钇钡铜氧超导体的制备和特性测量及应用的实践
钇钡铜氧超导体的制备和特性测量及应用的实践[20191211095018]
摘要
钇钡铜氧化物超导材料，作为第二代，已广泛应用于磁和电力，世界各地的科学家已经发现了它并开始研究。自从发现了YBCO超导性能的20年取得了良好的效果，但超导机制与其他高温超导机制还没有得到令人信服的结果。本文已制备钇钡铜氧超导体为例，实践典型氧化物超导材料的制备过程，包括化学配比的计算、精细称量、手工研磨、球磨、分阶段烧结、煅烧、烘干、压片等复杂的过程；实践对于超导材料2个特性，零电阻性和抗磁性的探究；实践超导材料的抗磁特性在生活中的重要应用。
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关键字:制备方法YBCO高温超导
目 录
第一章 引言 1
1.1高温超导的发展 1
1.2超导体的三个临界参量 3
1.2.1超导体的临界温度Tc 3
1.2.2超导体的临界电流密度Jc 3
1.2.3超导体的临界磁场Hc 3
1.3超导体的基本性质 5
1.3.1零电阻效应 5
1.3.2同位素效应 5
第二章 YBCO高温超导体的研究现状、研究成果与应用 6
2.1YBCO研究现状 6
2.2YBCO研究成果 6
2.3YBCO高温超导体的应用 7
2.3.1强磁体应用 7
2.3.2电力应用 8
2.3.3YBCO超导陶瓷的应用 8
2.4YBCO的发展前景 9
第三章 YBCO的简介、晶体的结构 11
3.1YBCO简介 11
3.2钇钡铜氧晶体结构 11
第四章 YBCO高温超导体的制备方法研究 13
4.1烧结法 13
4.2共沉淀法 13
4.3熔融法 14
4.4定向凝固法 14
第五章 定向凝固法制备钇钡铜氧超导体的实践 16
5.1理论 16
5.2实践 17
5.3四电极法测电阻率的实验原理 18
5.4直线型四探针 20
第六章 总结 21
参考文献 22
致谢 23
第一章 引言
1.1高温超导的发展
高温超导通常被表示临界温度是在液态氮之上铜基氧化物的超导，这在以前发现的超导体临界温度小于液氮的超导体称为低温超导体。将逐步在普通超导合金电阻接近绝对零度的消失，这么低的温度，在应用方面会遇到很多问题。现代科学对高温超导材料的研究具有更实际的商业价值，这也很快成为一个热点话题。
超导研究在1986年之前已经积累了大量的理论和实验知识，这些都是非常重要的储备。虽然超导临界温度从1986开始在之后的十年内缓慢上升，尤其是三锗铌的转变温度甚至达到了23.22k，而柏诺兹（Bednorz）和（缪勒）Muller在1986发现临界温度约为30K的铜氧化物超导体的，开辟了进一步发现高温超导材料在液态氮的新方法。
事实上，氧化物超导体的发现，可以追溯到1973年约翰斯顿等人发现的超导，转变温度为13.7K的Li1-xTi2-xO4，以及1975 斯莱特等的发现，转变温度为13K的BaPb1-xBixO3超导体，虽然转变温度没有Nb3Ge那么高，但以当时可接受的标准看来也不算低，因此在这个方向上超导体依然被研究。
早在1986年4月柏诺兹（Bednorz）和缪勒（Muller）就投稿给德国《物理》杂志宣布他们发现的在高于30K的温区BaxLa5-xCu5O(3-y)(其中x=1或0.75)可能具有超导性，但因为该报告只谈到了零电阻效应并没有提及迈斯纳的影响，因此并没有引起足够的重视，直到十月，他们再次肯定了样品中有迈斯纳效应。
1987是超导拥有显著成绩的一年，在一月初，分子川崎日本国家的研究发现，43K超导临界温度后，中国科学院物理研究所发现的钡镧铜氧系和锶镧铜氧系超导体其临界温度也分别达到了46.3K和48.6K。同年的2月24日，中国科学院物理所赵忠贤等人宣布发现转变温度为92.8K的超导, BaxY5-xCu5O5(3-y) 超导在78.5K时出现零电阻的现象，也就是现在所说的钇钡铜氧,俗称123系。朱精武和赵忠贤在同年发现化合物钇钡铜氧化物超导的转变温度93K。
