YBCO单畴超导块材的烧结温度控制

高平

【摘 要】本文利用顶部籽晶熔融法(TSMG)成功制备了YBCO单畴超导块材,通过对不同熔融温度.不同生长温区晶体形貌的分析,探索获得了YBCO晶体生长的关键温度参数.结果表明:YBCO晶体生长的最佳熔融温度为1 035 ℃,生长温区为1 018℃～978℃,该结果为本实验的进一步开展奠定了重要的基础. 【期刊名称】《山西师范大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2017(031)004 【总页数】4页(P38-41)

【关键词】YBCO超导块材;单畴;温度参数 【作 者】高平

【作者单位】吕梁学院物理系,山西吕梁033000 【正文语种】中 文 【中图分类】O511+.3

目前，高温超导材料已在我国的运输、国防、科技等多个领域得到广泛应用.YBCO高温超导块材因其制备工艺的不断完善和优良的性能备受科学家的关注.顶部籽晶熔融法[1]是制备YBCO高温超导块材的传统工艺，该工艺制备流程快捷简便，制备的块材性能优良[2].

就此项研究来讲，能否制备得到生长完好且性能优良的YBCO单畴块材是进行一

切研究的基础.YBCO块材的成功制备需要经历粉料的准备及块材的烧结等环节.其中，块材烧结是极为关键的一步，它涉及温度的控制.而在此类实验中，往往存在特定的实验仪器对应特定的温度参数的现象，这是由于对应不同的实验仪器及实验环境，炉温都有一定的浮动，而细微的温度差别都可能对实验结果造成不同程度的影响.因此，在初次利用高温炉烧结超导块材时，需首先对高温炉的温度进行调试探索.本实验利用实验室高温炉进行YBCO单畴超导块材的烧结，并对烧结样品的生长形貌进行研究分析，得到制备YBCO单畴块材的最佳炉温烧结程序. 1 粉体的制备

1.1 YBa2Cu3O7-δ，Y2BaCuO5初始粉体的制备

根据现有的实验条件及需求，本实验计划一次性烧制YBa2Cu3O7-δ(Y123)粉体240 g，Y2BaCuO5(Y211)粉体100 g.将分析纯的Y2O3，Ba2CO3，CuO三种粉末分别按Y∶Ba∶Cu=1∶2∶3及Y∶Ba∶Cu=2∶1∶1的摩尔比例配比，其反应如下：

Y2O3+2Ba2CO3+6CuO2YBa2Cu3O7-δ+2CO2 2Y2O3+Ba2CO3+2CuO2Y2BaCuO5+CO2

根据关系式，计算出制备Y123、Y211粉体所需三种粉末的质量，依次在电子天平上称量并于球磨机上以转速175 r/min球磨3 h使其充分混合，接着将混合粉放入马氏炉中分两次进行预焙烧，其程序如图1所示.

图1 Y123、Y211 初始粉体的烧结程序Fig.1 The sintering process of Y123、Y211 initial powder

1.2 Yb1.8Ba2.4Cu3.4Ox粉体的制备

为防止Y123相结晶过程中出现严重的液相流失，样品底部通常选用

Yb1.8Ba2.4Cu3.4Ox (Yb1.8)作垫片.本实验中计划烧制Yb1.8粉体60 g.Yb1.8的制备用到原料Yb2O3、CuO、BaCO3，其反应式如下： 9Y2O3+12Ba2CO3+34CuO10Yb1.8Ba2.4Cu3.4Ox+ 12CO2

按照上式配比称量粉末，并置于玛瑙罐中球磨3 h达到均匀混合，再进行烧结，研磨球磨，得到纯净的Yb1.8粉体. 1.3 预烧结粉体的制备

将已制备的Y123、Y211粉体按照Y123∶Y211=1∶0.4的摩尔比配比称量.令混合粉为300 g，计算得到所需Y123、Y211粉分别为236 g，64 g，利用球磨机使两粉体均匀混合，得到预烧结粉体. 2 压块

用压片机对预烧结粉体进行压片，每块样品用混合粉料约15 g.将混合粉倒入模具内，用模具压实粉体，置于压片机上并在5 MPa的压强下压制成直径为20 mm的块材样品；再用3 g Yb1.8粉体在3 MPa下压制相同大小的垫片.压片前后期，应保证模具的干净整洁，避免杂质污染样品，同时也保护模具不被损毁，延长其使用寿命.

