单畴超导块材Gd-Ba-Cu-O的制备与其超导性能的研究

本课题以熔融织构方法生长高性能的单畴超导块材作为研究对象，选择单相氧化物Gd2Ba4CuMOy(M = Nb, Sn, Hf， Co等）作为第二相，调节合适的尺寸与比例与基体一起生长GdBa2Cu3O7-δ超导块材，尽量保持该第二相能以纳米尺寸左右均匀分散于超导块材中，以形成预期的磁通钉扎。在制备的高质量系列样品的基础上，通过低温磁性测量分析临界电流密度随温度及掺杂量的变化曲线；借助扫描和透射电镜手段分析微观结构，揭示第二相、缺陷等对超导性能影响的原因；同时，通过其捕捉磁场能力的测量，对实验数据进行拟合分析并辅以理论计算，以期找出提高超导块材性能的合理生长方法，对其微观机制给出尽量圆满的解释。这也为澄清与当前超导材料前沿课题紧密相关的一些基本问题的理解提供基础研究资料，对于促进超导块材在电力，发电机等方面的重要工业应用，提供重要的参考。

本项目通过熔融织构方法，选择合适的第二相Gd2Ba4CuFeOy (GdFe2411)，α-Fe2O3，多种纳米氧化物(ZrO2+SnO2+ZnO)， BaTiO3等，并调节合适的尺寸和比例与基体一起成功地生长出高性能的单畴高温超导块材GdBa2Cu3O7-δ（Gd-Ba-Cu-O）。实验结果表明，随着微少含量的第二相掺杂，提高了超导块材的捕捉磁场能力，同时高温超导块材边缘处和籽晶下面的临界电流密度在低场和高场处都有一定的提高。之后，随着第二相含量的提高，超导性能有所降低，同时降低了超导转变温度。通过扫描和透射电镜进行微观结构的分析，我们发现，在掺杂的情况下，近纳米尺寸的Gd2BaCuO5(Gd211)颗粒更多地被挤出到超导块材的边缘处，提高了超导性能。而对于不同的第二相，以几乎不同的化学组成分布于生长出的高温超导块材中，并且以不同的机制改善样品的超导性能。1）GdFe2411作为第二相，具有Gd211相似的结构，在制备后的超导块材中，Fe元素分布于整个超导块材中，并形成带状结构，改善超导性能。2）α-Fe2O3作为第二相，能够存在于制备的超导块材中，改善超导性能。3）多种纳米氧化物(ZrO2+SnO2+ZnO)作为第二相，以非纳米氧化物的形式存在于超导块材中，改善超导性能。4）BaTiO3作为第二相，能够以该形式存在于超导块材中，改善超导性能。该项目的实验结果为澄清与当前超导材料前沿课题紧密相关的一些基本问题的理解提供基础研究资料，同时该项目对超导块材的制备工艺不断进行探索，以降低超导块材的制备成本，寄希望该材料将来在电力、发电机等方面的工业应用。