CaCuO2颗粒尺寸对双粉法制备Bi系高温超导带材性能的影响

本文通过基于共沉淀工艺的双粉法制备了Bi_1.76Pb_0.34Sr_1.93Ca_2.0Cu_3.06O_8+d (Bi-2223)前驱体粉末。在这一过程中,首先单独制备了Bi_1.76Pb_0.34Sr_1.93CaCu_2.06O_8+d (Bi-2212)和CaCuO₂(实际相组成为Ca₂CuO₃和CuO)粉末,并分别进行了烧结。通过调节共沉淀工艺过程中的pH值,获得了颗粒尺寸不同的CaCuO₂粉末,然后将Bi-2212与其按照相组成相组成为1:1进行混合,并装入Ag包套中,通过一系列的旋锻、拉拔和轧制工艺,获得设计尺寸的Bi-2223带材。比表面积测试表明随着pH值从3.0增加到5.0和6.5,获得CaCuO₂粉末的平均颗粒尺寸从1.1减小到0.75和0.60 mm。通过扫描电镜对不同尺寸CaCuO₂颗粒制备的Bi-2223生带、第一次热处理和后处理之后带材的相组成和分布进行了表征。结果表明,适当尺寸的CaCuO₂颗粒可以避免团聚现象的出现,因此有利于高载流性能带材的获得。最终通过进一步调节带材的尺寸,1#带材的性能最高,达到了12200 Acm^_-2。     

含铅化合物在BSCCO粉末热处理中的形成与氧释放及吸收关系

为了提高(Bi，Pb)-2223／银超导带材的传输性能，其制备工艺近几年有很大的改进。目前采用PIT法，制备的150m长的(Si，Pb)-2223／银超导带材，在77K和自场下，工程电流密度Jc达到了18kA／cm^2。Bi-2223带材的质量，主要依赖于前驱粉末、机械变形、退火气氛、温度、时间及精确的升温和降温速率等工艺参数。关键是要控制(Bi，Pb)-2223相的形成。     

热处理气氛对(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Oy超导带材晶粒尺寸及相组成的影响

采用粉末装管法(PIT)制备(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Oy(Bi-2223)超导带材,通过X射线衍射仪、扫描电镜研究热处理气氛对Bi-2223晶粒尺寸、结晶度及相组成的影响.研究结果表明:采用空气热处理有利于Bi-2223晶粒的长大;采用7.5%O2-Ar气氛热处理带材中存在较少的非超导相,且Bi-2223的结晶度较高;通过一种复合气氛热处理(热处理过程中使用两种气氛),带材Bi-2223晶粒尺寸较大且非超导相较少.工艺优化后最终带材的临界电流密度超过20000A/cm2(自场,77K).     

高压烧结对Bi-2223/Ag高温超导带材临界电流与力学性能的影响

研究了高压烧结对Bi-2223/Ag高温超导带材临界电流以及力学性能的影响。结果表明:高压烧结使带材的临界电流提升了30%,抗拉强度提升到104MPa,带材临界弯曲应变从0.54%提升到0.91%。采用XRD常规扫描、Omega扫描以及SEM等手段分析了带材电学性能和力学性能提升的原因。实验结果发现:高压烧结有利于Bi-2223相的形成,从而使Bi-2223的相含量增加,残余的Bi-2212相的含量减少;常压烧结和高压烧结后的带材中Bi-2223相晶粒的半高宽分别为6.5°和5.6°说明高压烧结的带材中的Bi-2223晶粒排列更加整齐;此外,通过观察带材的纵截面发现高压烧结使带材内部更加致密。正是三方面的共同作用大幅度提升了带材的临界电流以及力学性能。     

升温速率对Bi-2223带材载流性能的影响

研究了第一次热处理中的升温速率对Bi2223带材特性的影响,分别采用100、300和500℃/h的升温速率将带材加热到838℃,于空气气氛中保温50h,后经中间轧制,第二次热处理得到成品带材。试验发现升温速率影响带材热处理的鼓泡特性,同时对Bi-2223相的转化率、残余第二相的含量及Bi-2223的晶粒取向也有一定的影响。采用适当的升温速率(300℃/h)可以限制带材的鼓泡,改善带材的微观组织并提高临界电流(Ic),77K自场下的Ic可达101A,磁场下的载流性能也有一定改善。     

“双粉法”制备Bi—2223／Ag带材中CaCuO2最佳含量的确定

采有“双粉法”制备Bi-2223/Ag带材,通过对2212和CaCuO2的不同配比研究,确定了双粉法中CaCuO2的最佳含量,实验结果表明：当前驱粉中CaCuO2相过量5%时,带材的临界电流密度比CaCuO2无过量时高10%左右。这主要是因为在反应过程中,过量的CaCuO2会提供较丰富的液相,促使2212→2223转变过程进行得更彻底。且转变速度提高;但过量值较大（10%～15%)时,过多的液相会导致杂相的偏聚,大尺寸的杂相粒子使其周围的2223相织克构度,晶粒连接性较差,带材的临界电流密度下降。     