将压好的块状胚体与垫片从上到下依次叠放，胚体顶部放置NdBa2Cu3O7-x籽晶，挑选光滑的ab面与胚体表面接触以引导Y123结晶生长，具体方法与文献[3]一致.底部用4个MgO单晶支撑并置于Al2O3

基片上，再整体放入高温炉进行烧结，完成样品的织构生长. 3 烧结

顶部籽晶熔融生长工艺如图2所示，单畴块材的生长经历快速升温、保温、快降温、慢降温四个阶段，涉及三个关键温度，最高熔融温度Tmax，慢降温起点Ts，慢降温截点Te，这三个温度参数的合理确定对块材烧结起着至关重要的作用. 3.1 熔融温度的控制

YBCO单畴块材的熔融温度通常介于1 020 ℃和1 050 ℃之间，为了获得块材的最佳熔融温度，本实验采取控制变量法，即在保持其他条件不变的基础上只调整待求熔融温度.将预烧结块送入炉中央，按照如图2的升温程序进行焙烧，基于先前烧结经验，慢降温起止点暂定为1 020 ℃～980 ℃[3]，熔融温度Tmax分别选1 025 ℃、1 030 ℃、1 035 ℃、1 040 ℃四个值进行测试.

图2 TSMG法制备课YBCO 超导块材的工艺程序图Fig.2 The process chart of TSMG YBCO superconductor

如图3所示为不同熔融温度下样品的宏观形貌.由图可见，不同的熔融温度所生长样品的表面形貌不同.图(a)所示Tmax=1 025 ℃的样品只围绕中心籽晶生成了四个面积较小的扇区，表面其余部分随机成核严重，这是由于过低的Tmax无法使得预熔块彻底熔化，加之炉内沿径向的温度梯度，样品边缘长期处于较低温而加剧了随机成核；(b)图所示样品的Tmax=1 030 ℃，样品表面约一半区域被十字花纹覆盖，十字花纹的出现预示单畴样品的基本生成[4,5]，但剩余部分仍有随机成核出现；(c)所示样品的熔融温度为1 035 ℃，样品在中心籽晶的诱导下生长出完整的十字花纹图案，且表面晶莹有光泽，只在边缘很小区域没有完全生长好，推测可能与Y123生长温区的设置有关；如图(d)、(e)所示为Tmax=1 040 ℃样品的俯视和侧视图，观察发现该烧结块各表面均不平整，出现了不规则的变形，这是由于过高的熔融温度使样品在结晶过程中液相流失严重，导致样品整体塌陷，Y123相合成受阻.因此，综合上述实验结果可知，本实验中生长YBCO单畴超导块体的最佳熔融温度为1 035 ℃.

图3 YBCO 样品在不同最高熔融温度时的形貌Fig.3 Morphology of YBCO

samples with different maximum melting temperature 3.2 生长区间的温度控制

在顶部籽晶熔融工艺中，晶体生长经历了快速降温和缓慢降温两个阶段.首先，当炉温上升至样品的熔融温度1 035 ℃时，预熔块分解为Y211和钡铜氧液相，而后炉温以 60 ℃/h 的速率急速冷却到包晶反应温度1 020 ℃附近，并以此温度为慢降温起点Ts，再以0.3 ℃/h的速率降至终点Te，使Y211固相和钡铜氧液相结晶生长形成Y123相[6].可见，慢降温区间即为晶体的生长区间，该区间起止点的合理设置与晶体生长的优良息息相关，因此也需要进行调试.

实验依然采用上述制备的预烧结块，熔融温度为1 040 ℃，生长温区的起止点Ts～Te分别设为1 010 ℃～980 ℃、1 014 ℃～980 ℃、1 018 ℃～978 ℃、1 022 ℃～978 ℃四个测试区间.图4所示为四组不同测试温区所生长的样品形貌图.其中，(a)图为1 010 ℃～980 ℃温区下生长的样品，样品表面灰暗无光，只在籽晶附近的小区域内略有生长，其余部分随机成核严重，造成该结果可能有两方面因素：其一，慢降温起点Ts较低使得过冷度增大，造成晶体生长速率降低[7]，样品内部及表面自发成核严重，其二，慢降温终止点Te设置过高，Y123相没来得及生长完全即遭到快速降温，也会出现不规则的随机成核；(b)图所示为1 014 ℃～980 ℃的样品，发现较(a)图样品生长情况有所改善，单畴区变大且略带金属光泽，其余少部分有随机成核.结合以上两图的生长形貌，推测慢降温的起始点过低是出现随机成核的主要原因，同时也不排除终止点过高这个因素；图(c)所示是生长温区为1 018 ℃～978 ℃的样品，样品的十字线图案清晰，扇区明显且有金属光泽，表现出良好的生长态势；如图(d)所示，当温区为1 022 ℃～978 ℃时，样品的扇区出现了不规则分叉现象，底部坍塌变形，这是由慢降温起点过高，液相流失严重所引起.因此综合来看，进行YBCO块材生长的最佳生长温度区间为1 018 ℃～978 ℃.

图4 YBCO样品在不同生长温区下的表面形貌Fig.4 The surface morphology of YBCO samples with different growth temperature 4 结论

本文利用顶部籽晶熔融法制备了YBCO单畴超导块材，在现有实验条件下成功探索出工艺程序中两个关键温度参数.实验结果表明：YBCO单畴块材烧结的最佳熔融温度为1 035 ℃，生长温区为1 018 ℃～978 ℃.这对本实验的进一步研究具有重要的意义.

【相关文献】

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