高溫超導材料制備工藝(processesforHTSmaterials)

已制備出的高溫氧化物超導體主要有單晶、多晶塊材、金屬復合材料和薄膜等。它們的制備方法各不相同。

單晶制備通常是借助助熔劑熔化，再通過慢降溫結晶生長。例如，YBa₂Cu₃O_y，單晶制備工藝的主要過程是：以YBa₂Cu₃O_y、BaCuO₂及CuO為原料，按一定成分進行配比混合，放入坩堝中，在氧氣氛中加熱到970～1020℃，然后以每小時下降5～20℃的速度降溫至400℃，再隨爐冷卻。這里的BaCuO₂及CuO是助熔劑，起降低熔化溫度和增加液體流動性的作用。YBa₂Cu₃O_y晶體在慢降溫中生長。

多晶塊材制備主要有兩類方法。

(1)燒結法(固相擴散反應)：把設計好的按名義配比的金屬氧化物粉末充分混合均勻，壓制成一定的形狀，置于空氣或流通氧氣氛中加熱至一定的溫度并保溫一段時間，然后冷卻到室溫。通常樣品的燒結溫度不高于氧化物配料中熔點最低者。一般來說，氧化物的純度、顆粒大小、混合的均勻程度、樣品成型條件、爐內氣氛、升降溫速度及保溫時間等，都對樣品的質量有影響。即使選用高純度的氧化物嚴格配料，用燒結法制備的樣品往往都含有不同程度的非超導相。這些非超導相通常是分布在晶界上，阻礙超導電流的通過，造成“弱連接”。這是該方法的不足之處。用燒結法制備的樣品，J_s值一般只能達到10³A／cm²(77K，0T)，并且隨外加磁場的增大呈指數衰減。

(2)熔化法：能夠使晶體取向排列，改善晶界，抑制“弱連接”，所制備的樣品J_c可以達到10⁵A／cm²(77K，0T)。熔化法主要用于制備高J_s釔系塊材，典型的工藝方法有熔融織構(MTG)法(美國)、液相處理(LPP)法(美國)、淬火熔化生長(QMG)法(日本)和粉末熔化處理(PMP)法(中國)4種。其中PMP工藝在克服“弱連接”的同時，能夠引入有效的磁通釘扎中心，使載流能力大幅度提高。另外，用熔融的方法制備Bi系2212材料也取得了成功。

金屬復合材料制備為使超導體在強電領域應用，在需要高載流能力的同時，還要求超導材料具有一定的強度和穩定性。對氧化物超導體而言，制備金屬復合材料非常必要。最常用的方法是粉末套管法，即把氧化物粉末裝入金屬管中，通過擠壓、軋制、拉拔、靜壓等加工及相應的熱處理(溫度與固態燒結法相近)，就可以制成金屬復合線(或帶)材。這種工藝通常采用銀(Ag)作為金屬基材。所制備的Y系／Ag超導體，J_s達到6×10³A／cm²(77K，0T)。但同燒結樣品一樣，晶界處仍存在“弱連接”。此外，它的彎曲性能也比較差。利用套管法制備的Bi系和Tl系Ag復合超導體，其中Bi系材料J_c已接近10⁵A／cm。(77K，0T)，并且在1T磁場中也達到10⁴A／cm²的水平。