无氟化学溶液沉积法动态连续制备第二代高温超导带材SmBCO超导层研究

第二代高温超导带材即涂层导体是当前超导研究与开发的重中之重，以其较高的临界电流密度和不可逆场，在电力、交通、军事、医学等领域有巨大的应用前景。目前，制约第二代高温超导带材产业化的主要因素是其高昂的制造成本。其中制备带材超导层较为成熟的真空沉积法需要在真空环境制备，而含氟化学溶液法含有氟污染且需配套排氟设施均增加了带材的制造成本。由于这些主要的制备技术均处于国外的知识产权保护之下，严重限制了我国超导产业的发展。本项目将基于自主开发的无氟高分子辅助化学溶液沉积技术和新型高温热处理技术以及具有自主知识产权的化学溶液沉积法制备百米级带材的大型连续涂覆和连续热处理设备，研究用化学溶液沉积法连续制备SmBCO超导层的关键科学问题。特别是化学溶液沉积法连续制备SmBCO超导层过程中的成相特性、外延生长机理，以及通过无氟化学溶沉积法在SmBCO体系中引入磁通钉扎中心的机制。

本项目采用自主开发的无氟高分子辅助化学溶液沉积法和百米级带材连续制备系统制备了二代带材用SmBCO超导膜，研究了超导膜的连续制备技术、外延生长机制以及在超导膜中引入人工钉扎中心的钉扎机理。通过调控涂层溶液的阳离子浓度和高分子含量获得了最佳的溶液合成技术，制得超导膜具有优异的c轴织构和平整的表面微结构。通过优化外延生长工艺，经历高温短时部分熔融热处理的SmBCO超导膜不仅具有良好的c轴织构、致密的表面形貌，其超导转变温度Tc达到92K，临界电流密度Jc（77K，自场）超过1MA/cm2，这一结果明显优于传统生长工艺制备的薄膜。.外延生长温度较低，超导膜表面的晶粒尺度较小、晶界明显同时存在较多孔洞，说明低于形核温区生长的超导膜并未完全结晶和长大。而在最佳生长温度下，超导膜表面平整致密且晶粒连接性明显增强，表明超导膜在形核温区实现了良好的外延生长。而生长温度较高，超导膜表面出现较多杂乱生长的晶粒，说明高于形核温区的超导膜呈现出多晶形核和生长。通过引入高温部分熔融热处理技术，可在前驱膜中生成少量液相，使得前驱薄膜与基片之间的浸润度提高，促进了薄膜在成相过程中的外延生长。.微量Co3+主要掺杂于SmBCO晶格的Cu-O链，通过引入电子降低空穴载流子的浓度和引起晶格的变形来局部抑制超导电性，从而作为有效的钉扎中心。与纯样品相比，掺杂的薄膜在磁场下具有更高的临界电流密度，显示了较好的磁通钉扎性能。BaZrO3掺杂SmBCO薄膜主要是在薄膜基体中形成纳米量级的二相粒子，可作为有效的钉扎中心。通过调控BaZrO3的掺杂量，获得了c轴织构良好、表面平整致密，且有场临界电流密度明显提高的SmBCO超导膜。.本项目的研究为无氟化学溶液法制备第二代高温超导带材用超导膜提供了理论依据和技术支撑，对制备高性价比的二代带材及其产业化应用具有重要的科学意义。本项目共发表8篇学术论文（5篇SCI，2篇EI，1篇核心），授权发明专利4项，培养硕士生2名，博士生2名，已达到项目的预期结果。.