一种Bi-2212超导涂层的制备方法转让专利
申请号 : CN202010758981.1
文献号 : CN111768926B
文献日 : 2021-04-30
发明人 : 金利华 , 刘国庆 , 李成山 , 郝淸滨 , 徐晓燕 , 焦高峰 , 郑会玲 , 张平祥
申请人 : 西北有色金属研究院
摘要 :
权利要求 :
1.一种Bi‑2212超导涂层的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:步骤一、将原料加入到去离子水中后进行搅拌得到原料溶液,然后将原料溶液在喷雾热解炉中进行喷雾热解,得到喷雾热解粉末;所述原料为Bi、Sr、Ca和Cu的乙酸盐或硝酸盐,所述原料溶液中Bi、Sr、Ca和Cu的原子比为(1.9~2.2):(1.4~2):(0.7~1):2;
步骤二、将步骤一中得到的喷雾热解粉末和第二相粉末加入到溶剂中后进行搅拌,得到前驱液;所述第二相粉末为SrHfO3纳米粉末或/和AgBiO2纳米粉末,或者第二相粉末为SrTiO3纳米粉末,所述溶剂为乙醇、甲醇、丙酮或丙醇,所述喷雾热解粉末和第二相粉末的质量比为1:(0.01~0.05),所述前驱液中喷雾热解粉末的质量浓度为10g/L~30g/L;所述AgBiO2纳米粉末为Bi2O3纳米离子上包裹Ag形成的化合物;
步骤三、将步骤二中得到的前驱液涂覆于基底上,得到表面涂覆有前驱膜的基底;
步骤四、将步骤三中得到的表面涂覆有前驱膜的基底进行加热处理,在基底上得到Bi‑
2212超导涂层;所述加热处理的过程为:将表面涂覆有前驱膜的基底放入到管式炉内,向管式炉内通入氮氧混合气,以2℃/min~5℃/min的升温速率加热至770℃~800℃后保温1h~
2h,向管式炉内通入氧气,以1℃/min~2℃/min的升温速率加热至875℃~905℃后保温
12min~30min,以5℃/h~15℃/h的降温速率降温至865℃~885℃,以2.5℃/h的降温速率降温至830℃后保温10h,随炉冷却;所述氮氧混合气中氧气的体积含量为0.1%~1%,余量为氮气,所述向管式炉内通入的氧气中氧的质量分数为99%。
2.根据权利要求1所述的一种Bi‑2212超导涂层的制备方法,其特征在于,步骤一中所述喷雾热解的条件为:喷雾热解的温度为600℃~1000℃,喷雾雾化的功率为100W~200W。
3.根据权利要求1所述的一种Bi‑2212超导涂层的制备方法,其特征在于,步骤二中所述搅拌的转速为300rpm~2000rpm,时间为30min。
4.根据权利要求1所述的一种Bi‑2212超导涂层的制备方法,其特征在于,步骤三中所述涂覆的方法为浸涂法或旋涂法,所述浸涂法中采用的提拉速度为1mm/s~5mm/s,所述旋涂法中采用的转速为100rpm~2000rpm,时间为10s~30s;所述基底为Ag片、LaAlO3单晶基片或CeO2/MgO/Hastelloy衬底。
说明书 :
一种Bi‑2212超导涂层的制备方法
技术领域
背景技术
2212涂层带材制备相对简单,目前Bi‑2212涂层已经应用于NMR磁体、MRI磁体、超导接头的
制备等方面。
涂层,但是物理气相沉积制备Bi‑2212涂层的设备昂贵,制备成本高;采用化学溶液沉积原
理的方法有溶胶凝胶法,可以获得高织构取向的涂层,这种方法可以在原位生成中间态的
氧化物,然后转化为Bi‑2212化合物,但是化学溶液沉积方法一般只能制备几百纳米的薄
膜,很难提高涂层的厚度,获得具有良好载流性能的厚膜。在传统Bi‑2212膜的制备过程中,
通常直接采用Bi‑2212的成相粉作为前驱体,将前驱体涂敷在衬底上进行高温熔化再生长
后得到Bi‑2212涂层。传统方法中已经成相粉的颗粒尺寸比较大,一般达到3~10微米,大颗
粒的成相粉容易导致涂层在后续熔化再生长过程中出现不均匀的区域,涂层表面容易产生
裂纹等缺陷。同时大尺寸颗粒在熔化中也会导致Bi‑2212相生长量少、第二相残留过多,超
导性能降低。
发明内容
加热处理的参数,实现了Bi‑2212超导涂层一边快速成相,同时熔融织构生长,使Bi‑2212超
导涂层具有强钉扎中心和优异的临界电流密度,提高了Bi‑2212超导涂层的厚度,外延取向
