Bi-2212基高温超导圆线材料的掺杂优化及机理研究

Bi-2212高温超导材料具有优异的低温高场性能，作为目前唯一一种可以制备成各向同性圆线的高温超导材料，在高场磁体和大电流领域具有明确的应用前景。本项目采用在Bi-2212中Ca位掺杂的方法，调节其载流子浓度，并引入点缺陷作为钉扎中心，以获得较高的电、磁输运性能，并探究其磁通钉扎机理；同时将研究掺杂对Bi-2212成相热力学和动力学的影响，避免由于掺杂引入不适宜的第二相粒子。优化的掺杂结果将引入银包套Bi-2212圆线制备的过程中，并与银层对该体系相演变过程影响的研究结果相结合，提高圆线的Bi-2212相含量、织构度和磁场输运性能。

Bi-2212基高温超导材料具有很好的低温高场性能，作为目前唯一一种可以制备成无各向异性圆线的材料，具有很大的潜力应用于卢瑟福电缆和高场磁体的绕制。本课题以Bi-2212高温超导块体和线带材为研究对象，在对其制备工艺分别进行优化的基础上，通过元素掺杂、第二相颗粒掺杂等手段，对Bi-2212体系的晶格结构、相组成、热力学参数、微结构等重点参数进行调控，获得其载流性能的提高，并对其中所涉及的掺杂所引起的涡旋钉扎机制的变化进行系统的阐述。.课题运行过程中，课题组从前驱体粉末制备、块体制备工艺开发及其优化、和线带材制备工艺优化这三个角度分别入手，通过对共沉淀法制备前驱体粉末、放电等离子烧结制备Bi-2212块体和粉末装管法制备线带材的工艺分别进行改进，获得了适当的制备工艺。在此基础上，通过对制备不同元素和第二相颗粒掺杂的Bi-2212块体，对掺杂所引起的材料微结构和性能的变化进行表征和分析，并选择效果较好的掺杂元素在线带材制备过程中进行验证。重点考察了Ca含量变化、Al、Yb和K元素掺杂及Ag纳米颗粒掺杂的Bi-2212块体以及Ca含量变化的带材、ZrO2纳米颗粒掺杂的Bi-2212带材和K掺杂Bi-2212带材等体系中，掺杂对最终载流性能和涡旋钉扎性能的影响。研究结果显示，K掺杂Bi-2212超导块体具有较高的晶间连接性和载流性能，而K掺杂对Bi-2212线、带材同样起到了提高其载流性能的作用，因此是一种较理想的掺杂元素。同时Ag纳米颗粒掺杂可以有效的增强体系的织构度，从而提高体系载流性能。目前，课题组通过制备K掺杂的Bi-2212超导圆线，其4.2 K零场条件下的Ic为595 A，对应Jc为3966 Amm-2，与未掺杂样品相比提高了10%。在20 T磁场条件下其Ic为210 A，对应Jc为1400 Amm-2，发表文章12篇，申请专利10项，基本达到了考核指标。