1988年初日本Maeda等制成了铋锶钙铜氧化物高温超导材料，其超导转变温度比钇钡铜氧高出10K以上，大约在同一时间，美国阿肯色州大学宣布了新的铊钡钙铜氧化物高温超导体，超导转变温度达到123K。
1989年就有人发现了电子型（n型）高温的铜氧化物超导体。
1995年，可弯曲钇钡铜氧涂层超导带问世两年后，米级长度的YBCO带也相继制成。1998年，用RABiTS-PLD法制出的YBCO涂层超导带临界电流密度已达到1.8MA/cm2,3.0MA/cm2 [1]。
2008年3月25日，中国科技大学陈先辉领导的科研小组报告氟掺杂钐氧铁砷化合物在43K时也能变成超导体。
近几年来，高温超导体材料的发展与探索从未停歇，已经从单一的铜氧化物向比较简单的化合物发展，变成了各个方向共发展的局势[2]。
部分高温超导体以及发现的年代如下表：
超导体 年份 超导体 年份
(La,M2+)2CuO4 1986 (La,Sr)2CaCu2O6 1990
Bi2Sr2CuO6 1987 Bi2Sr2(Ln,Ce)2Cu2O10 1990
Ba2YCu3O7 1987 (Pb,Cu)(Eu,Sr)2(Eu,Ce)2Cu2O8 1990
La2CuO4-x 1988 PbBaSr(Y,Ca)Cu3O7 1990
La2CuO4F7 1988 Sr1-xCuO2 1991
(Nd,Sr,Ce)2CuO4 1988 Sr1-xNdxCuO2 1991
Ba2YCu4O8 1988 GaSr2(Y,Ca)Cu2O7 1991
Ba4Y2Cu7O15 1988 NbSr2(Nd,Ce)2Cu2O10 1992
Sr2(Y,Ca)(Cu,M)Cu2O7 1988 (Ba,Sr)2Cu1+x(CO2)1-xOy 1992
M=Pb,Ga,Fe,B,SO4,CO2,Al,(Bi,Cd) 1988 (Ca,Cu)(Eu,Sr)2(Eu,Ce)2Cu2O8 1992
Pb2Sr2(Y,Ca)Cu3O8 1988 HgBaCan-1CunO2n+2 n=1--6 1993
Tl2Ba2Can-1CunO2n+4 n=1,2,3,4 1988 (Sr,Ca)2(Si,Ca)n-1CunOx n=2,3,4 1993
Bi2Sr2CaCu2O8 1988 Bi2Sr2Cu2CO3O8 1993
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 1988 (Tl,Pb)Sr4Cu2CO3O7 1993
Pb2(Sr,La)2Cu2O6 n=3,4 1988 Bi2Sr5Cu3(CO3)2O10 1994
(Tl,Pb)SrCaCu 变体 1988 Hg2Ba2(Y,Ca)Cu2O8 1994
(Eu,Ce)2(Eu,Sr)2Cu3O9 1989 (Cu1-x(CO2)x)Ba2Can-1CunOy,x有时为零，n=3,4,5 1994
(Nd,Ce)2CuO4 1989 (Cu1-x(CO2)x)2Ba3Can-1CunOy 1994
Nd2CuO4-xFx 1989 Sr2CuO3Fx 1994
1.2超导体的三个临界参量
1.2.1超导体的临界温度Tc
在一定温度下突然进入一个新的物质状态，这实际上使电阻变成零，电阻突然下降到难以衡量的阻值，这种物质的范围值有一个特殊的状态，称为超导态，这种材料称为超导体。在超导态下高温超导体刚刚进入超导临界温度的要求，温度用Tc表示。
1.2.2超导体的临界电流密度Jc