和载流性能。
匀的前驱液,保证了Bi‑2212超导涂层的成分均匀性,保证了后续成相生长过程中,保证了
Bi‑2212超导涂层表面无裂纹、具有良好微观形貌,同时这种中间态非晶粉末制备的涂层,
可以满足较大熔化窗口,更有利于降低工艺控制难度,有利于涂层制备;通过将喷雾热解粉
末与第二相粉末在溶剂中混合,引入第二相粉末,使第二相粉末以纳米粒子的形式分布在
前驱液中,从而保证了第二相纳米粒子良好嵌入和分散到前驱膜中,使Bi‑2212超导涂层具
有强钉扎中心和优异的临界电流密度,有利于Bi‑2212超导涂层中的钉扎相均匀分散、组分
一致且尺寸更小,通过将前驱液涂覆于基底上,使前驱液均匀附着在基底表面,保证了Bi‑
2212超导涂层的结构,通过加热处理使前驱膜依次进行成相、熔化和再生长,使Bi‑2212超
导涂层具有优异的组织结构和性能。
~2):(0.7~1):2。本发明通过控制原料溶液中各成分的原子比,保证了Bi‑2212超导涂层
的成分达到实际使用的要求;本发明采用易于分散的乙酸盐或硝酸盐作为原料,保证了喷
雾热解粉末中各金属离子分布均匀,从而保证了前驱液中各金属离子分布均匀,有利于Bi‑
2212超导涂层的成分均匀。
制喷雾热解的参数,使原料溶液完全热解得到纳米粉末,有利于喷雾热解粉末均匀分散前
驱液中,以及容易成相和再熔化生长,保证了Bi‑2212超导涂层的表面均匀性。
乙醇、甲醇、丙酮或丙醇,所述喷雾热解粉末和第二相粉末的质量比为1:(0.01~0.05),所
述前驱液中喷雾热解粉末的质量浓度为10g/L~30g/L。本发明采用已经成相的纳米粒子作
为第二相,控制了第二相的组成,使前驱液中形成第二相,保证了Bi‑2212超导涂层具有强
钉扎中心和优异的临界电流密度,本发明通过引入不同的第二相粉末,有促进熔化再生长
的作用,保证了Bi‑2212超导涂层形成的钉扎中心尺寸更小,比例更可控,同时采用不同种
的纳米粉末组合既可以提供钉扎中心,又可以促进成相粉熔化,降低熔点,促进Bi‑2212再
结晶生长;本发明通过控制溶剂的种类使喷雾热解粉末和第二相粉末充分溶解在溶剂中,
使喷雾热解粉末和第二相粉末在溶剂中分散均匀,有利于前驱液能够均匀的涂覆于基底
上,保证了Bi‑2212超导涂层的厚度均匀,同时避免了聚合物的使用,减少了前驱液在后续
成相过程中的碳残留,有利于加热处理,本发明中AgBiO2为Bi2O3纳米离子上包裹Ag形成的
化合物。
粉末和第二相粉末充分溶解在溶剂中,使喷雾热解粉末和第二相粉末在溶剂中分散均匀,
有利于前驱液能够均匀的涂覆于基底上,保证了Bi‑2212超导涂层的厚度均匀。
转速为100rpm~2000rpm,时间为10s~30s;所述基底为Ag片、LaAlO3单晶基片或CeO2/MgO/
Hastelloy衬底。本发明采用浸涂法或旋涂法使前驱液均匀涂覆在基底上,保证了基底的表
面涂覆有厚度均匀的前驱膜,从而保证了Bi‑2212超导涂层厚度均匀;本发明通过控制浸涂
法和旋涂法的工艺参数,控制前驱膜的厚度,从而控制Bi‑2212超导涂层的厚度,使Bi‑2212
超导涂层能够直接进行应用;本发明通过控制基底的材料有利于前驱液的覆着,本发明
CeO2/MgO/Hastelloy衬底中Hastelloy为哈氏合金,该衬底常用于涂层导体,是一种能够抗
氧化的衬底,能够提供一定织构取向,成本略低于Ag衬底。
min~5℃/min的升温速率加热至770℃~800℃后保温1h~2h,向管式炉内通入氧气,以1
℃/min~2℃/min的升温速率加热至875℃~905℃后保温12min~30min,以5℃/h~15℃/h
的降温速率降温至865℃~885℃,以2.5℃/h的降温速率降温至830℃后保温10h,随炉冷
却;所述氮氧混合气中氧气的体积含量为0.1%~1%,余量为氮气,所述氧气中氧的质量分
数为99%。本发明先在氮氧混合气气氛下对涂覆有前驱膜的基底进行加热,在低氧气氛下
降低了Bi‑2212的成相反应温度,使前驱膜在低氧气氛下快速成相,然后在氧气气氛下提升
温度继续进行加热,使成相后的前驱膜熔化,再在两次小幅降温后继续保温,使熔化后的前
