涂層導(dǎo)體用立方織構(gòu)Ni基帶及其上Y-,2-O-,3-隔離層生長的研究.pdf

1、Y(釔)系超導(dǎo)材料的不可逆場高于Bi(鉍)系超導(dǎo)材料，在高溫高場中仍能保持較高的電流密度，所以在超導(dǎo)電機(jī)、變壓器、限流器、馬達(dá)、磁體、超導(dǎo)儲能、核磁共振等強(qiáng)電領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用前景。近年來一系列的突破使得Y系超導(dǎo)帶材的研究成為目前國際超導(dǎo)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。 Y系材料存在較嚴(yán)重的弱連接問題，必須減少或消除在傳輸電流路徑上的大角度晶界，形成較強(qiáng)的織構(gòu)。目前主要有兩種方案使Y系超導(dǎo)帶材形成較強(qiáng)的織構(gòu)：一是Y.Iijima等人首先采用離子束輔

2、助沉積技術(shù)，先在多晶的Hastelloy基帶上制備雙軸織構(gòu)陶瓷氧化物作為隔離層，隨后在其上外延生長YBCO超導(dǎo)涂層；另一種是美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室報道的軋制輔助雙軸織構(gòu)沉積(RABiTS)技術(shù)，先用熱機(jī)械加工的方法制備出強(qiáng)的立方織構(gòu)，隨后在其上外延生長多層隔離層和YBCO涂層。具有立方織構(gòu)的長的柔性基帶是整個RABiTS工藝的基礎(chǔ)，一方面基帶必須誘導(dǎo)YBCO形成雙軸織構(gòu)，減小弱連接的影響；另一方面基帶必須為后續(xù)隔離層以及YBCO涂層的生長

3、提供良好的表面。因此，制備出表面粗糙度低、具有小晶界角及強(qiáng)立方織構(gòu)的柔性金屬基帶對于推進(jìn)涂層導(dǎo)體的發(fā)展具有很重要的實(shí)際意義。 Ni的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)與YBCO匹配較好，同時Ni具有良好的機(jī)械加工性能和抗氧化性能。所以本論文選擇高純Ni(99.999％)作為制備強(qiáng)立方織構(gòu)柔性基帶的原材料。首先提出在冷軋前加入適量的熱軋，改善立方織構(gòu)的形核和長大，制備出具有小角度晶界、強(qiáng)立方織構(gòu)的Ni基帶。首次通過對基帶厚度的研究確定基帶的最佳

4、厚度。而后重點(diǎn)研究基帶的表面處理。在基帶的表面處理中，論文提出了立方織構(gòu)Ni基帶的合適的電化學(xué)拋光工藝，研究基帶表面的電化學(xué)拋光和熱處理工藝對基帶表面的影響。最后在拋光后的基帶上沉積Y2O3隔離層，一方面檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)制備的Ni基帶的織構(gòu)和表面質(zhì)量，另一方面研究織構(gòu)金屬基帶上Y2O3隔離層的生長工藝和生長機(jī)理。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有熱軋和沒有熱軋兩種工藝獲得的基帶軋制織構(gòu)都聚集在β取向線附近，但熱軋有利于S取向{123}〈634〉與立方取向

5、{001}〈100〉之間的過渡帶的形成。這些過渡帶的存在有利于立方取向的晶粒的形核，同時在面心立方金屬的軋織織構(gòu)中立方取向與S取向滿足40°〈111〉關(guān)系，過渡帶內(nèi)的立方核由于與S取向和C取向接觸而快速的長大。所以熱軋基帶再結(jié)晶后有很強(qiáng)的立方織構(gòu)，且晶界都是小角度晶界。 基帶厚度對基帶再結(jié)晶組織影響很大。厚度大于60μm的基帶，再結(jié)晶平均晶粒尺寸隨基帶厚度的減小而減??；厚度小于60μm的基帶，再結(jié)晶平均晶粒尺寸隨基帶厚度減小而增

6、大，同時晶粒的取向更接近立方取向的標(biāo)準(zhǔn)位置?；鶐Ш穸?0μ時，再結(jié)晶晶粒平均尺寸達(dá)到最小值-70μm。 熱處理氣氛對基帶的表面影響很大。在真空中再結(jié)晶時，飽和蒸氣壓很高，Ni的蒸發(fā)速度很快，所以基帶表面形成規(guī)則的小臺階。晶界處的位錯露頭附近原子能量比較高，蒸發(fā)比較快，所以形成方形的小孔。4％H2+Ar氣氛處理時，飽和蒸氣壓低，Ni蒸發(fā)速度低，所以基帶表面光滑無缺陷。因?yàn)檎舭l(fā)速度很低，晶界處位錯露頭引起的快速蒸發(fā)已經(jīng)很不明顯，在晶

7、界處沒有小孔形成。所以再結(jié)晶氣氛引起基帶形貌的不同主要是基帶表面原子蒸發(fā)速率的差異造成的。 電化學(xué)拋光可以有效地改善基帶表面粗糙度。實(shí)驗(yàn)選擇的拋光液是磷酸體系。磷酸中加入甘油后，溶液的粘度增大，陽極形成的氧化膜強(qiáng)度增加，可以有效的避免陽極析出氣體擠裂氧化膜而引起的條紋腐蝕。但隨著甘油含量的增加，溶液粘度進(jìn)一步增大，陽極表面產(chǎn)生的氣體不能排出，在基帶表面形成氣體夾層，使得該處不能拋光，從而產(chǎn)生點(diǎn)蝕。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Ni基帶和拋光液的浸潤性

8、很差，使得基帶表面更容易形成氣體夾層。所以實(shí)驗(yàn)在溶液中加入添加劑以改善基帶和拋光液的浸潤性。事實(shí)上，加入適量的添加劑后基帶表面的點(diǎn)蝕也確實(shí)得到了改善。最佳拋光工藝得到了表面粗糙度小于9nm的基帶。 用磁控濺射在拋光-熱處理基帶上沉積Y2O3隔離層，得到了高旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu){011}〈100〉取向的Y2O3隔離層。基底加熱溫度對隔離層的外延生長影響很大?；诇囟戎饕绊懗练e在基底表面原子的擴(kuò)散能力；濺射氣壓主要影響沉積到基底的原子的動

9、能，在某種程度上也影響了原子的表面擴(kuò)散能力；濺射氣氛中的H2一方面可以阻止基底的氧化，另一方面可以吸附在基底表面而改表基底的表面能。 基帶表面對隔離層生長的影響也很大。熱處理后再拋光的基帶上生長的隔離層出現(xiàn)周期性的“脊梁”。分析表明這些周期性“脊梁”可能是由基帶表面因拋光引起的微觀周期性“脊梁”引起的；在先拋光后熱處理的基帶上生長的隔離層晶粒細(xì)小、均勻、致密，表面粗糙度2nm左右，但在基帶的晶界處隔離層有胞狀突起。分析表明這些胞