高性能rebco多層膜、應(yīng)用及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種高性能REBCO多層膜、應(yīng)用及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為第二代高溫超導(dǎo)帶材，REBCO涂層導(dǎo)體具有高臨界電流密度(Jc)JMg(Jc-B)特性和低價(jià)的特點(diǎn)，將來(lái)很有可能取代鉍系高溫超導(dǎo)帶材，應(yīng)用在超導(dǎo)強(qiáng)電技術(shù)領(lǐng)域，如電機(jī)、馬達(dá)、變壓器、限流器、磁體、超導(dǎo)儲(chǔ)能、核磁共振成像等。利用超導(dǎo)帶材制備的超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器和超導(dǎo)限流器等器件與設(shè)備具有體積小、重量輕、效率高和能耗低等優(yōu)點(diǎn)，在電力、能源、醫(yī)療設(shè)備、國(guó)防裝備等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。故而國(guó)外給予了高度關(guān)注，美國(guó)每年投入研究經(jīng)費(fèi)1000萬(wàn)美元，日本每年投入研究經(jīng)費(fèi)10億日元，開(kāi)發(fā)了接近商業(yè)化水平的制造和檢測(cè)設(shè)備。我國(guó)在過(guò)去十年中也作了不少摸索，在REBCO涂層導(dǎo)體研制方面取得了一定成果。
[0003]第二代高溫超導(dǎo)帶材，就是采用各種鍍膜手段在很薄(40-100微米)的傳統(tǒng)金屬基帶(鎳基合金或不銹鋼等合金)上鍍一層大約I到幾個(gè)微米厚的釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)薄膜。直接沉積在金屬基帶上的REBCO超導(dǎo)膜的超導(dǎo)性能很差，必須在金屬基帶上加一緩沖層。緩沖層的作用一方面可以誘導(dǎo)REBCO超導(dǎo)膜取向生長(zhǎng)，另一方面又可作為隔離層防止REBCO與金屬基帶反應(yīng)及氧向基帶中擴(kuò)散。這就要求緩沖層與超導(dǎo)層和金屬基底要有較小的晶格失配度，且能夠形成致密無(wú)裂紋的薄膜，有效阻礙金屬基底被氧化及阻礙基底金屬原子向超導(dǎo)層擴(kuò)散，且不與金屬基底和超導(dǎo)層反應(yīng)。
[0004]鑒于高電流承載能力在第二代高溫超導(dǎo)帶材強(qiáng)電應(yīng)用方面的迫切需要，而臨界電流主要由薄膜的厚度(d)和臨界電流密度(Jc)決定，為了獲得較高的電流承載能力，這就要求在一方面要制備高結(jié)晶質(zhì)量的高溫超導(dǎo)厚膜;另一方面要在提高薄膜厚度的同時(shí)保持較高的Jc值。隨著REBCO薄膜厚度的增加，性能變差。國(guó)內(nèi)外的研究表明通過(guò)采用制備夾層結(jié)構(gòu)的方式向超導(dǎo)薄膜中引入釘扎中心可以顯著的解決超導(dǎo)膜Jc隨厚度和磁場(chǎng)迅速減小的問(wèn)題，不過(guò)需要將中間層的厚度控制在納米級(jí)甚至是納米偽層，若中間層的厚度較大，使其相鄰REBCO層之間的電流無(wú)法導(dǎo)通，影響薄膜性能。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的問(wèn)題，申請(qǐng)人憑借從事此行業(yè)多年的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了大量的研究，意外發(fā)現(xiàn)本申請(qǐng)之技術(shù)方案，首次提出在IBAD-MgO基底上采用PLD方法制備REBCO多層膜的方案，具有意想不到的技術(shù)效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高性能REBCO(釔鋇銅氧)多層膜、應(yīng)用及其制備方法。本發(fā)明利用多通道脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)在鍍有隔離層的IBAD-MgO基帶上依次制備具有純C軸取向和高臨界電流的超導(dǎo)層和具有純C軸取向的夾層。本發(fā)明制備的REBCO多層膜具有純C軸取向、光滑致密表面和高臨界電流密度，臨界電流密度高達(dá)5MA/cm2;本發(fā)明的REBCO多層膜在自場(chǎng)下和磁場(chǎng)下都具有高的臨界電流，具有高結(jié)合力，可滿足超導(dǎo)電纜等多種應(yīng)用需求，適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
[0006]本發(fā)明是通過(guò)以下的方案實(shí)現(xiàn)的，
[0007]第一方面，本發(fā)明涉及一種高性能REBCO多層膜，所述REBCO多層膜由REBCO薄膜層和STO夾層組成。
[0008]優(yōu)選地，所述REBCO多層膜由兩層REBCO薄膜層以及位于中間的STO夾層組成。