驱膜再生长,促进了熔化生长,缩短了制备的时间,提高了Bi‑2212超导涂层的性能,得到具
有织构取向的Bi‑2212超导涂层。
散到前驱膜中,使Bi‑2212超导涂层具有强钉扎中心,有利于Bi‑2212超导涂层中的钉扎相
均匀分散、组分一致且尺寸更小,提高了Bi‑2212超导涂层的外延取向和载流性能,同时采
用不同种的纳米粉末组合既可以提供钉扎中心,又可以促进成相粉熔化,降低熔点,促进
Bi‑2212再结晶生长。
构取向Bi‑2212超导涂层,保证了Bi‑2212超导涂层表面无裂纹、具有良好微观形貌且超导
电性能优良。
2212超导涂层的超导电性能。
Bi‑2212超导涂层表面无裂纹、具有良好微观形貌,同时这种中间态非晶粉末制备的新型涂
层,可以满足较大熔化窗口,更有利于降低工艺控制难度,有利于涂层制备。
2212超导涂层。
具体实施方式
料溶液中Bi、Sr、Ca和Cu的原子比为2.1:1.9:0.86:2,所述原料溶液中金属离子的浓度为
1mol/L;所述喷雾热解中喷雾热解的温度为900℃,喷雾雾化的功率为100W;
300rpm,时间为30min,所述前驱液中喷雾热解粉末和第二相粉末的质量比为1:0.03;所述
前驱液中喷雾热解粉末的质量浓度为10g/L;
炉内,向石英管式炉内通入氮氧混合气,以2℃/min的升温速率加热至770℃后保温2h,向石
英管式炉内通入氧气,以2℃/min的升温速率加热至885℃后保温30min,以10℃/h的降温速
率降温至875℃,以2.5℃/h的降温速率降温至830℃后保温10h,随炉冷却;所述氮氧混合气
中氧气的体积含量为0.1%,余量为氮气;所述氧气中氧的质量分数为99%。
4 2
中心,65K自场下临界电流密度达到4.9×10A/cm。
搅拌的转速为300rpm,时间为30min,所述前驱液中Bi‑2212成相粉的质量浓度为10g/L;
炉内,向石英管式炉内通入氮氧混合气,以2℃/min的升温速率加热至770℃后保温2h,向石
英管式炉内通入氧气,以2℃/min的升温速率加热至885℃后保温30min,以10℃/h的降温速
率降温至875℃,以2.5℃/h的降温速率降温至830℃后保温10h,随炉冷却;所述氮氧混合气
中氧气的体积含量为0.1%,余量为氮气;所述氧气中氧的质量分数为99%。
留,涂层厚度仅为10微米,65K自场下临界电流密度仅为1×10A/cm。
2212成相粉分散,导致了得到的Bi‑2212超导涂层表面存在碳残留,影响了Bi‑2212超导涂
层的性能,同时直接使用大尺寸成相粉进行制备时,也会造成涂层表面存在细小的裂纹,涂
层的厚度降低,同时由于对比例1直接使用了Bi‑2212成相粉且没有引入第二相粉末,Bi‑
2212熔化过程中会产生Bi‑2201等杂相,也没有纳米尺寸SrHfO3第二相作为钉扎中心,因
而,制备的Bi‑2212超导涂层在65K自场下临界电流密度大幅度降低。
料溶液中Bi、Sr、Ca和Cu的原子比为2.1:1.9:0.86:2;所述原料溶液中金属离子的浓度为
1mol/L;喷雾热解中喷雾热解的温度为900℃,喷雾雾化的功率为100W;
质量浓度为10g/L;
炉内,向石英管式炉内通入氮氧混合气,以2℃/min的升温速率加热至770℃后保温2h,向石
英管式炉内通入氧气,以2℃/min的升温速率加热至885℃后保温30min,以10℃/h的降温速
率降温至875℃,以2.5℃/h的降温速率降温至830℃后保温10h,随炉冷却;所述氮氧混合气
中氧气的体积含量为0.1%,余量为氮气;所述氧气中氧的质量分数为99%。
微米,65K自场下临界电流密度仅为2×10A/cm。
SrHfO3第二相作为钉扎中心,涂层的厚度降低,65K自场下临界电流密度大幅度降低。
料溶液中Bi、Sr、Ca和Cu的原子比为1.9:2:0.7:2,所述原料溶液中金属离子的浓度为1mol/
L;喷雾热解中喷雾热解的温度为1000℃,喷雾雾化的功率为120W;
2000rpm,时间为30min,所述前驱液中喷雾热解粉末和第二相粉末的质量比为1:0.01;所述
前驱液中喷雾热解粉末的质量浓度为30g/L;
Hastelloy衬底;
