一种在双轴织构NiW合金基片上制备高温超导涂层导体La₂Zr₂O₇缓冲层薄膜的方法

专利名称：一种在双轴织构NiW合金基片上制备高温超导涂层导体La₂Zr₂O₇缓冲层薄膜的方法
技术领域：
本发明属于高温超导材料制备技术领域，尤其涉及高温超导涂层导体缓冲层薄膜的制备技术。
背景技术：
第二带高温超导材料REBa2Cu307_x (简写成ReBCO,&为钇或镧系元素)，由于其优良的本征电磁特性，其应用前景将较第一代高温超导材料更加广阔。已经成为世界各国研究的热点。但是ReBCO由于本身的层状结构，导致极强的各向异性，晶格的ab面上的负载电流能力远远高于c轴方向。ReBCO高温超导材料的载流性能对a、b方向上的晶格失配极为敏感，大的晶格失配角将会形成弱连接，严重影响其载流能力。研究表明，&BC0的载流能力随a、b方向上晶格失配角的增大而指数衰减。要减小a、b方向上晶格失配角，降低弱连接效应，保证ReBCO的载流能力，外延织构成了其制备技术中不可或缺的工艺过程。迄今为止， 国内外公认的最佳衬底材料为Ni基合金材料。而Ni基合金和ReBCO高温超导材料的ab面存在一定的晶格失配，直接在Ni基合金基带上外延生长ReBCO高温超导材料几乎是不可能的。再者，在ReBCO的成相热处理过程中Ni基合金与ReBCO之间会有较强的相互扩散和化学反应，这就严重影响了 ReBCO的超导性能。因此，在Ni基合金衬底和ReBCO之间必须增加一层缓冲层材料，既要充当从M基合金到ReBCO外延生长的中间模板，又要阻挡两种材料的相互扩散，主要是Ni和ReBCO中的Cu的相互扩散，这样才能保证制备出性能优良的ReBCO 高温超导涂层导体。因此，高温超导涂层导体都具有衬底、缓冲层(至少一层)和ReBCO超导涂层三层结构。近年来，低效率高成本的制备技术越来越明显地影响和制约ReBCO高温超导材料的产业生产和大规模应用。为此人们做了大量探索，其中之一就是探索价格低廉的缓冲层制备工艺。目前制备缓冲层的方法有物理气相沉积(PVD)，金属有机物化学气相沉积 (MOCVD)，化学溶液沉积(CSD)等。CSD法相比其它方法具有成本低，操作相对简单，成分控制精确以及适合大面积沉积等独特优势，已逐渐成为制备缓冲层和ReBCO层的主要工艺方法和研究热点。传统的缓冲层结构为Ce02/YSZ/CeA和Ce02/YSZ/Y203其中^O3和YSZ层大都采用物理气相沉积方法制得，这使得缓冲层的制备工艺复杂，成本很高，不适合大规模工业生产。2000年Chirayil等人首先进行了 LaJr2O7的化学制备，在NiW基带上利用镧的异丙醇盐和锆的正丙醇盐制备了双轴织构的LaJr2O7缓冲层。Sathyamurthy等人开展了深入的研究，开发了 LaJr2O7长带的制备技术。S Engel等人以镧和锆的戊二醇盐为前驱物制得了 Lii2Zr2O7 薄膜。分别参见文献 1、T. G. Chirayil, M. Paranthaman, D. B. Beach, D. F. Lee, A. Goyal, R. K. Williams, Χ. Cui, D. Μ. Kroeger, R. Feenstra, D. Τ. Verebelyi and D. K. Christen. Epitaxial growth of La2Zr2O7 thin films on rolled Ni—substrates by sol-gel process for high Tc superconducting tapes. Physica C. 2000,336 63 ；文献 2、S. Sathyamurthy, M. Paranthaman and H. Y. Zhai. Lanthanum zirconate a single buffer layer processed by solution deposition for coated conductor fabrication. J. Mater. Res. 2002,17 :2181 ；文献 3、S. Engel, K. Knoth, R. Huhne, L. Schultz and B. Holzapfel. An all chemical solution deposition approach for the growth of highly textured CeO2 cap layers on La2Zr207-buffered long lengths of biaxialIy textured Niff substrates for YBCO—coated conductors. Supercond. Sci. Technol. 