高温超导涂层导体的最近进展和新兴技术

YBCO涂层导体比其他实用超导材料具有巨大的优势和发展前景,近年来激发了世界范围的研究热潮和该领域技术的快速进步.首先对YBCO涂层导体的典型结构和规模制备的两种技术路线进行简要介绍,其次介绍世界各地YBCO涂层导体研发的当前状态和发展,包括当前主流研究机构和他们采用的技术路线情况.更多关注我国在简化缓冲层结构和减少低成本、化学溶液法的热解时间等方面的努力和代表性工作.还将介绍为提高YBCO涂层导体的在场特性而发展起来的人工磁通钉扎方法,包括通过纳米颗粒而优化磁通钉扎的情况.最后我们对涂层导体和其他超导材料的电力应用进行举例说明,如:电力电缆、发电机、变压器、强磁体等示范案例概述.     

铁基超导体的单晶生长及磁通动力学研究进展

铁基超导体具有上临界场高、临界电流密度大且各向异性小等优点,在超导强场磁体、可控核聚变、粒子加速器等国计民生领域具有重要的应用前景.对铁基超导体磁通动力学的研究,一方面可以进一步加深对磁通物理学的认知,同时也可为设计制造性能优异的铁基超导材料提供技术支持.本文首先简要介绍了典型铁基超导单晶材料的合成技术,包括熔融法、助熔剂法、化学气相输运法、热液法等;然后分别从铁基超导体的磁通及磁通晶格结构、磁通钉扎及磁通动力学等方面简要总结了相关研究进展.     

Y-211与Y2O3掺杂的熔融织构YBCO的超导钉扎效应及微结构研究

采用顶部籽晶熔融织构法,结合Y_2O_3和Y-211掺杂制备了高质量的准单畴YBCO块材.Jc测量结果表明,对于Y_2O_3掺杂的YBCO块材,其临界电流密度Jc在10K温度和0.6T磁场下达到1.60×10~6A/cm~2,用合作钉扎理论可推得,其在70K温度和2T磁场下为1.24×10~4/cm~2。扫描电镜观察结果表明,掺杂Y_2O_3所形成的Y-211粒子是柱状的,而掺杂Y-211在母体材料中是球形的,其尺寸接近纳米粒子。掺杂Y_20_3比Y-211更能增强磁通钉扎效应并有效地改善样品的生长状况。Y-211粒子与超导母体材料之间的界面对磁通钉扎起主要作用,Y-211粒子作为强钉扎中心属于界面钉扎。     

二维Josephson结阵列的钉扎及棘轮效应

利用电阻分流结动力学数值模拟了二维Josephson结阵列在六角点阵钉扎下系统的磁通分布,通过测量钉扎强度-电压关系,得到该超导系统的电阻随着钉扎强度增加而减小的规律.同时进一步研究了三角状的非对称钉扎势所产生的棘轮效应.     

MOD-REBCO高温超导涂层导体的人工磁通钉扎及其调制进展

在过去的20年, REBCO(REBa₂Cu₃O_7-δ, RE=Y,稀土元素)涂层导体被认为是最具应用潜力的超导材料之一.虽然其性能上的研究取得了很大的进展,但仍需要在REBCO薄膜中人工引入有效的磁通钉扎中心以满足更高的在场性能需求.元素掺杂是引入人工磁通钉扎中心常见的手段.在金属有机沉积(Metal-organic Deposition,MOD)制备的REBCO薄膜中,传统元素掺杂引入的异质元素以离子形态分散于前驱薄膜中并在高温过程中以离子扩散的形式生成对应的异质相,一般较难控制其生长、尺寸和分布等.在MOD路线中可采取如中温处理、超薄层涂敷和多元掺杂等多种手段对异质相进行优化,但作用较有限.基于对引入的异质相尺寸和分布上的高要求,采用预先制备特定尺寸的纳米晶后再添加REBCO的技术路线能很好地解决传统元素掺杂遇到的问题,能获得含有尺寸可控的弥散分布纳米晶的REBCO纳米复合薄膜.调整预制条件可得到尺寸在3–15 nm范围内的BaMO₃(M=Zr, Hf)纳米晶,经过改性后,单分散于REBCO前...     

铁基超导线材实用化研究进展

铁基超导体是一种新型的实用化高温超导材料,具有极高的上临界场、高转变温度、较小的各向异性、高传输电流密度等优点,能够采用成本较低的粉末装管法制备成超导线带材.目前,通过引入轧制织构和加压烧结致密化等工艺,铁基超导带材的传输临界电流密度在10 T磁场下已超过105A/cm2的实用化门槛,表明其在强电高场领域具有较强的应用潜力.与带材相比,线材具有更加对称的截面形状,能够更方便地进行电缆绞制,从而降低导线的电磁耦合效应,提高载流的均匀性和稳定性,满足高场应用需求.本文对铁基超导线材的发展与现状进行评述,对线材制备过程中的前驱粉制备、冷加工工艺、热处理技术等进行系统介绍,并对影响线材传输性能的微观结构和磁通钉扎特性进行详细阐述,其中包括不同金属包套的线材以及多芯线材.最后,对铁基超导线材的研究进行总结,并对未来的发展趋势进行展望.     