炉内,向石英管式炉内通入氮氧混合气,以5℃/min的升温速率加热至800℃后保温1h,向石
英管式炉内通入氧气,以1.5℃/min的升温速率加热至905℃后保温12min,以10℃/h的降温
速率降温至885℃,以2.5℃/h的降温速率降温至830℃后保温10h,随炉冷却;所述氮氧混合
气中氧气的体积含量为1%,余量为氮气;所述氧气中氧的质量分数为99%。
4 2
中心,65K自场下临界电流密度达到4.5×10A/cm。
料溶液中Bi、Sr、Ca和Cu的原子比为2.2:1.4:1:2,所述原料溶液中金属离子的浓度为1mol/
L;喷雾热解中喷雾热解的温度为600℃,喷雾雾化的功率为200W;
1000rpm,时间为30min,所述前驱液中喷雾热解粉末和第二相粉末的质量比为1:0.05;所述
前驱液中喷雾热解粉末的质量浓度为20g/L;
片;
炉内,向石英管式炉内通入氮氧混合气,以3℃/min的升温速率加热至785℃后保温1.5h,向
石英管式炉内通入氧气,以1℃/min的升温速率加热至875℃后保温20min,以5℃/h的降温
速率降温至865℃,以2.5℃/h的降温速率降温至830℃后保温10h,随炉冷却;所述氮氧混合
气中氧气的体积含量为0.5%,余量为氮气;所述氧气中氧的质量分数为99%。
4 2
中心,65K自场下临界电流密度达到3.5×10A/cm。
溶液中Bi、Sr、Ca和Cu的原子比为2.0:1.5:0.8:2,所述原料溶液中金属离子的浓度为1mol/
L;喷雾热解中喷雾热解的温度为800℃,喷雾雾化的功率为170W;
1200rpm,时间为30min,所述前驱液中喷雾热解粉末和第二相粉末的质量比为1:0.02;所述
前驱液中喷雾热解粉末的质量浓度为27g/L;
炉内,向石英管式炉内通入氮氧混合气,以4℃/min的升温速率加热至790℃后保温1.3h,向
石英管式炉内通入氧气,以1℃/min的升温速率加热至880℃后保温25min,以12℃/h的降温
速率降温至870℃,以2.5℃/h的降温速率降温至830℃后保温10h,随炉冷却;所述氮氧混合
气中氧气的体积含量为0.7%,余量为氮气;所述氧气中氧的质量分数为99%。
4 2
中心,65K自场下临界电流密度达到4.2×10A/cm。
溶液中Bi、Sr、Ca和Cu的原子比为2.1:1.6:0.9:2,所述原料溶液中金属离子的浓度为1mol/
L;喷雾热解中喷雾热解的温度为700℃,喷雾雾化的功率为180W;
1200rpm,时间为30min,所述前驱液中喷雾热解粉末和第二相粉末的质量比为1:0.01;所述
前驱液中喷雾热解粉末的质量浓度为28g/L;
LaAlO3单晶基片;
炉内,向石英管式炉内通入氮氧混合气,以4℃/min的升温速率加热至780℃后保温1.7h,向
石英管式炉内通入氧气,以1℃/min的升温速率加热至885℃后保温18min,以8℃/h的降温
速率降温至875℃,以2.5℃/h的降温速率降温至830℃后保温10h,随炉冷却;所述氮氧混合
气中氧气的体积含量为0.3%,余量为氮气;所述氧气中氧的质量分数为99%。
4 2
中心,65K自场下临界电流密度达到3.2×10A/cm。
溶液中Bi、Sr、Ca和Cu的原子比为2.0:1.5:0.8:2,所述原料溶液中金属离子的浓度为1mol/
L;喷雾热解中喷雾热解的温度为750℃,喷雾雾化的功率为190W;
述搅拌的转速为1500rpm,时间为30min,所述前驱液中喷雾热解粉末和第二相粉末的质量
比为1:0.02:0.02;所述前驱液中喷雾热解粉末的质量浓度为12g/L;
CeO2/MgO/Hastelloy衬底;
炉内,向石英管式炉内通入氮氧混合气,以2℃/min的升温速率加热至795℃后保温1.8h,向
石英管式炉内通入氧气,以1℃/min的升温速率加热至880℃后保温15min,以15℃/h的降温
速率降温至870℃,以2.5℃/h的降温速率降温至830℃后保温10h,随炉冷却;所述氮氧混合
气中氧气的体积含量为0.9%,余量为氮气;所述氧气中氧的质量分数为99%。
4 2
通钉扎中心,65K自场下临界电流密度达到4.1×10A/cm。
的保护范围内。