2005, 18 :1385.并且LaJr2O7与NiW合金基底的晶格失配为8%，与TOCO超导层的晶格失配小于1%，同时具有优良的热稳定性和化学稳定性。如果能在Ni合金基底上外延生长出织构良好的LaJr2O7缓冲层薄膜，从而取代传统的YSZ/Y203等两层结构，这将大大简化缓冲层结构，从而简化ReBCO带材的制备工艺并降低成本。但以上文献所采用的制备方法的共同点是，都采用了金属醇盐或乙酰丙酮盐作为前驱物。由于金属醇盐或乙酰丙酮盐价格昂贵，这将限制实用化带材的发展。

发明内容
本发明的目的在于提供一种在双轴织构NiW合金基片上制备高温超导涂层导体 La2Zr2O7缓冲层薄膜的方法。该方法的制作成本低，易制得高品质的LaJr2O7薄膜，能有效地发挥涂层导体缓冲层的作用。本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种在双轴织构NiW合金基片上制备高温超导涂层导体LaJr2O7缓冲层薄膜的方法，其步骤是a、无水溶液制备按镧、锆的离子数量比等于1 1的比例，取硝酸镧 (La(NO3)3- 6H20)和硝酸锆(Zr(NO3)4. 5H20)，溶解在乙二醇甲醚中，形成无水溶液；b、胶体制备在a步的无水溶液中加入聚乙二醇-20000形成胶体；C、胶体涂敷与干燥将b步制得的胶体涂覆在双轴织构NiW合金基片上；d、热分解处理将涂敷有胶体的基片置于烧结炉中，并在H2体积含量为5% 的H2-Ar混合气气氛中，使炉温从室温以0. 7 0C /min的速度升至340 °C -420 °C、再以 1. 0-1. 40C /min的速度升至600°C _700°C保温0. 5小时，然后让炉自然降温至室温；e、烧结成相将热分解处理后的基片放入烧结炉中，在H2体积含量为5%的H2-Ar 混合气气氛中，再将炉温以25-100°C /min的速度升至1100°C _1130°C，保温30-50分钟，然后让炉自然降温至室温，即得。与现有技术相比，本发明的有益效果是一、烧结前，按选定的升温速度和温度范围进行预分解处理，可使得烧结形成的涂层更平整，更致密；烧结成相时，往烧结炉中通入H2体积含量为5%的H2-Ar混合气形成 H2-Ar混合气气氛。这样可以保证镧锆氧能够形成良好的双轴织构，制得的LaJr2O7薄膜的品质高，能有效地发挥涂层导体缓冲层的作用。二、制备过程使用的起始原料为价格低廉的金属硝酸盐，降低了制作成本；加入的成膜高分子化合物为价格低廉，使用广泛、无毒的聚乙二醇-20000，它的加入量也少，进一步降低了制作成本；只需将所得胶体，涂敷于基片烧结即可，制作工艺简单，操作控制容易。上述的a步中硝酸镧、硝酸锆和乙二醇甲醚的用量比为硝酸镧和硝酸锆的总量为1摩尔时，乙二醇甲醚的体积为0. 5-3升，b步中的聚乙二醇-20000的加入量为胶体总质量的3% -5%。这样的比例可保证制成的胶体成膜性好。上述的c步中将胶体涂覆在涂层导体的双轴织构NiW合金基片上的具体作法为 将胶体滴在基片上，用勻胶机旋转，使胶体均勻涂覆在基片上。下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。


图1是实施例一制得的Lii2Zr2O7缓冲层的X射线衍射图谱。图2是实施例一制得的LaJr2O7缓冲层的3000倍扫描电子显微镜(SEM)照片。图3是实施例二制得的Lii2Zr2O7缓冲层的X射线衍射图谱。图4是实施例二制得的LaJr2O7缓冲层的3000倍扫描电子显微镜(SEM)照片。图5是实施例三制得的Lii2Zr2O7缓冲层的X射线衍射图谱。图6是实施例三制得的LaJr2O7缓冲层的3000倍扫描电子显微镜(SEM)照片。图1，3，5的纵坐标为衍射强度antensity)、任意单位(a. u.)；横坐标为衍射角 2 θ，单位为度(deg)，图中字符LZO为La2Zr2O7的简写。
