新型Cu-Ni双金属层基带制备及CSD技术制备LZO缓冲层

论文摘要

十世纪90年代初,美国和日本的研究人员在织构化的柔性金属基带上成功地沉积了具有良好超导性能的YBCO超导层。这种工艺技术为制备YBCO超导带材提供了新的思路,这种新型的复合带材被称为涂层导体。涂层导体的基本结构可分为金属基带、缓冲层、YBCO超导层和保护层。由于涂层导体比Bi-2223/Ag带材具有更好的高场超导性能,近十年来研发涂层导体制备技术吸引了众多的材料研究者。目前对涂层导体制备技术的研究主要集中在研发低磁、高机械强度、具有锐利立方织构的金属基带,简化缓冲层结构和开发低成本高性能YBCO层制备技术几个方面。本论文以开发低成本涂层导体制备技术为指导思想,对采用电化学沉积技术在具有立方织构的铜基带上沉积镍层、进而开发一种新型涂层导体用Cu-Ni双金属层基带和化学溶液沉积技术制备La2Zr207（LZO）缓冲层进行了深入的研究从降低交流损耗的角度考虑,无磁性的Cu是一种较好的涂层导体用金属基带材料。但是Cu作为基带材料具有织构热稳定性不好和抗氧化性差的缺点。通过在其表面沉积Ni层可以加以克服。这种新型Cu-Ni双金属层基带在随后制备缓冲层或YBCO超导层的热处理过程中,Cu、Ni层之间的互扩散可降低基带磁性。在本论文中,首先研究了采用轧制-再结晶热处理技术制备具有立方织构的Cu带,具体分析了总轧制加工率、道次加工率、再结晶处理温度和时间等过程参数对Cu带方织构锐利度的影响,以及分析了在样品纵断面上的织构不均匀性。然后对利用电沉积技术在具有立方织构的Cu带表面沉积织构化的Ni层进行了研究,重点讨论了不同沉积条件对Ni层织构的影响,以及形成立方织构Ni沉积层的条件。实验结果显示：最终再结晶处理前的轧制加工率必须大于临界值才能获得高体积分数的立方织构,其他轧制-再结晶热处理过程参数仅对立方织构锐利度有一定影响。Ni层织构不仅受到电沉积参数的影响,Cu基带表面的特征也将影响Ni层的织构。对Cu-Ni双金属基带磁滞回线的测试结果显示该金属基带所引起的磁滞损耗小于Ni-5at%W合金基带所产生的磁滞损耗。缓冲层所必需承担的织构传递和扩散阻隔两大功能决定了缓冲层结构多是由多种氧化物层组成的复合结构。众多的缓冲层结构中,La2Zr2O7/CeO2结构受到了越来越多的关注。本论文在对制备LZO膜用前驱溶液的分解特性、成相过程研究的基础上,对化学溶液沉积技术制备LZO膜的各影响因素进行了全面分析。首先,以自行提出的一种金属基带表面硫化改性处理技术为基础,讨论了金属基带再构表面对化学溶液沉积技术制备的LZO膜外延生长的影响。指出无法单独通过表面硫化改性处理技术改善LZO膜的外延生长情况,但进一步的研究说明c（2×2）-S超结构可以有效地控制在金属基带表面形成的LZO初生晶层的取向。这对稳定获得具有立方织构的LZO膜十分重要。其次,对LZO膜的外延生长限制因素的研究结果显示,晶化前的LZO膜中已经存在的残留碳对LZO膜的最终织构有着重要的影响。积碳对最终LZO膜织构的影响取决于积碳在LZO前驱膜中的分布情况。锐利的积碳分布梯度有利于在金属基带上获得具有高立方织构体积分数、表面结晶度和表面取向具佳的LZO膜。最后,利用相似的沉积过程在LZO膜表面成功制备了具有立方织构的CeO2膜充分说明LZO膜具有良好的表而特性。通过本论文的研究,成功开发出一种新型涂层导体用低磁性Cu-Ni双金属层基带,同时利用化学溶液沉积技术、在较低热处理温度条件下,直接在Ni基金属基带（Cu-Ni双金属基带、Ni-5at%W合金基带）上成功制备出具有良好表面特性（表面织构、表面结晶度）的La2Zr2O7缓冲层。这些结果对开发全套低成本、高性能涂层导体制备技术提供了坚实的实验基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 涂层导体
• 1.2 涂层导体的结构与各子结构的功能
• 1.3 各子结构材料选择要求和制备工艺
• 1.3.1 基带
• 1.3.1.1 基带材料
• 1.3.1.2 制备技术
• 1.3.1.3 基带特性
• 1.3.1.4 小结
• 1.3.2 缓冲层
• 1.3.2.1 缓冲层材料及其要求
• 1.3.2.2 制备技术
• 1.3.2.3 小结
• 1.3.3 YBCO层
• 1.3.3.1 TFA-MOD技术
