基于顶部籽晶法的 YBCO 块体超导体生长工艺研究
摘要
本文提出了一种新型顶部籽晶法，该方法将 NdBCO/YBCO/MgO 薄膜籽晶置于前驱块的顶部凹坑中，并结合 011 型渗透生长技术制备单晶钇钡铜氧（YBCO）块体超导体。在前驱块中引入 Y₂O₃氧化钇和 CeO₂氧化铈纳米粉体，以改善最终制得块体材料的微观结构。
实验结果表明，该新型籽晶法可同时实现籽晶的固定，并保证晶粒从籽晶底部的钕钡铜氧层开始生长。多次重复实验验证了该方法的可靠性。
扫描电子显微镜表征结果显示，样品微观结构中存在局部高浓度分布、尺寸约 100 纳米的更细化纳米沉淀相。该样品的最大悬浮力达 63.63 牛，计算得力密度为 26.45 牛/平方厘米，展现出满足实际应用需求的优异悬浮性能。该研究为高质量钇钡铜氧块体材料提供了可靠的制备工艺，对稀土钡铜氧块体材料的批量制备及大规模应用具有重要意义。
背景与应用
具有大单晶结构且无弱连接的稀土钡铜氧（REBCO，其中 RE 为钕、钐、钆、钇等稀土元素）块体超导体，在液氮温区可承载较高的临界电流密度（Jc），并展现出优异的悬浮力和俘获场性能。这使其能广泛应用于磁悬浮交通系统、电机与飞轮用磁轴承、储能系统以及低温磁体等领域。
工艺对比
| 对比维度 | 熔融生长法 (MG) | 渗透生长法 (IG) | 011 型渗透生长技术 (011-IG) |
|---|---|---|---|
| 核心原理 | 高温熔融后缓慢冷却，通过包晶反应生长晶体 | 液相源熔渗进入固相源，通过原位反应生长晶体 | 以 BaCuO₂为核心前驱体，通过液相熔渗与原位反应生长晶体 |
| 前驱体要求 | 需要预合成复杂组分的前驱体（如 Nd₁.₆Ba₂.₃Cu₃.₃Oₓ） | 需要 RE-211 相粉体 + BaCuO₂等多种前驱体 | 仅需 BaCuO₂（011 相）一种核心前驱体，搭配稀土氧化物 |
| 固相源组成 | 单一前驱体丸 | 预合成的 RE-211 相粉体 | RE₂O₃ + BaCuO₂混合物（如 Nd₂O₃ + BaCuO₂） |
| 工艺步骤 | 步骤繁琐，需多次高温烧结 | 步骤较多，需预合成 RE-211 相 | 大幅简化，无需预合成 RE-211 相，一步化工艺 |
| 微观结构 | 孔隙率较高，致密度相对较低 | 结构致密，孔隙率显著降低 | 结构致密，可原位生成纳米级第二相粒子 |
| 籽晶性能 | 可通过 MgO 掺杂提升分解温度，但孔隙率影响生长成功率 | 分解温度提升，结构致密，显著提升 REBCO 大晶粒生长成功率 | 分解温度高，结构致密，工艺重复性好，适合批量生产 |
| 代表成果 | Cardwell 组：Mg-NdBCO 通用籽晶 | 本团队：1 wt% MgO 掺杂 NdBCO 籽晶；Namburi 等：致密 Mg-NdBCO 籽晶 | Feng 等：仅用 BaCuO₂前驱粉制备 NdBCO 籽晶 |
