MOD法快速制备YBCO厚膜与应力演化机制研究

The fabrication of yttrium barium copper oxide (YBCO) films via metal organic deposition (MOD) method is a widely attended technology in the research of the second generation high temperature superconducting wires (also known as coated conductors). There are still a series of scientific problems regarding the stress evolution in the heat treatment process without clear conclusions, which are important for the studies on shortening the fabrication duration and enhancing the performance of thick films. Therefore, these scientific problems will be investigated in this project, mainly including three aspects: the changing of stress type in the films and the mechanism of compressive stress occurrence, the mechanisms of stress alleviation using low-fluorine method and polymer additives, the modeling improvement of buckling formation caused by compressive stress. In this project, the methods of low-fluorine and polymer additives will be combined. By adjusting the fabrication parameters such as F/Ba ratio of precursor solution, the additive agent, heating rate and film thickness, the following results could be systematically measured: the type and value of stress, the variety of gaseous products, the diffusion and gathering of gaseous products, the parameters of buckling morphology, the microstructure inside the films, the superconducting performances, etc. Such studies could help to obtain penetrating understandings of the scientific problems mentioned above. Based on the understandings, the rapid heat treatment of YBCO thick films could be optimized. Then the previously developed water-free method for the rapid preparation of precursor solution could be combined. Thus a complete route of rapid fabrication for high-performance thick films could be realized. This project will be beneficial for the industrialization of the low-cost production of the second generation high temperature superconducting wires.

金属有机物沉积（MOD）方法制备钇钡铜氧（YBCO）膜的技术在第二代高温超导导线（涂层导体）研究中广受重视。目前，与热处理过程中应力演化相关的一系列科学问题结论尚不明确，而它们对指导缩短制备时间与提高厚膜性能的工作具有重要意义，因此本项目将对其开展研究，主要包括三个方面：膜内应力类型的改变与压应力的来源机制、低氟法和聚合物添加剂缓解应力的微观机制、压应力导致褶皱形成的模型完善。本项目计划结合低氟法与聚合物添加剂两条思路，通过调节前驱溶液氟钡比、添加剂种类、升温速率、膜厚等制备参数，系统测量应力类型和大小、生成气体种类、气体扩散与聚集、褶皱形貌参数、膜内微观结构、超导性能等，从而获得对上述科学问题的深入理解。基于这些理解，可以优化YBCO厚膜的快速热处理，进而与前期工作中实现的前驱溶液非水基快速配制技术结合，建立一整套高性能厚膜的快速制备途径，推进第二代高温超导导线低成本制备的产业化进程。

金属有机物沉积（MOD）方法制备钇钡铜氧（YBCO）膜的技术在第二代高温超导导线（涂层导体）研究中广受重视。本项目基于前期研究中在前驱溶液配制技术、聚合物添加剂改性技术和薄膜表面形貌分析等工作基础，研究了钇钡铜氧超导薄膜制备的相关机理。项目执行过程中的主要研究内容包括以下几个方面：（1）使用低氟前驱溶液在氧化铈过渡层表面制备了钇钡铜氧超导膜，系统研究了过渡层表面形貌对超导膜临界电流性能的影响；（2）提出了使用磁控溅射设备在无取向的基底上制备双轴织构氧化镁过渡层的高能粒子自辅助沉积方法；（3）使用原位电阻测量方法研究了化学溶液沉积法热处理过程中钇钡铜氧超导膜生长过程的热力学机制以及形核过程的动力学机制；（4）研究了乙酸铅添加剂对钇钡铜氧高温超导厚膜晶粒取向的优化作用，并结合原位电阻法研究了铅元素对钇钡铜氧生长和形核的影响；（5）使用了磁控溅射沉积等方法制备异质层，制备了异质多层结构超导厚膜；（6）对快速热分解过程中出现的褶皱形貌进行了系统分析，研究了褶皱平均波长、波幅、应变与膜厚的函数关系；（7）提出了使用脱层样品作为超导连接体实现稀土钡铜氧高温超导导线之间超导连接的方法及结构。课题组通过项目计划的执行取得了一系列成果：在学术成果方面，共计发表SCI收录论文5篇，另有1篇论文已接收（SCI源刊），共申请国家发明专利7项（其中已授权3项），超额完成了原定计划。在技术指标方面，研究所使用的无水法技术可以在3小时以内完成高质量低氟前驱溶液的配制，所使用的PEG添加剂改性方法对应的热处理时间为约130分钟，其中热分解阶段时间约15分钟，通过高性能多层结构超导厚膜制备技术研究，获得了超导膜的厚度大于1.1微米，临界电流密度Jc达到1.2 MA/cm2（77 K，自场），此外还利用乙酸铅添加剂改性方法获得了厚度0.6微米，临界电流密度Jc达到2.8 MA/cm2（77 K，自场）的YBCO超导厚膜样品。上述技术指标达到或接近了原定计划。