具体实施例方式实施例一本发明的第一种具体实施方式
是，一种在双轴织构NiW合金基片上制备高温超导涂层导体LaJr2O7缓冲层薄膜的方法，其步骤是a、无水溶液制备按镧、锆的离子数量比等于1 1的比例，取硝酸镧 (La(NO3)3- 6H20)和硝酸锆(Zr(NO3)4. 5H20)，溶解在乙二醇甲醚中，形成无水溶液；b、胶体制备在a步的无水溶液中加入聚乙二醇-20000形成胶体；C、胶体涂敷与干燥将b步制得的胶体涂覆在双轴织构NiW合金基片上；d、热分解处理将涂敷有胶体的基片置于烧结炉中，并在H2体积含量为5%的 H2-Ar混合气气氛中，使炉温从室温以0. 70C /min的速度升至340°C、再以1. 0°C /min的速度升至600°C保温0. 5小时，然后让炉自然降温至室温；e、烧结成相将热分解处理后的基片放入烧结炉中，在H2体积含量为5%的H2-Ar 混合气气氛中，再将炉温以25°C /min的速度升至1100°C，保温50分钟，然后让炉自然降温至室温，即得。本例a步中硝酸镧、硝酸锆和乙二醇甲醚的用量比为硝酸镧和硝酸锆的总量为1 摩尔时，乙二醇甲醚的体积为0. 5升，b步中的聚乙二醇-20000的加入量为胶体总质量的5%。本例c步中将胶体涂覆在涂层导体的双轴织构NiW合金基片上的具体作法为将胶体滴在基片上，用勻胶机旋转，使胶体均勻涂覆在基片上。图1是实施例一的I^2Zr2O7缓冲层的X射线衍射图谱。它在33. 167°存在一个衍射峰，即Lii2Zr2O7 (400)，并且无Lii2Zr2O7其他杂峰，表明Lii2Zr2O7缓冲层薄膜存在很强的面外织构。图2是实施例一 LaJr2O7缓冲层的3000倍扫描电子显微镜(SEM)照片。由图2可知薄膜样品表面平整、致密，无洞无缝。由此可知此实施例一制备出了织构良好，表面致密平整的LaJr2O7缓冲层薄膜。实施例二本例的制备方法依次由以下步骤构成a、无水溶液制备按镧、锆的离子数量比等于1 1的比例，取硝酸镧 (La(NO3)3- 6H20)和硝酸锆(Zr(NO3)4. 5H20)，溶解在乙二醇甲醚中，形成无水溶液；b、胶体制备在a步的无水溶液中加入聚乙二醇-20000形成胶体；C、胶体涂敷与干燥将b步制得的胶体涂覆在双轴织构NiW合金基片上；d、热分解处理将涂敷有胶体的基片置于烧结炉中，并在H2体积含量为5%的 H2-Ar混合气气氛中，使炉温从室温以0. 70C /min的速度升至400°C、再以1. 2°C /min的速度升至670°C保温0. 5小时，然后让炉自然降温至室温；e、烧结成相将热分解处理后的基片放入烧结炉中，在H2体积含量为5%的H2-Ar 混合气气氛中，再将炉温以40°C /min的速度升至1120°C，保温40分钟，然后让炉自然降温至室温，即得。本例a步中硝酸镧、硝酸锆和乙二醇甲醚的用量比为硝酸镧和硝酸锆的总量为1 摩尔时，乙二醇甲醚的体积为1. 5升，b步中的聚乙二醇-20000的加入量为胶体总质量的4%。本例c步中将胶体涂覆在涂层导体的双轴织构NiW合金基片上的具体作法为将胶体滴在基片上，用勻胶机旋转，使胶体均勻涂覆在基片上。图3是实施例二的I^2Zr2O7缓冲层的X射线衍射图谱。它在33. 167°存在一个衍射峰，即Lii2Zr2O7 (400)，并且Lii2Zr2O7 (222)峰非常弱小，表明Lii2Zr2O7缓冲层薄膜存在很强的面外织构。图4是实施例二的Lii2Zr2O7缓冲层的3000倍扫描电子显微镜(SEM)照片。由图4 可知薄膜样品表面平整、致密，无洞无缝。由此可知，本实施例制备出了织构良好，表面致密平整的LaJr2O7缓冲层薄膜。实施例三本例的制备方法依次由以下步骤构成a、无水溶液制备按镧、锆的离子数量比等于1 1的比例，取硝酸镧 (La(NO3)3- 6H20)和硝酸锆(Zr(NO3)4. 5H20)，溶解在乙二醇甲醚中，形成无水溶液；b、胶体制备在a步的无水溶液中加入聚乙二醇-20000形成胶体；C、胶体涂敷与干燥将b步制得的胶体涂覆在双轴织构NiW合金基片上；d、热分解处理将涂敷有胶体的基片置于烧结炉中，并在H2体积含量为5%的 H2-Ar混合气气氛中，使炉温从室温以0. 70C /min的速度升至420°C、再以1. 4°C /min的速度升至700°C保温0. 5小时，然后让炉自然降温至室温；e、烧结成相将热分解处理后的基片放入烧结炉中，在H2体积含量为5%的H2-Ar 混合气气氛中，再将炉温以100°c /min的速度升至1130°C，保温30分钟，然后让炉自然降温至室温，即得。本例a步中硝酸镧、硝酸锆和乙二醇甲醚的用量比为硝酸镧和硝酸锆的总量为 1摩尔时，乙二醇甲醚的体积为3升，b步中的聚乙二醇-20000的加入量为胶体总质量的