实验结果表明，如果超导体在没有磁场的情况下，电流不能超过某一值，如果超过某一值时超导的状态将会被破坏，这个破坏超导状态的电流值被称为电流密度的临界电流值，由Ic来表示的。Ic的大小随着温度T的变化的而变化，在Tc以下Ic为零。
1.2.3超导体的临界磁场Hc
在正常的情况中，超导体是有迈斯纳效应，完美的抗磁性，超导状态，如果在超导状态的超导材料不断提高磁场Hc，强度大于一定值时，超导体导电到正常状态，Hc就被称为临界磁场。由超导体的Hc的数目可分为两个超导体类：第一类的超导体与第二类的超导体，第一类超导体只有一个Hc,而第二类超导体就有两个Hc,分别记为：Hc1(T)（上临界磁场）和Hc2(T)（下临界磁场）
下图为第一类超导体和第二类超导体：
对第二类超导体
当H 当Hc1(T) 当H>Hc2(T)时，物质处于正常的状态。
下图为两类超导体的H和T,可以明显看出Tc、Jc、Hc三者的关系。
：
1.3超导体的基本性质
1.3.1零电阻效应
在超导状态下的超导体其内部的实际电阻为零时，这种现象被称为零电阻的超导。
超导体，不管是第一步冷却第二步施加磁场，或者后冷却先增大磁场，只要样品在转变温度下的超导状态，样品周围的磁场全部发生变化，那么磁力线就被完全推到超导体的外面，也就是，无论怎样的方式过渡到超导状态，因为有T 1.3.2同位素效应
超导体的临界温度同同位素质量有一定联系，一样的元素，同位素高质量，临界温度Tc就低，这被称为同位素效应。
第二章 YBCO高温超导体的研究现状、研究成果与应用
2.1YBCO研究现状
钇钡铜氧从被发现到现在，其独特的功能吸引了众多研究人员的研发与投资。根据钇钡铜氧超导体的特性，全球集中开始对超导体的块材，超导带和涂层的研究。
表2
2.2YBCO研究成果
通过各个国家科研机构的努力，研究中应用YBCO超导带材取得了很大的进步。20世纪90年代人们主要选择了BSCCO和YBCO高温超导材料来制造带材或线材，其中后者成为主要的发展目标[3]。
制造实用钢带必须达到足以大的电流密度，阻碍电流密度的增加有两个主要因素：第一个是因为材料内部有比较弱的连接，使用了太脆弱的材料：第二个是尝试通过强磁通钉扎，使得磁通线以促进抵抗洛伦兹力的能量损失的降低。 人们渴望高电流密度连续长超导线材的愿望很快就会实现
上图为YBCO超导带材结构图
2.3YBCO高温超导体的应用
YBCO超导材料的应用可分为两个方面：强磁应用和电力的应用，其主要应用是在零电阻和完全抗磁性的基础上。
2.3.1强磁体应用
强磁铁的应用，钇钡铜氧高温超导体不可逆的高磁场优势更加明显。YBCO高温超导体可以用作高能加速器，采用超导磁体，磁场可以增加好多倍。在环半径相同时，加速器可以提高能量多次，而且还可以显著降低能耗和运营成本;在液氮温区，由小磁铁产生的YBCO带材可以提供超过4吨的磁场，高功率毫米波回旋管完全满足主磁铁的要求，可以保持基本频率，毫米波信号源是100 GHz，发射功率从几十千瓦到几百千瓦，在雷达系统中用于小目标和远程监控目标的功能大幅度增加[4]。由于强磁场可以在液氮温度下提供，这样磁铁可以应用于CT扫描MRI磁体，降低了机器的运行价格，从而使更多的人受益。钇钡铜氧高温超导体被广泛使用，也可用于生产高能量探测器，核聚变装置，超导磁分离设备等。
2.3.2电力应用
超导材料的应用包括最有效的发电，电能传输和存储等。由于电流密度较大的YBCO高温超导体，能够承受高的磁场，用其制作成高温超导电动机、发电机，尺寸比传统小，重量轻，性能更加稳定，超导发电机的磁场强度比普通发电机高5～6万高斯，几乎无能量得损失；同时，由于高温超导体YBCO电阻为零，使它成为当前传输的理想导体，它用于超导电缆，长途运输，没有大能量损失，油浸式高压输电电缆是目前使用的传统电缆，由于临界长度受它的容量限制，难以满足日益增长的电力传输要求，在这方面YBCO超导陶瓷传输显示出了巨大的优势。YBCO高温超导材料广泛应用于电力，可用于超导磁储能系统，生产超导变压器，超导故障电流限制器等。
