YBCO高温超导材料的制备与检测

向松柏

摘 要：根据我国电力、通讯、国防等行业发展的需求，考虑到国际技术发展的成熟程度和我国工作基础，转变机制，整合资源，充分调动各方面的积极性，特别是相关应用行业、地方政府和企业界的积极性，集中优势力量，以市场需求为导向，以高温超导电缆、高温超导限流器、移动通信用高温超导滤波器子系统三个具有重大应用前景和带示范性的应用产品为突破口。

关键词：高温超导材料；制备；检测

一、前言

根据国际超导科技界和相关产业部门的预测：2020年，全球超导产业将达到2400亿美元以上。21世纪的超导技术会如同20世纪的半导体技术一样具有重要意义。一方面，高温超导线材通电能力超出相同截面积铜导线100倍以上，因而在能源领域应用潜力巨大，并有可能引发电力系统的革命。美国能源部认为高温超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高科技技术储备，是检验美国将科学发现转化为应用技术能力的重大实践。日本认为超导电力技术是在21世纪全球竞争中保持尖端优势的关键所在。另一方面，超导元器件的高灵敏特性使得其在移动通信、航空航天、资源勘探、医疗诊断以及军事国防等领域有着广阔的应用前景。随着国际竞争的激烈，环保这一概念将会越来越成为发达国家制定游戏规则的一个重要依据。发展能耗低、环境友好的超导技术具有重要的战略意义。

二、高温超导材料的制备方法

氧化物超导材料作为一种陶瓷体，用于制备陶瓷的各种方法亦适用于制备氧化物超导材料。制备方法'有固相法、液相法和气相法三种。

（1）固相法。固相法以氧化物、碳酸盐粉末为原料，经称量、混合、锻烧、粉碎、混合、加压成型、烧结、冷却等几道工序制备氧化物超导材料。也有人用晶体生长的方法制备出氧化物超导单晶。

（2）液相法。液相法即将所用原料混合为均匀的溶液，通过共沉淀、溶胶一凝胶、蒸发溶剂热解、吸附等方法制得粉料或吸附体，再通过固相反应制备超导材料。

（3）气相法。气相法用于制备超导薄膜，有物理气相淀积和化学气相淀积两种。①物理气相淀积法。采用蒸发、溅射、分子束外延等各种物理气相淀积技术成功地获得了零电阻80-90K的Y-Ba-Cu-O超导薄膜和零电阻超过的Bi-Sr-Ca-Cu-O和T1-Ba-Cu-O超导薄膜。②化学气相淀积法。此法安全可靠、能大量制备、重现性好且操作简单，最有希望实现低温淀积。气相反应原料有卤化物、金属有机化合物。

三、YBCO高温超导材料的制备

本文采用固相烧结法制备高温超导块材：YBa2Cu3O7-8。化学试剂的配比和研磨是制备高温超导材料的第一步，如粉体的纯度、摩尔配比的准确度、混合的均匀度、团聚状态等对下一步成型、烧结及最后成型材料的性能都有极大的影响。下面我们就介绍一下细粉配比及混合的过程：（1）严格按照Y：Ba：Cu摩尔比1：2：3的比例，利用电子天平精确称量三种粉末各为11.291g、39.466g和23.865g。（2）Y2O3将与CuO粉末放置在玛瑙研钵中进行充分的混合研磨20分钟，再加上Ba2Cu3，在玛瑙钵中充分混合手工研磨1-2h，使粉末成灰色，用玛瑙棒研磨直到不再出现黑色或白色的粉末痕迹。（3）然后保存在干燥器皿里邊，防止受潮。为保证三种成分的理论比例，烧结前再研磨30MIN，使三种试剂充分接触。

烧结温度对是否出现超导相至关重要。采用较高的烧结温度虽对烧结过程有较好的强化作用，但因材料中的低熔点物质熔化，而导致材料成分发生偏析，对超导相形成不利。重复烧结对材料中相的影响不大，但对材料的除碳十分有利。二次烧结的目的就是为了使各反应物之间更好的接触，充分发生化学反应，提高密实度，并且使粒子间互相扩散以及原子重排。第一步将前面混合研磨好的混合粉末装入陶瓷增锅，放入高温箱型电阻炉中心部分，中间部分的温度是最接近温度计的温度所以便于操控温度，并且温度的均匀性较好，进行第一次烧结，烧结的目的是为了使碳酸盐分解完全，提高样品的纯度、密度。第二步待样品温度降至室温后将其从干燥皿中取出，放入玛瑙研钵中手工研磨2h左右，使之成黑色粉末状。第三步为了使成分更充分结合、碳酸盐分解的更彻底。所以将第一次烧结材料研磨后的粉末放入模具中用6吨的压力制成圆柱（直径1.0cm，高2cm）。将研磨得到的粉料放入模具中加少许甘油进行压制成型。在成型过程中，要严格控制成型压力。第五步把制成圆柱装入陶瓷柑锅放入高温电阻炉中进行第二次烧结。烧结过程和第一次烧结相似。

四、高温超导材料的检测

（1）样品的研磨及制片。首先要对样品进行大约30分钟左右的研磨，制成黑色粉末，粉末颗粒半径尽量的小，然后用干净的载物勺承载大约能覆盖全部压片框的药品，并用干净的白纸覆盖在药品上，用大拇指用力下压，使药品均匀的分布在玻璃片的框内，使压玻片下表面尽量平滑这样对检测更加有利。

（2）开机和检测过程。①开机前准备，打开冷却循环水电源A设备开机前必须接通冷却水并检查冷却水流量（≥3.5升/分钟），设备背面板上有压力表，用于显示和检查冷却水入口和出口压力。B当水流量检测装置或温控装置不能接通时，嗡鸣器响，高压不能开启（“X射线开”按键失效）。C可能出现的问题现象冷却水流量小，上水水路有堵塞（如X光管水路被堵）。②打开计算机电源③合上仪器主机总电源。分别打开前级机电源、温控器与照明灯电源、测量系统电源。（分别位于机柜左下方插座面板上）④打开测量系统电源开关⑤接通射线发生器电源⑥开启射线管高压。注意开启高压后，光管将产生射线，请注意射线防护。⑦放置样品。根据样品制作规范，制好样品，将其插入样品台。

（3）衍射图谱的分析。第一次930度烧结的X射线衍射谱，虽然此时的超导峰为最高峰，但其他杂质的峰值依然很高，所以此时的材料没有超导特性。分子间没有形成真正的钙钦矿结构，而是简单的去氧结合。

参考文献

[1]王醒东.YBCO高温超导薄膜的制备方法及应用[J].新材料产业.013（10）：59-62

（作者单位：湖北工程学院）