扫描隧道显微谱仪对超导磁通芯子态的研究进展

磁通是第Ⅱ类超导体中的重要量子现象,对磁通物理的研究无论是对非常规超导机理问题还是超导应用都有着重要的意义.扫描隧道显微镜/谱仪是研究材料表面形貌结构和局域电子态密度的重要手段,在超导研究方面有着重要和不可替代的作用.在磁通研究方面,扫描隧道显微镜/谱仪能够直接测量得到磁通芯子的形状和磁通的分布情况.本文针对扫描隧道显微镜/谱仪可以研究的磁通芯子附近态密度分布问题,重点对超导体中拓扑平庸的磁通芯子态的研究进展进行总结.     

高温超导材料研究进展

超导技术是当下的高新技术之一，对于超导材料的研究一直处于现在进行时.临界温度下的超导材料表现出优异的零电阻特性，能量损耗相对于常规导电材料大幅降低，具有非常高的应用价值.以超导材料发展的时间线为线索，回顾高温超导材料的研究历程.在综合整理国内外研究论文的基础上详细阐述BSCCO、YBCO、铁基超导、MgB₂、有机超导体的发展历程、发展现状以及各自特性，并展望超导材料的发展前景.     

YBCO超导块材超导性能高温失超及恢复

研究了经过高温热处理而失去超导电性的YBCO(Y-Ba-Cu-O)超导块材经过后氧化热处理恢复其超导性能的可行性,为YBCO超导块材的连接奠定基础。对原始YBCO块材、热处理后YBCO块材及后氧化热处理YBCO(块材和粉末)的超导性能、微观组织及物相变化进行了分析。结果表明:采用常规顶部籽晶熔融织构生长法制备的YBCO块材经过高温热处理后会完全失去超导性;经过后氧化热处理后,其超导性能得到恢复。高温热处理并未改变块材的织构特征,而其晶体结构由正交结构转变成四方结构,从而失去超导性能;经过后氧化热处理,其晶体结构又由四方结构转变为正交结构,完全恢复了超导性能。     

超导磁浮交通研究进展

超导磁浮交通具有无接触摩擦磨损、运行速度高、环境友好、安全可靠等优点,是先进轨道交通技术的典型代表。基于钉扎效应的高温超导磁浮列车与以超导磁体作为车载动子的电动磁浮列车是超导磁浮交通的主要形式.文中分别详细介绍了高温超导磁浮列车与电动磁浮列车各自结构原理及发展历程,并总结了这两种典型超导磁浮交通形式的主要优缺点.目前超导磁浮交通总体朝向"高速"方向发展,结合真空管道的高温超导磁浮以及利用高温超导磁体取代低温超导磁体的电动磁浮将是未来高速交通的主要选择.     

YBCO/LAO和YBCO/MgO超导薄膜的微波性质

利用微带谐振技术研究了YBa2Cu3O7/LaAlO3 (YBCO/LAO)和YBa2Cu3O7/MgO (YBCO/MgO)超导薄膜的微波响应.通过测量微带谐振器的共振频率、有载品质因数、插入损耗与温度之间的依赖关系,分析了超导薄膜的微波特性,获得了超导薄膜在绝对零度时的穿透深度λ0.对于YBCO/LAO,λ0=265nm;对于YBCO/MgO,λ0=280nm.本文还利用微带谐振器研究了YBCO/LAO和YBCO/MgO超导薄膜的微波表面电阻.     

矩形高温超导厚板在指数模型下的应力分布

基于指数模型,研究了长矩形高温超导体厚板内磁通钉扎导致的应力分布,并与其他临界态模型做了对比.假定超导板为完全弹性体,利用平面应变方法和麦克斯韦方程,推导出电磁力作用下超导体内的应力分布表达式,根据ZFC和FC两个磁化过程中降场阶段的磁通密度分布,得出了应力分布情况在不同临界态模型下的差异和P值对应力分布的影响.结果表明:指数模型在ZFC过程中BaB~*阶段应力随递增的外磁场先增大后减小,与其他两个模型都有所不同.P值较小时(P=0.1)各模型相似度较高,但随着P值增大,指数模型中P=1.5时的情况与Kim模型中P=10的情况相似,P值的改变将影响应力分布.     