摘要
钇钡铜氧化物超导材料，作为第二代，已广泛应用于磁和电力，世界各地的科学家已经发现了它并开始研究。自从发现了YBCO超导性能的20年取得了良好的效果，但超导机制与其他高温超导机制还没有得到令人信服的结果。本文已制备钇钡铜氧超导体为例，实践典型氧化物超导材料的制备过程，包括化学配比的计算、精细称量、手工研磨、球磨、分阶段烧结、煅烧、烘干、压片等复杂的过程；实践对于超导材料2个特性，零电阻性和抗磁性的探究；实践超导材料的抗磁特性在生活中的重要应用。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:制备方法YBCO高温超导
目 录
第一章 引言 1
1.1高温超导的发展 1
1.2超导体的三个临界参量 3
1.2.1超导体的临界温度Tc 3
1.2.2超导体的临界电流密度Jc 3
1.2.3超导体的临界磁场Hc 3
1.3超导体的基本性质 5
1.3.1零电阻效应 5
1.3.2同位素效应 5
第二章 YBCO高温超导体的研究现状、研究成果与应用 6
2.1YBCO研究现状 6
2.2YBCO研究成果 6
2.3YBCO高温超导体的应用 7
2.3.1强磁体应用 7
2.3.2电力应用 8
2.3.3YBCO超导陶瓷的应用 8
2.4YBCO的发展前景 9
第三章 YBCO的简介、晶体的结构 11
3.1YBCO简介 11
3.2钇钡铜氧晶体结构 11
第四章 YBCO高温超导体的制备方法研究 13
4.1烧结法 13
4.2共沉淀法 13
4.3熔融法 14
4.4定向凝固法 14
第五章 定向凝固法制备钇钡铜氧超导体的实践 16
5.1理论 16
5.2实践 17
5.3四电极法测电阻率的实验原理 18
5.4直线型四探针 20
第六章 总结 21
参考文献 22
致谢 23
第一章 引言
1.1高温超导的发展
高温超导通常被表示临界温度是在液态氮之上铜基氧化物的超导，这在以前发现的超导体临界温度小于液氮的超导体称为低温超导体。将逐步在普通超导合金电阻接近绝对零度的消失，这么低的温度，在应用方面会遇到很多问题。现代科学对高温超导材料的研究具有更实际的商业价值，这也很快成为一个热点话题。
超导研究在1986年之前已经积累了大量的理论和实验知识，这些都是非常重要的储备。虽然超导临界温度从1986开始在之后的十年内缓慢上升，尤其是三锗铌的转变温度甚至达到了23.22k，而柏诺兹（Bednorz）和（缪勒）Muller在1986发现临界温度约为30K的铜氧化物超导体的，开辟了进一步发现高温超导材料在液态氮的新方法。
事实上，氧化物超导体的发现，可以追溯到1973年约翰斯顿等人发现的超导，转变温度为13.7K的Li1-xTi2-xO4，以及1975 斯莱特等的发现，转变温度为13K的BaPb1-xBixO3超导体，虽然转变温度没有Nb3Ge那么高，但以当时可接受的标准看来也不算低，因此在这个方向上超导体依然被研究。
早在1986年4月柏诺兹（Bednorz）和缪勒（Muller）就投稿给德国《物理》杂志宣布他们发现的在高于30K的温区BaxLa5-xCu5O(3-y)(其中x=1或0.75)可能具有超导性，但因为该报告只谈到了零电阻效应并没有提及迈斯纳的影响，因此并没有引起足够的重视，直到十月，他们再次肯定了样品中有迈斯纳效应。
1987是超导拥有显著成绩的一年，在一月初，分子川崎日本国家的研究发现，43K超导临界温度后，中国科学院物理研究所发现的钡镧铜氧系和锶镧铜氧系超导体其临界温度也分别达到了46.3K和48.6K。同年的2月24日，中国科学院物理所赵忠贤等人宣布发现转变温度为92.8K的超导, BaxY5-xCu5O5(3-y) 超导在78.5K时出现零电阻的现象，也就是现在所说的钇钡铜氧,俗称123系。朱精武和赵忠贤在同年发现化合物钇钡铜氧化物超导的转变温度93K。