改进型镁扩散法制备高临界电流密度MgB2超导体性能研究

本文采用一种改进型镁扩散法成功制备出密度达到1.95g/cm₃的MgB₂超导块材。论文研究了不同的热处理条件对MgB₂块材的超导转变温度(T_c)和临界电流密度(J_c)性能的影响。采用最佳热处理条件制备的MgB₂超导体T_c和J_c分别达到了38.1K和0.53MA/cm₂(10K,自场)。为了改进镁扩散法MgB₂超导体中弱的高场磁通钉扎性能,本文还研究了nano-Pr₆O₁₁和C掺杂对MgB₂超导体的临界电流密度和不可逆场(H_irr)的影响。结果表明C掺杂的MgB₂超导体临界电流密度在10K,6T下达到了10₄A/cm₂,该结果比未掺杂MgB₂超导体在同样条件下性能提高了两个量级,甚至比固态反应法制备的nano-C掺杂MgB₂超导体性能更好。利用该方法制备的nano-Pr₆O₁₁掺杂的MgB₂超导体在10K,2T下也比未掺杂样品J_c提高达9.4倍。根据大量的实验结果和理论分析我们提出基于改进型镁扩散法和化学掺杂,包括纳米粒子和C掺杂,很有可能是一种制备高性能MgB₂超导体非常有效的途径。     

冷却速率对(Bi,Pb)-2223/Ag超导带材微观结构和性能的影响

研究了(Bi,Pb)-2223/Ag带材在第1次热处理后,不同的冷却速率对其输运性能和微观结构的影响。利用XRD、SEM等分析手段对样品进行表征。结果表明：随着冷却速率的降低,带材中的2201相不断减少直至消失,而Ca2PbO4相的含量却不断增加;与此同时,带材中第二相粒子的尺寸也不断增大。带材的输运电流测量表明,随冷却速率（对数坐标）的降低,样品的临界电流密度线性增加,同时,带材在磁场下的性能也不断提高。这是由于慢冷导致(Bi,Pb)-2223/Ag带材的晶粒连接性变好和磁通钉扎能力提高造成的。     

喷雾热分解制备Bi-2212前驱粉末的相演变和超导性能

采用喷雾热分解技术制备高温超导Bi₂Sr₂CaCu₂O_x（Bi-2212）前驱粉末,并研究了粉末热处理过程中的相演变过程及线材的超导性能。结果表明,喷雾热分解制备的粉末平均粒度为3.03 μm,颗粒为球状并呈弥散分布。粉末在热处理过程中的相演变包含4个过程：粉末在527 ℃下主要进行硝酸盐的分解和组元之间的初步反应;由于喷雾粉末具有很高的活性,在588 ℃时生成Bi₂Sr₂CuO_x（Bi-2201）相;喷雾粉末在780 ℃发生Bi-2212相的成相反应;在834 ℃时粉末完全融化。Bi-2212/Ag超导线材的热处理温度窗口很窄,最高热处理温度T_max变化±2 ℃时,临界电流I_c的降幅达到了31 A。Bi-2212/Ag超导线材的最佳T_max为885 ℃,在该温度条件下制得的线材临界电流I_c（4.2 K, 0 T）达到最高值,约为486 A。前驱粉末的热处理气氛为氧气时,线材的临界电流可以进一步提高到712 A。     

退火处理Bi-2223/Ag超导带材

将经常规热处理制备而成的Bi-2223/Ag超导带材在某一温度区间再进行后退火处理,以改善带材中的Bi-2223晶粒之间的连接状况,提高带材的超导性能.然后用四引线法测量样品的临界电流及其在磁场中的角度依赖性,用XRD和SEM分析样品的微观结构.实验结果表明,后退火处理提高了Bi-2223/Ag超导带材的临界电流,改善了带材在磁场中的性能.     

Microstructure and properties of Bi-2223/Ag/Ni tapes

To reduce the production cost of Bi-2223 superconducting tapes, Bi-2223/Ag/Ni tapes were fabricated by the powder-in-tube process. The effect of heat treatment on the microstructure and critical current of the Bi-2223/Ag/Ni tapes were studied. The phase compositions of the samples were characterized using XRD. The microstructure was observed using SEM. Experimental results indicate that higher temperature is more conducive to the formation of Bi-2223 phase at an atmosphere of 8.5% O 2 . After the two-step heat treatment, the critical current of samples is about 67.5 A.     

