(fèi)用昂貴，另外，該方法一般需要后退火處理，不適合制備高溫超導(dǎo)厚膜?？傊鲜龇椒ǘ疾贿m合制備高溫超導(dǎo)厚膜，不能簡(jiǎn)單、快速地批量生長(zhǎng)釔鋇銅氧超導(dǎo)帶材。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服PLD方法制備高溫超導(dǎo)薄膜的生長(zhǎng)速度緩慢，制備難度隨膜層面積變大和變厚而迅速增加的缺點(diǎn)，和制備過(guò)程需要昂貴的大功率準(zhǔn)分子激光器的缺點(diǎn)；克服電子束共蒸發(fā)方法制備儀器的復(fù)雜和電子槍需要超高真空而高溫超導(dǎo)膜需要氧氣的矛盾，克服其需要后退火的缺點(diǎn)，從而提供一種采用納米電泳技術(shù)，在覆蓋隔離層的以金屬材料為襯底的基帶上制備釔鋇銅氧超導(dǎo)膜的方法。
本發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的采用納米電泳技術(shù)制備釔鋇銅氧超導(dǎo)膜的方法包括以下步驟(1)在以MgO為隔離層的鎳基帶上，用通常的蒸發(fā)法沉積一層不破壞釔鋇銅氧超導(dǎo)電性的金屬膜，該金屬膜所用的材料包括Ag、Pt、Au、Cu、Ir、Al、Pd，將此鍍好膜的基片固定在負(fù)極上，放在干凈的器皿中備用；(2)將燒結(jié)好的YBa2Cu3O7-δ粉末充分研磨，使顆粒的尺寸在微米量級(jí)，再用高能球磨法制備顆粒度在1-100nm范圍的納米顆粒；(3)將YBa2Cu3O7-δ納米粉末與有機(jī)溶劑混合，混合比例為2-40克/升，再加入20-500毫克的碘，然后攪拌或用超聲分散法使YBa2Cu3O7-δ在有機(jī)溶劑內(nèi)完全分散均勻，配制成YBaCu3O7-δ納米電泳液；(4)將YBa2Cu3O7-δ納米電泳液放入洗凈的電泳池中，再次攪拌使或使用超聲分散法使之更均勻；(5)將制備好的裝有基帶的負(fù)電極與正電極一起放入電泳池中，然后接通20-900V的高壓直流電源，并保持通電沉積5-1800秒鐘，在基帶上沉積一層均勻、高度致密的YBa2Cu3O7-δ超導(dǎo)膜；(6)將沉積好的YBa2Cu3O7-δ超導(dǎo)膜放在燒結(jié)爐中，使?fàn)t溫以200-600度/小時(shí)的升溫速度升到750-1050℃，并保溫5-1200分鐘，然后，以1-100度/小時(shí)的降溫速度降至室溫，得到超導(dǎo)性能優(yōu)良的YBa2Cu3O7-δ納米超導(dǎo)膜。
為了得到高零電阻轉(zhuǎn)變溫度Tc0、高臨界電流密度Jc的結(jié)晶良好、高度致密的YBa2Cu3O7-δ納米超導(dǎo)膜，還包括一步驟將YBa2Cu3O7-δ納米超導(dǎo)膜放在燒結(jié)爐中，充入流動(dòng)的氧氣，該氧氣的流速為0.1-25升/分，爐溫保持350℃至450℃的情況下，進(jìn)行后退火處理。
所述的電泳池，如圖1所示，根據(jù)所需制備超導(dǎo)膜的尺寸來(lái)限定電極的大小，正負(fù)電極由同一種金屬帶材制成，正負(fù)電極間隔為3-5cm，將負(fù)極下端和側(cè)面彎折以使基片可以固定在負(fù)極上，一起插入電泳池中。
所述的有機(jī)溶劑純度為99.99％。
所述的作為電極的金屬材料，是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且具有一定的柔韌性的金屬，包括銅、銀、不銹鋼。
本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)在于(1)將納米YBa2Cu3O7-δ顆粒作為電泳粉，大大降低了燒結(jié)溫度，提高了燒結(jié)速度，因此可以避免由于時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致的膜的成分的偏離以及膜與基片之間的擴(kuò)散；(2)所生長(zhǎng)的超導(dǎo)膜高度致密，有效改善晶界弱連接，提高臨界電流密度；(3)具有極高的沉積速率，使得生長(zhǎng)YBa2Cu3O7-δ膜的厚度迅速增長(zhǎng)7并且膜的厚度容易控制，不受膜的尺寸、形狀的限制，適合在帶有隔離層的金屬基帶上生長(zhǎng)YBa2Cu3C7-δ納米超導(dǎo)厚膜；(4)納米電泳技術(shù)極大地縮短了超導(dǎo)膜的生長(zhǎng)時(shí)間，工藝簡(jiǎn)單，特別適合工業(yè)化生產(chǎn)，而且所生長(zhǎng)的超導(dǎo)膜質(zhì)地均勻，高度致密，性能優(yōu)良，造價(jià)低廉。