1988年初日本Maeda等制成了铋锶钙铜氧化物高温超导材料，其超导转变温度比钇钡铜氧高出10K以上，大约在同一时间，美国阿肯色州大学宣布了新的铊钡钙铜氧化物高温超导体，超导转变温度达到123K。
1989年就有人发现了电子型（n型）高温的铜氧化物超导体。
1995年，可弯曲钇钡铜氧涂层超导带问世两年后，米级长度的YBCO带也相继制成。1998年，用RABiTS-PLD法制出的YBCO涂层超导带临界电流密度已达到1.8MA/cm2,3.0MA/cm2 [1]。
2008年3月25日，中国科技大学陈先辉领导的科研小组报告氟掺杂钐氧铁砷化合物在43K时也能变成超导体。
近几年来，高温超导体材料的发展与探索从未停歇，已经从单一的铜氧化物向比较简单的化合物发展，变成了各个方向共发展的局势[2]。
部分高温超导体以及发现的年代如下表：
超导体 年份 超导体 年份
(La,M2+)2CuO4 1986 (La,Sr)2CaCu2O6 1990
Bi2Sr2CuO6 1987 Bi2Sr2(Ln,Ce)2Cu2O10 1990
Ba2YCu3O7 1987 (Pb,Cu)(Eu,Sr)2(Eu,Ce)2Cu2O8 1990
La2CuO4-x 1988 PbBaSr(Y,Ca)Cu3O7 1990
La2CuO4F7 1988 Sr1-xCuO2 1991
(Nd,Sr,Ce)2CuO4 1988 Sr1-xNdxCuO2 1991
Ba2YCu4O8 1988 GaSr2(Y,Ca)Cu2O7 1991
Ba4Y2Cu7O15 1988 NbSr2(Nd,Ce)2Cu2O10 1992
Sr2(Y,Ca)(Cu,M)Cu2O7 1988 (Ba,Sr)2Cu1+x(CO2)1-xOy 1992
M=Pb,Ga,Fe,B,SO4,CO2,Al,(Bi,Cd) 1988 (Ca,Cu)(Eu,Sr)2(Eu,Ce)2Cu2O8 1992
Pb2Sr2(Y,Ca)Cu3O8 1988 HgBaCan-1CunO2n+2 n=1--6 1993
Tl2Ba2Can-1CunO2n+4 n=1,2,3,4 1988 (Sr,Ca)2(Si,Ca)n-1CunOx n=2,3,4 1993
Bi2Sr2CaCu2O8 1988 Bi2Sr2Cu2CO3O8 1993
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 1988 (Tl,Pb)Sr4Cu2CO3O7 1993
Pb2(Sr,La)2Cu2O6 n=3,4 1988 Bi2Sr5Cu3(CO3)2O10 1994
(Tl,Pb)SrCaCu 变体 1988 Hg2Ba2(Y,Ca)Cu2O8 1994
(Eu,Ce)2(Eu,Sr)2Cu3O9 1989 (Cu1-x(CO2)x)Ba2Can-1CunOy,x有时为零，n=3,4,5 1994
(Nd,Ce)2CuO4 1989 (Cu1-x(CO2)x)2Ba3Can-1CunOy 1994
Nd2CuO4-xFx 1989 Sr2CuO3Fx 1994
1.2超导体的三个临界参量
1.2.1超导体的临界温度Tc
在一定温度下突然进入一个新的物质状态，这实际上使电阻变成零，电阻突然下降到难以衡量的阻值，这种物质的范围值有一个特殊的状态，称为超导态，这种材料称为超导体。在超导态下高温超导体刚刚进入超导临界温度的要求，温度用Tc表示。
1.2.2超导体的临界电流密度Jc
实验结果表明，如果超导体在没有磁场的情况下，电流不能超过某一值，如果超过某一值时超导的状态将会被破坏，这个破坏超导状态的电流值被称为电流密度的临界电流值，由Ic来表示的。Ic的大小随着温度T的变化的而变化，在Tc以下Ic为零。
