ReBCO涂层导体超导接头的（部分）熔融生长与结构设计研究

The application of ReBCO coated conductors in larger-scale power systems and higher-performance superconducting magnets puts forward requirements for the non-resistive superconducting joints. However, the development of superconducting joints of coated conductors is still in early stages. There is a remarkable gap between the practical use and their superconducting performance as well as the production efficiency. Based on the utilization of the Ag doped YBCO thin film as the connecting layer to splice coated conductors, the following two aspects of research are planned in this project : .(1).Systematic study of the melting behavior and the recrystallizing nucleation/growth mechanism under different conditions of stoichiometric ratio, applied mechanical pressure, temperature and oxygen partial pressure during heat treatment, in order to enhance the quality of the connection and therefore the superconducting performance of ReBCO crystals in the joint region..(2).Optimal design of the connecting layer by combining the study of oxygen diffusion kinetics and the simulation of finite element software, and the introduction of the fast diffusion grid of oxygen by micro-machining the connecting layer, in order to substantially decrease the heat treatment time of the joints..This project proposes not only to develop a technique for the fast production of the superconducting joints for coated conductors and advance the progress of their applications, but also to be with significant value in deepening the understanding of the mechanisms of materials growth and oxygen diffusion in ReBCO.

ReBCO涂层导体在更大规模电力系统和更高性能超导磁体中的应用，对无阻的超导接头技术提出了迫切需求。然而这一研究领域尚处于起步阶段，接头的超导性能和制造效率与实际应用需求存在显著差距。本项目中，在采用银掺杂的YBCO薄膜作为中间介质（连接层）对涂层导体实施超导连接的基础上，拟通过系统研究连接层在不同化学计量比、机械压强和热处理温度、氧分压条件下的熔融行为以及二次结晶过程中的形核、生长机制，提高接头区域的ReBCO晶体结构连接质量和超导载流能力。本项目还拟结合连接层氧扩散动力学的研究与有限元软件的仿真，对连接层结构进行优化设计。然后采用微加工的手段实现结构设计，在接头区域引入有效的氧快速扩散网络，以大幅缩短接头完成热处理所需的时间。本项目的研究，不仅将发展一种大载流超导接头的快速制造技术，推进涂层导体更全面、深入的应用，而且对于深化ReBCO材料生长和氧扩散机制的认知具有重要的学术价值。

ReBCO涂层导体，又称为第二代高温超导带材，其接头作为制造闭环超导线圈必不可少的关键技术，具有重大的实用意义，在磁悬浮列车、核磁共振成像（MRI）、核磁共振谱仪等领域具有潜在应用价值。本项目围绕ReBCO涂层导体的超导接头技术，核心研究思想是利用不同状态、热处理阶段的无氟MOD-ReBCO前驱薄膜作为中间连接层，涂覆在待连接第二代高温超导带材的超导层表面上，然后进行热处理得到前驱薄膜，利用合适状态（无碳残留，晶粒尺寸、取向合适）的前驱薄膜烧结成为ReBCO相过程中的部分熔融反应，实现两个超导层的超导相连接，主要开展了如下具体研究工作：1. 控制F/Ba的低氟MOD-YBCO溶液在LAO单晶上涂覆烧结YBCO薄膜过程中的相演化研究；2. 无氟MOD-YBCO膜在PLD-CeO2/IBAD-MgO/Y2O3/Al2O3/Hastelloy C276人工双轴织构基底上的沉积过程和相演化；3. 无氟MOD-YBCO膜在PLD-CeO2/IBAD-MgO/Y2O3 /Al2O3/Hastelloy C276人工双轴织构基底上的烧结工艺相图研究；4. 第二代高温超导带材Cu、Ag保护层的可靠移除，使得待连接ReBCO超导层可以裸露出来，供MOD中间连接层的涂覆，同时不损失超导性能；5. 无氟MOD-ReBCO在PLD-ReBCO超导层上的沉积过程研究；6. 无氟MOD-ReBCO作为中间连接层制备第二代高温超导带材接头的工艺研究；7. 接头结构的设计与微加工；8. 第二代高温超导带材银扩散接头的轴向电机械性能研究。本项目在研究过程中，建立了不同化学计量比的无氟MOD-YBCO的生长相演化模型和温度、氧分压、烧结时间相图，并通过YBCO、GdBCO、SmBCO和NdBCO中间连接层均实现了接头区域的有效ReBCO晶体结构连接；建立了接头区域的氧扩散动力学有限元仿真模型，并根据该模型设计了接头区域的优化氧快速扩散通道结构；发展了一种FF-MOD-ReBCO连接层的微加工工艺，可以在基本不损坏待连接超导层的性能与表面质量的前提下，加工得到设计的氧快速扩散网络。此外，本项目在执行过程之中本项目共已发表SCI收录的论文11篇，申请国家发明专利2项，获实用新型专利授权1项。