MOD-REBCO高温超导涂层导体的人工磁通钉扎及其调制进展

作者：黄荣铁; 陈静; 刘志勇; 李勇; 菅洪彬; 豆文芝; 张宁; 周迪帆; 彭思思; 蔡传兵^*

来源：中国科学:物理学 力学 天文学 , 2023, 53(12): 16-30.

• 高温超导
• REBa2Cu3O7-δ
• 人工磁通钉扎
• 纳米晶
• 在场载流

在过去的20年, REBCO(REBa2Cu3O7-δ, RE=Y,稀土元素)涂层导体被认为是最具应用潜力的超导材料之一.虽然其性能上的研究取得了很大的进展,但仍需要在REBCO薄膜中人工引入有效的磁通钉扎中心以满足更高的在场性能需求.元素掺杂是引入人工磁通钉扎中心常见的手段.在金属有机沉积(Metal-organic Deposition,MOD)制备的REBCO薄膜中,传统元素掺杂引入的异质元素以离子形态分散于前驱薄膜中并在高温过程中以离子扩散的形式生成对应的异质相,一般较难控制其生长、尺寸和分布等.在MOD路线中可采取如中温处理、超薄层涂敷和多元掺杂等多种手段对异质相进行优化,但作用较有限.基于对引入的异质相尺寸和分布上的高要求,采用预先制备特定尺寸的纳米晶后再添加REBCO的技术路线能很好地解决传统元素掺杂遇到的问题,能获得含有尺寸可控的弥散分布纳米晶的REBCO纳米复合薄膜.调整预制条件可得到尺寸在3–15 nm范围内的BaMO3(M=Zr, Hf)纳米晶,经过改性后,单分散于REBCO前驱液和晶化膜中,使每个纳米晶都形成有效的磁通钉扎中心.纳米晶添加技术同样适用于不同厚度的REBCO薄膜,超导层厚度为3.2μm的YBCO纳米复合带材比1.5μm厚的常规YBCO带材在低温30 K@0–7 T范围内在场Ic性能提升了5倍左右. 4 mm宽的厚膜带材在4.2 K@20 T的低温高场条件下可实现290 A的载流.另外,因为弥散分布、尺寸可控的纳米晶作为钉扎中心,使得YBCO带材在不同低磁场方向的Ic(77 K)的各向异性受到了明显抑制,趋于各向同性.该技术易于引入产业化生产流程中,并能稳定制备得到长达300–500 m的REBCO长带材,具有高的商业和科研价值.

• 单位
  中国船舶重工集团公司第七一二研究所; 上海大学