1.2.3超导体的临界磁场Hc
在正常的情况中，超导体是有迈斯纳效应，完美的抗磁性，超导状态，如果在超导状态的超导材料不断提高磁场Hc，强度大于一定值时，超导体导电到正常状态，Hc就被称为临界磁场。由超导体的Hc的数目可分为两个超导体类：第一类的超导体与第二类的超导体，第一类超导体只有一个Hc,而第二类超导体就有两个Hc,分别记为：Hc1(T)（上临界磁场）和Hc2(T)（下临界磁场）
下图为第一类超导体和第二类超导体：
对第二类超导体
当H
下图为两类超导体的H和T,可以明显看出Tc、Jc、Hc三者的关系。
：
1.3超导体的基本性质
1.3.1零电阻效应
在超导状态下的超导体其内部的实际电阻为零时，这种现象被称为零电阻的超导。
超导体，不管是第一步冷却第二步施加磁场，或者后冷却先增大磁场，只要样品在转变温度下的超导状态，样品周围的磁场全部发生变化，那么磁力线就被完全推到超导体的外面，也就是，无论怎样的方式过渡到超导状态，因为有T
超导体的临界温度同同位素质量有一定联系，一样的元素，同位素高质量，临界温度Tc就低，这被称为同位素效应。
第二章 YBCO高温超导体的研究现状、研究成果与应用
2.1YBCO研究现状
钇钡铜氧从被发现到现在，其独特的功能吸引了众多研究人员的研发与投资。根据钇钡铜氧超导体的特性，全球集中开始对超导体的块材，超导带和涂层的研究。
表2
2.2YBCO研究成果
通过各个国家科研机构的努力，研究中应用YBCO超导带材取得了很大的进步。20世纪90年代人们主要选择了BSCCO和YBCO高温超导材料来制造带材或线材，其中后者成为主要的发展目标[3]。
制造实用钢带必须达到足以大的电流密度，阻碍电流密度的增加有两个主要因素：第一个是因为材料内部有比较弱的连接，使用了太脆弱的材料：第二个是尝试通过强磁通钉扎，使得磁通线以促进抵抗洛伦兹力的能量损失的降低。 人们渴望高电流密度连续长超导线材的愿望很快就会实现
上图为YBCO超导带材结构图
2.3YBCO高温超导体的应用
YBCO超导材料的应用可分为两个方面：强磁应用和电力的应用，其主要应用是在零电阻和完全抗磁性的基础上。
2.3.1强磁体应用
强磁铁的应用，钇钡铜氧高温超导体不可逆的高磁场优势更加明显。YBCO高温超导体可以用作高能加速器，采用超导磁体，磁场可以增加好多倍。在环半径相同时，加速器可以提高能量多次，而且还可以显著降低能耗和运营成本;在液氮温区，由小磁铁产生的YBCO带材可以提供超过4吨的磁场，高功率毫米波回旋管完全满足主磁铁的要求，可以保持基本频率，毫米波信号源是100 GHz，发射功率从几十千瓦到几百千瓦，在雷达系统中用于小目标和远程监控目标的功能大幅度增加[4]。由于强磁场可以在液氮温度下提供，这样磁铁可以应用于CT扫描MRI磁体，降低了机器的运行价格，从而使更多的人受益。钇钡铜氧高温超导体被广泛使用，也可用于生产高能量探测器，核聚变装置，超导磁分离设备等。
2.3.2电力应用
超导材料的应用包括最有效的发电，电能传输和存储等。由于电流密度较大的YBCO高温超导体，能够承受高的磁场，用其制作成高温超导电动机、发电机，尺寸比传统小，重量轻，性能更加稳定，超导发电机的磁场强度比普通发电机高5～6万高斯，几乎无能量得损失；同时，由于高温超导体YBCO电阻为零，使它成为当前传输的理想导体，它用于超导电缆，长途运输，没有大能量损失，油浸式高压输电电缆是目前使用的传统电缆，由于临界长度受它的容量限制，难以满足日益增长的电力传输要求，在这方面YBCO超导陶瓷传输显示出了巨大的优势。YBCO高温超导材料广泛应用于电力，可用于超导磁储能系统，生产超导变压器，超导故障电流限制器等。
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