高温超导定子无铁芯感应电机电磁特性分析

近年来,世界各国对于超导技术纷纷投入巨资加紧研究与开发,抢占技术制高点,不断推动超导技术产生新的飞跃,超导技术的应用步伐也迅速加快.将高温超导技术与电机结合研制的超导电机具有明显的优势,但是超导电机若采用传统电机的铁芯结构,超导材料性能将受铁芯磁通饱和的制约.本文利用有限元分析方法对一台初步设计的定子无铁芯高温超导感应电机的电磁特性进行了仿真分析.     

YBCO掺杂效应研究

介绍了YBCO掺杂的基础知识,总结了YBCO各个位置采用典型元素掺杂而导致的超导电性和结构的变化,阐述了掺杂对YBCO的重要影响,并简介了当前YBCO掺杂效应研究中的几个热点问题.     

YBCO粉末研究的最新进展

YBCO(YBa2Cu3O7-x)超导粉的制备方法有固体粉末法和湿化学法.湿化学法的优点是溶质具有达到离子级的接触而发生反应,所制备的产物颗粒均匀,尺寸小,烧结温度低,节约能源.其结构表征可以通过X射线衍射、扫描电镜(SEM)、透射电镜分析(TEM)和红外光谱.由湿化学的柠檬酸热解法,是目前既简单又有效的YBCO纳米粉制备技术,本文初步探索了用低温度和短时间烧结的YBCO纳米粉,具有颗粒小,杂质少,晶格较清晰,有助于改善和提高YBCO超导性能,开发和制备出第三代超导体材料.     

提高电泳法制备YBCO超导厚膜Jc的途径

电泳法制备YBCO超导厚膜的研究屡见报道, 然而其临界电流密度较低. 通过引入不同比例的Y₂BaCuO₅(Y211)粒子作为磁通钉扎中心, 将顶部籽晶技术和熔融织构工艺相结合, 并且采用高压氧处理调节氧含量的均匀性, 制备出织构的YBCO超导厚膜, 有效改善了晶界弱连接, 提高了临界电流密度. 实验证明, 在YBa₂Cu₃O_7−δ (Y123)电泳粉末中掺入40 mol%Y211, 制备出YBCO超导厚膜的临界电流密度达到7.008×10³ A/cm² (77 K), 高于当前报道用电泳法制备的厚膜最高临界电流密度.     

超声法制备金掺杂的纳米YBa2Cu3O7材料研究

将高温固相法制得的YBCO研磨,于无水乙醇中进行超声分散获得纳米YBCO/乙醇溶胶,随后掺入纳米金溶胶,浓缩、干燥得金掺杂的YBCO材料.结果发现,纳米金掺杂的YBCO/乙醇溶胶中粒子形成纳米链;掺杂适量金提高了YBCO的晶化程度;掺金量为0.025wt%～0.500wt%时,金/YBCO材料的超导转变温度丁Tc为93.84～92.01 K,但掺杂1%的金时,样品超导性能消失.若能进一步控制好掺金量,金掺杂YBCO的Tc也会相应得到提高.     

高温超导体不可逆线的本质

基于 Anderson磁通蠕动模型 ,考虑磁通的反跳对磁通蠕动速度的影响 ,得出了超导体中不可逆线的一般表达式。进一步分析了所得结论与其他类似讨论结果的不同之处 ,认为不可逆线的实质是反映磁通钉扎势中外场 H和温度 T之间的关系 ,而与磁通格子的融化可能没有关系。并给出了验证这种解释是否合理的一种实验方案     

FeSe基超导体的拉曼散射研究

拉曼散射是现代凝聚态物理研究的基础实验手段之一,利用其技术上的特色,可以探测凝聚态物质的各类激发及其耦合.FeSe基超导体具有块材、单层、缺位相、插层结构等不同的结构形态、丰富的电子和磁相图、从几K到40 K以上的易调节超导转变温度,因此形成了研究超导性质的一个理想平台,近些年引发了超导领域很多研究者的研究兴趣.本文首先对FeSe基超导体的结构、磁性和电子结构进行介绍,着重阐述了拉曼散射测量在FeSe基超导体研究中取得的研究进展.在声子拉曼响应方面,主要介绍FeSe基超导体的结构与其超导电性之间的关系;在磁的拉曼响应方面,分别对FeSe基材料的双磁子、自旋声子耦合等研究结果进行讨论;在电子拉曼响应方面,主要针对FeSe基超导体中的向列相问题进行了相关分析;最后对单层FeSe超导体和相关的拉曼测量做简要介绍.     

MgB2 中的超导电性

2001年1月发现的MgB 2 超导体,其超导转变温度高达39K,是所有金属间化合物及合金超导体中最高的.它的结构简单,制造成本低,很有可能被发展成实用超导体.综述了有关研究进展,其中包括:电子结构,高T c 机理和超导参数(Debye温度、电子比热系数、临界磁场、相干长度、穿透深度、能隙、临界电流和磁通蠕动速率).进而讨论与输电应用相关的问题.