圖1是采用本發(fā)明方法制備高溫超導(dǎo)釔鋇銅氧厚膜所用的電泳池的結(jié)構(gòu)示意2是采用本發(fā)明方法制備的高溫超導(dǎo)釔鋇銅氧厚膜的剖面面說(shuō)明如下1、高壓電源2、正極 3、負(fù)極 4、電泳液5、電泳池 6、鎳基片7、氧化鎂8、釔鋇銅氧具體實(shí)施方式
實(shí)施例1本實(shí)施例是在5mm×10mm的MgO基片上制備YBa2Cu3O7-δ納米超導(dǎo)膜，使用的電泳池5，如圖1所示，采用清洗后的厚度為0.3mm、寬為1.5cm、長(zhǎng)為5cm的金屬銀作為電泳池5的正負(fù)電極，負(fù)極3的下端和側(cè)面被彎折以固定基片6，將5mm×10mm×0.5mm的MgO基片6蒸上一層Ag后固定在負(fù)極3上；然后，將2.45克YBa2Cu3O7-δ粉充分研磨使其顆粒度小于2μm，再將研磨好的YBa2Cu3O7-δ粉用高能球磨法制備顆粒度在1-60nm范圍之間的納米顆粒，與500毫升丙酮(純度99.99％)用玻璃棒攪拌混合后倒入電泳池5；將裝有基帶的負(fù)電極3與正電極2放入電泳池中，在電極上接通900伏特直流電并保持30分鐘，這樣，在基片6上就沉積了一層約20μm厚的YBa2Cu3O7-δ納米超導(dǎo)膜。最后，將沉積好YBa2Cu3O7-δ納米超導(dǎo)膜放在燒結(jié)爐中，使?fàn)t溫以200度/小時(shí)的升溫速度升到750℃，并保持20小時(shí)后，再以30度/小時(shí)的降溫速度降至450℃，并保溫6小時(shí)，同時(shí)通入流速為0.5升/分的氧氣，得到性能優(yōu)良的YBa2Cu3O7-δ納米超導(dǎo)膜，該納米超導(dǎo)厚膜高度致密均勻，零電阻轉(zhuǎn)變溫度為90K，臨界電流密度為1.8×106A/cm2，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)證實(shí)該方法簡(jiǎn)單、重復(fù)性好。
實(shí)施例2本實(shí)施例是在織構(gòu)的以MgO作隔離層10mm×40mm的鎳片6上，用氯仿作為電泳溶劑制備YBa2Cu3O7-δ納米超導(dǎo)薄膜。使用的電泳池5，如圖1所示，首先，在鎳片6上制備致密均勻的氧化鎂薄膜7，再在基帶上蒸一層Pt后固定在負(fù)極3上；將顆粒度小于0.5μm的YBa2Cu3O7-δ粉末用高能球磨法制備顆粒度在1-10nm范圍的納米顆粒，并與1000毫升氯仿(純度99.99％)混合，用玻璃棒攪拌后倒入電泳池；將兩電極放入電泳池5中，在正負(fù)極之間接通900伏電壓，保持5秒鐘，這樣，在基帶上就沉積了一層約100nm厚的YBa2Cu3O7-δ膜8；最后，將沉積好YBa2Cu3O7-δ膜8的基帶放在燒結(jié)爐中，使?fàn)t溫以300度/小時(shí)的升溫速度升到1000℃，并保持5分鐘后，再以1度/小時(shí)的降溫速度降至400℃，同時(shí)，通入流速為20升/分的氧氣，得到高度致密均勻，零電阻轉(zhuǎn)變溫度分布在85K和92K之間，臨界電流密度為0.8×106A/cm2-1.2×106A/cm2的YBa2Cu3O7-δ薄膜。
實(shí)施例3本實(shí)施例是在織構(gòu)的20mm×80mm的鎳片6上，以MgO作隔離層7，生長(zhǎng)YBa2Cu3O7-δ納米超導(dǎo)薄膜8。所用的電泳池5，如圖1所示，首先，在鎳片6上制備致密均勻的氧化鎂薄膜7，再在MgO基帶上蒸一層Al；將顆粒度小于8μm的YBa2Cu3O7-δ粉末用高能球磨法制備顆粒度在1-60nm范圍之間的納米顆粒；將Al/MgO/Ni基帶固定在負(fù)極3上放入電泳池，正負(fù)極之間通有900伏電壓，并保持20分鐘，這樣，基帶上就沉積了一層約300nm厚的YBa2Cu3O7-δ納米超導(dǎo)膜；最后，將沉積好的YBa2Cu3O7-δ納米超導(dǎo)膜放在燒結(jié)爐中，使?fàn)t溫以600度/小時(shí)的升溫速度升到850℃，并保持半小時(shí)，再以100度/小時(shí)的降溫速度降至室溫，同時(shí)，通入流速為10升/分的氧氣，將此YBa2Cu3O7-δ厚膜在350℃氧氣氛中進(jìn)行后退火處理，得到均勻致密，零電阻轉(zhuǎn)變溫度分布在92-93K，臨界電流密度為1.5-2.0×106A/cm2的YBa2Cu3O7-δ厚膜。
權(quán)利要求