Critical current enhancement in Bi-2223/Ag superconducting tapes by controlling its first sintering process

Microstructural evolution of the Bi-2223 phase, liquid phase and secondary phase in the first sintering process has been studied by means of XRD and SEM/EDS. Experiments show that the first sintering temperature and time have a great influence on the Bi-2223 phase formation. The cooling rate after the first sintering process determines the type and grain size of the secondary phases, which in turn decides the critical current of the fully reacted tapes. The fast cooled sample contains a few secondary phase particles with very small size, whereas the slow cooled sample produces large CuO particles. The (Ca,Sr)₂CuO₃ and (Ca,Sr)₁₄Cu₂₄O₄₁ phases are easy to deform, while CuO phase particle has a high hardness and is difficult to deform during uniaxial press. The critical current is largely improved by controlling the cooling rate of the first sintering process.     

THE INFLUENCE OF PRECURSOR VARIABLES ON THE PHASE FORMATION,MICROSTRUCTURE AND TRANSPORT PROPERTY OF Bi—2223／Ag TAPES

The Bi-2223/Ag tapes were prepared with spray-died powders, which are of different particle sizes and phase assemblages by varying the annealing time in pure oxygen. Longer time annealing degraded the reactivity of precursor powder, which in turn resulted in an incomplete conversion from precursors to Bi-2223, porosity core and misaligned grains in fully processed tapes. The best Jc in short pressed samples varied from 29.7 to 47kA/cm2 for the tapes made from different powders.     

中间变形对Bi-2223/Ag超导带材织构的影响

借助于扫描电镜和X射线衍射分析摇摆曲线，研究了Bi-2223／Ag单芯超导带材制备过程中中间变形对Bi-2223超导相织构的影响。结果表明，织构度与中间变形量的关系曲线呈现峰值变化规律。采用轧制进行中间变形，Bi-2223／Ag单芯带材的变形量εopt为14．3％时Bi-2223相织构最佳；采用压制进行中间变形，变形量εopt为10．7％时Bi-2223相织构最佳。中间变形后的带材经过最终热处理，其Bi-2223相的织构得到进一步改善。四引线法临界电流密度测量结果表明，其与带材的织构度成正对应关系。     

Advances in processing and characterizing Bi-based superconductors

Advances in the processing and fabrication of mono- and multifilament Bi-2223/2212 high-critical-temperature superconductors by the powder-in-tube technique continue to bring these materials closer to commercial applications. Consistently high critical- current densities (J_c) greater than 10⁴ A/cm₂ have been achieved along the entire length of a 1,260 m long, 37 filament Bi-2223 tape. Pancake-shaped coils, test magnets, and a prototype transformer were fabricated and characterized from such long conductors. Record high fields have been generated in prototype test magnets operated as inserts in the high background fields of conventional low-critical-temperature magnets. With an eye toward commercialization, this article reviews some of the recent advances in the processing and characterization of bismuth-based tapes.     

铋系高温超导粉体的制备

首先采用喷雾热分解法制备了铋系超导粉体，然后对得到的粉体进行焙烧处理，焙烧时采用不同的工艺参数，包括温度、保护气体的氧分压等。利用XRD，SEM等分析手段，研究了焙烧后粉体的粒度分布，形貌，相组成及其均匀性等。最后，采用粉末套管法将焙烧后的超导粉体制备成单芯超导带材，在形变热处理后，带材样品获得了超过30A的临界电流。     

Processing high critical current density Bi-2223 wires and tapes

Considerable progress has been made in fabricating (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ in high-T_c superconductor wires or tapes with high critical current densities that are attractive for electric power and high-field magnet applications. The powder-in-tube technique appears to be useful for making silver-clad Bi-2223 composites. This article discusses the processing and the excellent superconducting properties of the resulting wires and tapes.     

部分熔化热处理工艺对Bi-2212／Ag带材Jc性能的影响

为了提高Bi-2212/Ag带的性能（主要指临界电流密度Jc)，进行了部分熔化热处理工艺对带材Jc的实验。采用标准的4点法测量Jc,使用PW1700XRD,SL20 SEM 和EDX检验和研究带材的相组成和微观组织。实验表明，在流氧气氛下，烧结温度为860℃～880℃时，前驱粉末以Bi-2212为主相，同时含有少量的Bi-2201相，（Sr2Ca)Cu2O3相和富（Bi2Sr)相。在流氧气氛下，带材Jc性能对热处理工艺参数非常敏感，在实验条件范围内，优化后的热处理工艺参数为：熔化温度Tmax=890℃，熔化时间tmax=10min,冷却速率Rc=2℃h^-1，在保温温度为835℃时，保温时间ta=20h,通过优化的部分熔化热处理工艺，在77K，0T下最后所制得带材的最大Jc=6A,Jc=890Acm^-2.