• 1.3.3.2 其它工艺技术
• 1.3.3.3 小结
• 1.4 论文的研究目的和主要研究内容
• 1.4.1 Cu-Ni双金属层基带
• 2Zr₂O₇缓冲层'>1.4.2 化学溶液沉积技术制备La₂Zr₂O₇缓冲层
• 1.4.2.1 金属基带的表面改性
• 2Zr₂O₇缓冲层'>1.4.2.2 化学溶液沉积技术制备La₂Zr₂O₇缓冲层
• 第二章 立方织构Cu基带
• 2.1 前言
• 2.2 实验过程
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 轧制过程
• 2.3.1.1 加工率对立方织构形成的影响
• 2.3.1.2 轧态样品织构不均匀性
• 2.3.1.3 道次加工率的影响
• 2.3.1.4 轧制方向对Cu带立方织构的影响
• 2.3.2 再结晶处理过程
• 2.3.2.1 轧前热处理对Cu带立方织构的影响
• 2.3.2.2 再结晶温度对Cu带立方织构的影响
• 2.3.2.3 再结晶处理时间对Cu带立方织构的影响
• 2.3.3 Cu带立方织构的均匀性
• 2.3.4 Cu带表面抛光技术
• 2.4 小结
• 第三章 电化学沉积立方织构Ni层
• 3.1 前言
• 3.2 实验过程
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 电化学过程对Ni层织构的影响
• 3.3.1.1 阴极电位对Ni层织构的影响
• 3.3.1.2 镀液pH值对Ni层织构的影响
• 3.3.1.3 电沉积温度对Ni层织构的影响
• 3.3.1.4 Cu基带表面特征对Ni层织构的影响
• 3.3.2 Cu-Ni双金属层基带立方织构热稳定性以及磁性能
• 3.3.2.1 热处理对Cu-Ni双金属层基带立方织构的影响
• 3.3.2.2 Cu-Ni双金属层基带的磁性能
• 2Zr₂O₇缓冲层'>3.3.3 在Cu-Ni双金属层基带上制备La₂Zr₂O₇缓冲层
• 3.4 小结
• 2Zr₂O₇膜'>第四章 采用化学溶液沉积技术在康铜合金表面制备La₂Zr₂O₇膜
• 4.1 前言
• 4.2 实验过程
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 前驱溶液制备
• 4.3.1.1 溶剂选择
• 4.3.1.2 溶液体系热分解行为
• 4.3.1.3 溶液体系成相行为研究
• 4.3.2 康铜合金表面制备LZO膜的工艺研究
• 4.3.2.1 热处理温度对LZO膜形成的影响
• 4.3.2.2 溶液浓度对LZO膜织构的影响
• 4.3.2.3 热处理时间对LZO膜织构的影响
• 4.3.2.4 热处理升温速度对LZO膜织构的影响
• 4.4 小结
• 第五章 金属基带表面硫化改性处理
• 5.1 前言
• 5.2 实验设计思路
• 5.3 实验过程
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 硫化处理制度Ⅰ
• 5.4.1.1 康铜合金基带
• 5.4.1.2 Ni-5at%W合金基带
• 5.4.2 硫化处理制度Ⅱ
• 5.4.2.1 康铜合金基带
• 5.4.2.2 Ni-5at%W合金基带
• 5.4.3 c（2×2）超结构对LZO膜织构的影响
• 5.5 小结
• 第六章 改善LZO膜的外延生长
• 6.1 前言
• 6.2 实验过程
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 对LZO前驱膜分解过程产生气体的相关热力学分析
• 6.3.2 LZO膜外延生长条件控制
• 6.3.2.1 载流气体流速对LZO膜生长的影响
• 6.3.2.2 提高热处理过程氧分压对LZO膜生长的影响
• 6.3.2.3 热处理过程系统总压对LZO膜生长的影响
• 6.3.3 积碳对LZO膜外延生长的影响
• 6.3.4 LZO膜的特性研究
• 6.3.4.1 LZO膜的晶体结构
• 6.3.4.2 LZO膜的织构锐利度、表面特性分析
• 2层'>6.3.5 化学溶液沉积技术制备CeO₂层
• 6.4 小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文