1.一種制備釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)膜的方法，該方法包括以下步驟(1)在以MgO為隔離層的鎳基帶上，用通常的蒸發(fā)法沉積一層金屬膜做成基片，該金屬膜所用的材料包括Ag、Pt、Au、Cu、Ir、Al、Pd，將該基片固定在負(fù)極上做成負(fù)電極片，放在干凈的器皿中備用；(2)將燒結(jié)好的YBa2Cu3O7-δ粉末充分研磨，使顆粒的尺寸在微米量級(jí)，再用高能球磨法制備顆粒度在1-100nm范圍的納米顆粒；(3)將YBa2Cu3O7-δ納米粉末與聲機(jī)溶劑混合，混合比例為2-40克/升，再加入20-500毫克的典，然后攪拌或用超聲分散法使YBa2Cu3O7-δ在有機(jī)溶劑內(nèi)完全分散均勻，配制成YBa2Cu3O7-δ納米電泳液；(4)將步驟(3)配置的YBa2Cu3O7-δ納米電泳液放入洗凈的電泳池中，再次攪拌或使用超聲分散法使之均勻；(5)將步驟(1)制備的負(fù)電極片與正電極一起放入電泳池中，然后與一20-900V的高壓直流電源電連接，并保持通電沉積5-1800秒鐘，在基帶上沉積一層均勻、高度致密的YBa2Cu3O7-δ超導(dǎo)膜；(6)將沉積好的YBa2Cu3O7-δ超導(dǎo)膜放在燒結(jié)爐中，爐溫以200-600度/小時(shí)的速度升溫到750-1050℃，并保溫5-1200分鐘，然后，以1-100度/小時(shí)的降溫速度降至室溫，得到超導(dǎo)性能優(yōu)良的YBa2Cu3O7-δ納米超導(dǎo)膜。
2.按權(quán)利要求1所述的制備釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)膜的方法，還包括一步驟將步驟(6)制備的YBa2Cu3O7-δ納米超導(dǎo)膜放在燒結(jié)爐中，充入流動(dòng)的氧氣，該氧氣的流速為0.1-25升/分，爐溫保持300℃至450℃的情況下進(jìn)行后退火處理。
3.按權(quán)利要求1所述的制備釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)膜的方法，其特征還在于所述的電泳池，根據(jù)所需制備超導(dǎo)膜的尺寸來(lái)限定電極的大小，正負(fù)電極由同一種金屬帶材制成，正負(fù)電極間隔為3-5cm，將負(fù)極下端和側(cè)面彎折以使基片可以固定在負(fù)極上，一起插入電泳池中。
4.按權(quán)利要求1所述的制備釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)膜的方法，其特征在于所述的有機(jī)溶劑純度為99.99％。
5.按權(quán)利要求1所述的制備釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)膜的方法，其特征在于所述的電極包括用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和具有柔韌性的銅、銀或不銹鋼金屬材料制作的。
全文摘要
本發(fā)明涉及采用納米電泳技術(shù)制備高溫超導(dǎo)釔鋇銅氧膜的方法，該方法的步驟包括將預(yù)先燒結(jié)好的釔鋇銅氧粉末充分研磨成顆粒度在1－100nm范圍的納米顆粒；在制備有隔離層的織構(gòu)鎳片上蒸發(fā)一層金屬膜，并將其固定在負(fù)極上；將釔鋇銅氧納米粉末、碘與有機(jī)溶劑按一定比例均勻混合，配制成釔鋇銅氧納米電泳液；將制備的釔鋇銅氧納米電泳液與裝有基帶的電極放入洗凈的電泳池中，在正負(fù)電極上通20－900V的直流電，并保持沉積時(shí)間5－1800秒鐘，這樣，在基帶上就會(huì)沉積一層高度致密均勻的釔鋇銅氧納米超導(dǎo)膜。采用該方法制備的納米超導(dǎo)膜，性能優(yōu)良、工藝簡(jiǎn)單、生長(zhǎng)迅速、成本低廉，而且膜厚可以控制，適合工業(yè)化應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01B12/02GK1510767SQ02157978
公開(kāi)日2004年7月7日 申請(qǐng)日期2002年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者朱亞彬, 周岳亮, 王淑芳, 劉震, 陳正豪, 呂惠賓, 楊國(guó)楨 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所