TSIG法对多畴GdBCO高温超导块材二次单畴化生长及机制研究

High quality single-domain REBCO bulk superconductor is with the potential of wide applications, but there are more multi-domain samples which lead to the low yield, a significant rise in cost and restricting its practical application in process of fabrication. In this project, we propose to conduct a study on the growth method and mechanism of recycling multi-domain GdBCO bulk superconductor with the solid phase (pre-treatment failed GdBCO bulk) and liquid phase (Gd2O3+xBaCuO2+yCuO) by employing the improved top–seeded infiltration and growth (TSIG) technique. The phase composition, melting law and the mechanism of the microstructure of multi-domain GdBCO bulk as the solid phase source, will be investigated for analyzing the formation mechanism and reason of the multi-domain GdBCO samples. The interactions of the melting liquid phase with the solid phase and the microstructure of the GdBCO bulk superconductors will be indentified for elucidating the growth mechanism of the recycling multi-domain GdBCO bulk superconductors as solid phase source. The influence of the different proportion of liquid phase source (Gd2O3+xBaCuO2+yCuO) on the recycling multi-domain bulk and the distribution of the Gd211 particles in the GdBCO matrix will be investigated, and the pinning mechanism of the Gd211 particles in the recycling GdBCO samples will be elucidated for further understanding of the flux pinning mechanism in high temperature superconductors. Finally, a new efficiency method of high quality recycling multi-domain REBCO bulk superconductors will be established, which provide the scientific basis and new ideas and developing the low cost and high efficient yield of fabrication on the REBCO bulk superconductors.

高质量单畴REBCO超导块材具有广泛的应用前景，但制备过程中易产生大量多畴样品，致使其成功率明显下降、成本显著升高，并制约其实用化进程。本项目拟采用顶部籽晶熔渗生长（TSIG）法，探索多畴样品二次单畴化生长的方法和机理。研究以多畴GdBCO样品为固相源的物相组分、熔化规律及显微组织变化机制，分析多畴GdBCO样品形成机理和原因。研究以多畴GdBCO样品为固相源时，液相熔化渗入固相的作用规律及重新单畴化样品的显微结构，阐明多畴GdBCO样品二次单畴化的生长机制。研究不同配比液相源（Gd2O3+xBaCuO2+yCuO）对GdBCO块材二次单畴化生长的影响和样品中Gd211粒子分布规律，阐明液相源配比对多畴GdBCO样品重新单畴化和Gd211粒子磁通钉扎中心的影响机制。建立一种高质量二次单畴化生长REBCO超导块材的新方法，为发展低成本、高效率制备REBCO超导体的新方法提供科学依据和新思路。

高温超导体自1987年被国内外科学家们发现以来，一直是人们研究的热点和重点内容之一。单畴REBCO（其中RE是稀土元素，即Y、Gd、Sm、Nd等）高温超导块材，由于其具有高的临界转变温度（Tc>90K）、强的捕获磁通密度（YBCO：Btr=17.24T，29K；GdBCO：Btr=17.6T，26K）、大的磁悬浮力（FL>10N/cm2，77K）以及良好的自稳定磁悬浮特性等优良特点，使得其在微型磁体、超导电机、超导磁悬浮列车以及超导体磁分离系统等高新技术领域有着广泛的应用前景和巨大的应用潜力。然而在单畴REBCO超导块材的制备过程中极易产生大量的低质量、多畴REBCO样品，而且存在着制备周期冗长、制备成本高昂、制备效率低、污染严重等众多问题。因此，寻找一种低成本、高效率制备高质量单畴REBCO高温超导块材的新方法仍然是目前研究的热点内容。本项目中，我们采用改进后的TSIG法，以（Gd2O3+10BaCuO2+6CuO）为液相源，对生长失败的多畴GdBCO样品进行二次单畴化织构生长制备，系统研究在样品升温、液相源渗入、高温保温以及单畴GdBCO生长的各个阶段，液相渗入过程中显微组织结构在二次单畴化的GdBCO超导块材生长过程中的深化机制，并成功地对生长失败的多畴样品进行了二次再生长，制备出了性能较好的二次单畴化GdBCO超导样品，样品的磁悬浮力达43.37N，磁悬浮力密度为13.81N/cm2，永磁体充磁条件下捕获磁通达0.39T，捕获磁通效率超过60%。另一方面，我们对不同配比（Gd2O3+xBaCuO2+yCuO）液相源确定了最佳组分，即当Gd2O3:BaCuO2:CuO=1:12:8时，可制备出高性能、大尺寸二次单畴化GdBCO样品。制备的直径为30mm的二次单畴化GdBCO样品磁悬浮力高达184.1 N，磁悬浮力密度为26.06 N/cm2，其捕获磁通密度为0.82 T，已证实对生长失败的多畴GdBCO样品可以进行二次单畴化重新再织构生长的方法是可行的，为发展制备低成本、高质量超导块材提供了新思路。因此，我们建立的这种既能降低制备成本、提高工作效率，又能将多畴GdBCO块材进行回收利用的新方法，对提高单畴GdBCO超导块材的制备效率、推动超导体的批量化生产以及提高其实用价值方面有着重要意义。