本例c步中将胶体涂覆在涂层导体的双轴织构NiW合金基片上的具体作法为将胶体滴在基片上，用勻胶机旋转，使胶体均勻涂覆在基片上。图5是实施例三的I^2Zr2O7缓冲层的X射线衍射图谱。它在33. 167°存在一个衍射峰，即Lii2Zr2O7 (400)，并且无Lii2Zr2O7其他杂峰，表明Lii2Zr2O7缓冲层薄膜存在很强的面外织构。图6是实施例三的Lii2Zr2O7缓冲层的3000倍扫描电子显微镜(SEM)照片。由图 6可知薄膜样品表面平整、致密，无洞无缝。由此可知此实施例一制备出了织构良好，表面致密平整的LaJr2O7缓冲层薄膜。本发明的LaJr2O7涂层导体缓冲层的制备过程中使用的乙二醇甲醚其纯度达到 99. 5%以上即可，也即使用化学纯的乙二醇甲醚即可。整个烧结过程中，烧结炉中通入5% H2-Ar混合气，混合气中的氢气和氩气的纯度最好为99. 99%，制成品的性能能得到保证；否则，制成品的性能将会降低。
权利要求
1.一种在双轴织构NiW合金基片上制备高温超导涂层导体LaJr2O7缓冲层薄膜的方法，其步骤是a、无水溶液制备按镧、锆的离子数量比等于1 1的比例，取硝酸镧(La(NO3)3. 6H20) 和硝酸锆(Zr(NO3)4. 5H20)，溶解在乙二醇甲醚中，形成无水溶液；b、胶体制备在a步的无水溶液中加入聚乙二醇-20000形成胶体；c、胶体涂敷与干燥将b步制得的胶体涂覆在双轴织构NiW合金基片上；d、热分解处理将涂敷有胶体的基片置于烧结炉中，并在H2体积含量为5%的H2-Ar混合气气氛中，使炉温从室温以0. 70C /min的速度升至340°C _420°C、再以1. 0-1. 4°C /min 的速度升至600°C -700°C保温0. 5小时，然后让炉自然降温至室温；e、烧结成相将热分解处理后的基片放入烧结炉中，在H2体积含量为5%的H2-Ar混合气气氛中，再将炉温以25-100°C /min的速度升至1100°C _1130°C，保温30-50分钟，然后让炉自然降温至室温，即得。
2.如权利要求1所述的制备高温超导涂层导体LaJr2O7缓冲层薄膜的方法，其特征是所述a步中硝酸镧、硝酸锆和乙二醇甲醚的用量比为硝酸镧和硝酸锆的总量为1摩尔时，乙二醇甲醚的体积为0. 5-3升，b步中的聚乙二醇-20000的加入量为胶体总质量的 3% -5%。
3.如权利要求1所述的制备高温超导涂层导体LaJr2O7缓冲层薄膜的方法，其特征是 所述c步中将胶体涂覆在涂层导体的双轴织构NiW合金基片上的具体作法为将胶体滴在基片上，用勻胶机旋转，使胶体均勻涂覆在基片上。
全文摘要
本发明公开了一种在双轴织构NiW合金基片上制备高温超导涂层导体La2Zr2O7缓冲层薄膜的方法，包括以下步骤将硝酸镧(La(NO3)3.6H2O)和硝酸锆(Zr(NO3)4.5H2O)溶解在乙二醇甲醚中，形成无水溶液；向无水溶液中加入聚乙二醇-20000(polyethylene glycol，PEG-20000)，制成成膜性好的胶体；再将胶体涂覆在双轴织构NiW合金基片上，随后放入烧结炉中烧结成相，即得镧锆氧(La2Zr2O7)高温超导涂层导体缓冲层。该方法的制作成本低，易制得高品质的La2Zr2O7薄膜，能有效地发挥涂层导体缓冲层的作用。
文档编号H01L39/24GK102509764SQ20111034251
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月2日 优先权日2011年11月2日
发明者张勇, 张敏, 张欣, 王文涛, 程翠华, 赵勇, 雷鸣 申请人:西南交通大学