YBCO高溫超導材料的制備與檢測

向松柏

摘 要：根據我國電力、通訊、國防等行業發展的需求，考慮到國際技術發展的成熟程度和我國工作基礎，轉變機制，整合資源，充分調動各方面的積極性，特別是相關應用行業、地方政府和企業界的積極性，集中優勢力量，以市場需求為導向，以高溫超導電纜、高溫超導限流器、移動通信用高溫超導濾波器子系統三個具有重大應用前景和帶示范性的應用產品為突破口。

關鍵詞：高溫超導材料；制備；檢測

一、前言

根據國際超導科技界和相關產業部門的預測：2020年，全球超導產業將達到2400億美元以上。21世紀的超導技術會如同20世紀的半導體技術一樣具有重要意義。一方面，高溫超導線材通電能力超出相同截面積銅導線100倍以上，因而在能源領域應用潛力巨大，并有可能引發電力系統的革命。美國能源部認為高溫超導電力技術是21世紀電力工業唯一的高科技技術儲備，是檢驗美國將科學發現轉化為應用技術能力的重大實踐。日本認為超導電力技術是在21世紀全球競爭中保持尖端優勢的關鍵所在。另一方面，超導元器件的高靈敏特性使得其在移動通信、航空航天、資源勘探、醫療診斷以及軍事國防等領域有著廣闊的應用前景。隨著國際競爭的激烈，環保這一概念將會越來越成為發達國家制定游戲規則的一個重要依據。發展能耗低、環境友好的超導技術具有重要的戰略意義。

二、高溫超導材料的制備方法

氧化物超導材料作為一種陶瓷體，用于制備陶瓷的各種方法亦適用于制備氧化物超導材料。制備方法'有固相法、液相法和氣相法三種。

（1）固相法。固相法以氧化物、碳酸鹽粉末為原料，經稱量、混合、鍛燒、粉碎、混合、加壓成型、燒結、冷卻等幾道工序制備氧化物超導材料。也有人用晶體生長的方法制備出氧化物超導單晶。

（2）液相法。液相法即將所用原料混合為均勻的溶液，通過共沉淀、溶膠一凝膠、蒸發溶劑熱解、吸附等方法制得粉料或吸附體，再通過固相反應制備超導材料。

（3）氣相法。氣相法用于制備超導薄膜，有物理氣相淀積和化學氣相淀積兩種。①物理氣相淀積法。采用蒸發、濺射、分子束外延等各種物理氣相淀積技術成功地獲得了零電阻80-90K的Y-Ba-Cu-O超導薄膜和零電阻超過的Bi-Sr-Ca-Cu-O和T1-Ba-Cu-O超導薄膜。②化學氣相淀積法。此法安全可靠、能大量制備、重現性好且操作簡單，最有希望實現低溫淀積。氣相反應原料有鹵化物、金屬有機化合物。

三、YBCO高溫超導材料的制備

本文采用固相燒結法制備高溫超導塊材：YBa2Cu3O7-8。化學試劑的配比和研磨是制備高溫超導材料的第一步，如粉體的純度、摩爾配比的準確度、混合的均勻度、團聚狀態等對下一步成型、燒結及最后成型材料的性能都有極大的影響。下面我們就介紹一下細粉配比及混合的過程：（1）嚴格按照Y：Ba：Cu摩爾比1：2：3的比例，利用電子天平精確稱量三種粉末各為11.291g、39.466g和23.865g。（2）Y2O3將與CuO粉末放置在瑪瑙研缽中進行充分的混合研磨20分鐘，再加上Ba2Cu3，在瑪瑙缽中充分混合手工研磨1-2h，使粉末成灰色，用瑪瑙棒研磨直到不再出現黑色或白色的粉末痕跡。（3）然后保存在干燥器皿里邊，防止受潮。為保證三種成分的理論比例，燒結前再研磨30MIN，使三種試劑充分接觸。

燒結溫度對是否出現超導相至關重要。采用較高的燒結溫度雖對燒結過程有較好的強化作用，但因材料中的低熔點物質熔化，而導致材料成分發生偏析，對超導相形成不利。重復燒結對材料中相的影響不大，但對材料的除碳十分有利。二次燒結的目的就是為了使各反應物之間更好的接觸，充分發生化學反應，提高密實度，并且使粒子間互相擴散以及原子重排。第一步將前面混合研磨好的混合粉末裝入陶瓷增鍋，放入高溫箱型電阻爐中心部分，中間部分的溫度是最接近溫度計的溫度所以便于操控溫度，并且溫度的均勻性較好，進行第一次燒結，燒結的目的是為了使碳酸鹽分解完全，提高樣品的純度、密度。第二步待樣品溫度降至室溫后將其從干燥皿中取出，放入瑪瑙研缽中手工研磨2h左右，使之成黑色粉末狀。第三步為了使成分更充分結合、碳酸鹽分解的更徹底。所以將第一次燒結材料研磨后的粉末放入模具中用6噸的壓力制成圓柱（直徑1.0cm，高2cm）。將研磨得到的粉料放入模具中加少許甘油進行壓制成型。在成型過程中，要嚴格控制成型壓力。第五步把制成圓柱裝入陶瓷柑鍋放入高溫電阻爐中進行第二次燒結。燒結過程和第一次燒結相似。

四、高溫超導材料的檢測

（1）樣品的研磨及制片。首先要對樣品進行大約30分鐘左右的研磨，制成黑色粉末，粉末顆粒半徑盡量的小，然后用干凈的載物勺承載大約能覆蓋全部壓片框的藥品，并用干凈的白紙覆蓋在藥品上，用大拇指用力下壓，使藥品均勻的分布在玻璃片的框內，使壓玻片下表面盡量平滑這樣對檢測更加有利。

（2）開機和檢測過程。①開機前準備，打開冷卻循環水電源A設備開機前必須接通冷卻水并檢查冷卻水流量（≥3.5升/分鐘），設備背面板上有壓力表，用于顯示和檢查冷卻水入口和出口壓力。B當水流量檢測裝置或溫控裝置不能接通時，嗡鳴器響，高壓不能開啟（“X射線開”按鍵失效）。C可能出現的問題現象冷卻水流量小，上水水路有堵塞（如X光管水路被堵）。②打開計算機電源③合上儀器主機總電源。分別打開前級機電源、溫控器與照明燈電源、測量系統電源。（分別位于機柜左下方插座面板上）④打開測量系統電源開關⑤接通射線發生器電源⑥開啟射線管高壓。注意開啟高壓后，光管將產生射線，請注意射線防護。⑦放置樣品。根據樣品制作規范，制好樣品，將其插入樣品臺。

（3）衍射圖譜的分析。第一次930度燒結的X射線衍射譜，雖然此時的超導峰為最高峰，但其他雜質的峰值依然很高，所以此時的材料沒有超導特性。分子間沒有形成真正的鈣欽礦結構，而是簡單的去氧結合。

參考文獻

[1]王醒東.YBCO高溫超導薄膜的制備方法及應用[J].新材料產業.013（10）：59-62

（作者單位：湖北工程學院）