[0009]優(yōu)選地，所述STO夾層的厚度為10?480nm，結(jié)構(gòu)為純C軸取向。
[0010]優(yōu)選地，所述REBCO多層膜具有純C軸取向、光滑致密表面和高臨界電流密度。
[0011]第二方面，本發(fā)明還涉及一種前述的高性能REBCO多層膜在制備高溫超導(dǎo)帶材中的應(yīng)用。
[0012]第三方面，本發(fā)明還涉及一種前述的高性能REBCO多層膜的制備方法，包括如下步驟:取鍍有隔離層的IBAD-MgO基帶，采用多靶多通道脈沖激光方法，制備得到所述高性能REBCO多層膜。
[0013]優(yōu)選地，所述方法包括如下步驟:
[0014]步驟I，取REBCO和STO靶材，裝在腔體中的靶托；
[0015]步驟2，取鍍有隔離層的IBAD-MgO基帶，纏繞在多通道脈沖激光沉積系統(tǒng)內(nèi)；
[0016]步驟3，關(guān)閉鍍膜系統(tǒng)的門，抽真空到所需真空度IX 10—7-6 X 10—5Torr,啟動(dòng)加熱器，升溫到REBCO薄膜工藝所需的溫度值；
[0017]步驟4，通入氧氣，將氣體的氣壓調(diào)節(jié)到REBCO薄膜鍍膜工藝所需的氣壓值；
[0018]步驟5，啟動(dòng)激光靶旋轉(zhuǎn)與掃描系統(tǒng)，啟動(dòng)準(zhǔn)分子激光器能量和頻率升到REBCO薄膜鍍膜工藝所需的值；
[0019]步驟6，等加熱溫度、氣壓、激光能量、激光頻率穩(wěn)定后，打開(kāi)激光光路開(kāi)關(guān)，開(kāi)始靶材表面預(yù)濺射過(guò)程；
[0020]步驟7，等激光蒸發(fā)形成的橢球狀等離子體穩(wěn)定后，啟動(dòng)多通道傳動(dòng)裝置的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)關(guān)，并將基帶的行走速度調(diào)到所需值，進(jìn)行鍍膜，金屬基帶通過(guò)多次纏繞在多通道傳動(dòng)裝置的輥軸，多次通過(guò)鍍膜區(qū)；
[0021 ]步驟8，完成REBCO鍍膜后，關(guān)閉激光靶旋轉(zhuǎn)與掃描系統(tǒng)，將靶材換到STO靶材；
[0022]步驟9，將溫度調(diào)整到STO薄膜工藝所需的溫度值；
[0023]步驟10，將氧氣氣壓調(diào)節(jié)到STO薄膜鍍膜工藝所需的氣壓值；
[0024]步驟11，啟動(dòng)激光靶旋轉(zhuǎn)與掃描系統(tǒng)，啟動(dòng)準(zhǔn)分子激光器能量和頻率升到STO薄膜鍍膜工藝所需的值；
[0025]步驟12，等加熱溫度、氣壓、激光能量、激光頻率穩(wěn)定后，打開(kāi)激光光路開(kāi)關(guān)，開(kāi)始靶材表面預(yù)濺射過(guò)程；
[0026]步驟13，等激光蒸發(fā)形成的橢球狀等離子體穩(wěn)定后，啟動(dòng)多通道傳動(dòng)裝置的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)關(guān)，并將基帶的行走速度調(diào)到所需值，進(jìn)行鍍膜，金屬基帶通過(guò)多次纏繞在多通道傳動(dòng)裝置的輥軸，多次通過(guò)鍍膜區(qū)；
[0027]步驟14，完成STO鍍膜后，關(guān)閉激光靶旋轉(zhuǎn)與掃描系統(tǒng)，將靶材再換回REBCO靶材；
[0028]步驟15，將溫度調(diào)整到REBCO薄膜工藝所需的溫度值；
[0029]步驟16，將氧氣氣壓調(diào)節(jié)到REBCO薄膜鍍膜工藝所需的氣壓值，然后重復(fù)步驟5-7;
[0030]步驟17，完成鍍膜后，關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)、加熱器和激光光路開(kāi)關(guān)；
[0031]步驟18，等降到100°C以下，通入氮?dú)猓_(kāi)腔取出樣品，即得所述高性能REBCO多層膜。
[0032]優(yōu)選地，所述步驟2包括如下步驟:
[0033]步驟2.1，將鍍有隔離層的IBAD-MgO基帶的一端纏繞到第一卷盤上；
[0034]步驟2.2，牽引金屬基帶多次纏繞在多通道傳動(dòng)裝置的輥軸上，在輥軸之間形成多通道金屬基帶；
[0035]步驟2.3，將金屬基帶的另一端固定在第一卷盤上;編碼器和步進(jìn)電機(jī)控制退火速度，使金屬基帶通過(guò)多通道傳動(dòng)裝置的滾軸纏繞，多次通過(guò)加熱器。
[0036]優(yōu)選地，步驟3中，所述REBCO薄膜鍍膜工藝所需的溫度值為750-850°C。
[0037]優(yōu)選地，所述REBCO薄膜鍍膜工藝所需的氣壓值為200-500mTorr。
[0038]優(yōu)選地，步驟5中，REB⑶薄膜鍍膜所需的激光能量為250-450mJ，激光頻率為40-180Hz ο
[0039]優(yōu)選地，步驟7中，行走速度為20_200m/h。
[0040]優(yōu)選地，步驟9中，STO薄膜鍍膜所需的溫度值為350_700°C。
[0041 ]優(yōu)選地