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发信人: sunzy (热气球*告别年代), 信区: material
标  题: 文献综述－二 国内外研究现状与进展
发信站: 听涛站 (Sun Apr  1 00:17:28 2001), 转信

自从高温超导材料发现以后，研究人员尝试用各种方法制造可以实际应用的超导线材。
到1995年，真正能够实际应用并且被认为有发展前途的高性能低造价的工艺有两类：银
包套粉末技术（OPIT）和覆膜导体技术（Coated Conductor）。前者发展工艺成熟，适
合规模化生产；后者具有良好的应用前景，在未来的5到10年里随着进一步完善工艺，它
能提供更好的性能和更低的成本。当长带的工业化生产成为可能时，它将会成为超导导
体技术的主流。
而且，这两种技术有一个共同的特性，无论是银包套粉末还是覆膜技术都需要在最终的
超导体中产生强织构，使得超导晶粒具有一致良好的取向，以允许更大的电流无阻碍地
通过，获得高的临界电流密度。这是在高温超导体的研制中所要遵循的一个重要原则。
对于OPIT工艺，由于Bi系超导相晶粒本身就是片状，通过拉拔和滚轧就能得到良好的一
致取向，消除晶界的弱连接（weak link）[1]。如图2所示。
对于覆膜工艺，Y系123超导相由于不具备片状的结构，难以通过上述手段得到一致的取
向。目前的方法是通过在基底材料（如Ag、Ni）上做出好的织构，考虑晶体常数的兼容
性，将织构一步一步“传递”到阻挡层、超导                 图2 Bi系晶粒与弱连接

层。使得Y系超导相也具有很好的的取向[2]。由于工艺上的差别，OPIT线材达到千米量
级，而覆膜导体达到米级在目前都是非常困难的。
1银包套粉末技术
银包套粉末技术目前得到了广泛的应用和研究，它制造工艺并不十分复杂，成本可以接
受，在低场条件下，它的各项重要技术参数在目前都是最高的，是目前制造超导电缆的
主导工艺。据2000年的报道：Bi-2223（OPIT）长带的TC值为110K，JC为25KA/cm2，Je为
7KA/cm2，预计到2003年，临界电流值会分别提高到50和25KA/cm2。Bi-2223长线已经可
以达到1000米－1500米。具体的工艺流程如图3所示：
图3 银包套粉末技术工艺流程
文献[1]报道的目前的技术水平见表1：
表1 Bi系带材目前的工艺水平和性能指标
目前该工艺应用广泛，但是其缺点也是很显然的。为了得到好的晶体取向，银包套粉末
工艺采用机械手段压制银管内的超导材料粉末，不可避免在压制过程中超导粉末与金属
内壁产生一系列物理和化学的变化，降低了线材的超导性能；而且在有外磁场的环境中
，其性能也会迅速下降。
2 覆膜导体技术
YBCO覆膜导体是薄膜生长工艺取得重大进展的另一个领域。采用Y-123超导相具有很多优
点：
●临界电流密度很高，取向生长良好的YBCO超导体的JC值一般在1MA/cm2以上；
●具有较好的高场性能。与传统的Bi系超导体在磁场条件下性能的下降趋势如图4所示；

● 交流损耗低等。
图4 磁场条件下不同超导体的性能下降曲线
但是由于Y-123超导相极小的相干长度 ,晶界本身本征是弱连接，一般情况下超导膜不是
外延生长的，晶粒的平面内取向无规则，垂直于平面的取向也差，存在大量由大角度晶
界形成的弱连接。即使Y系超导相本身具有很好的超导传输特性，由于弱连接的存在，在
晶界处形成传输的“瓶颈",严重降低了临界电流密度。对于Y系超导体来说，单轴排列的
Y-123膜（c轴垂直于基板）很容易在多晶基板上生长，但是在由a轴和b轴确定的平面内
，如果晶界随机的错排，超导性能将大幅度下降，导致了通过的电流密度大大降低。所
以，由于制造 YBCO柔性带材存在JC值低、弱连接和机械性能差的问题 ,必须采用在强织
构化的柔性金属衬底上实现薄膜沉积的技术 ,将YBCO膜沉积在织构基底上，形成双轴取
向结构（即晶粒的c轴和a-b面都有良好的取向。见图5），把YBCO的晶界取向差控制在几
度范围内（一般小于5(），这样才能得到可输送电力的高JC超导长带。[4]
目前制造YBCO覆膜导体的方法很多，可分为真空方法和非真空方法两大类:
1 真空方法：
YBCO覆膜导体在液氮温区有较强的本征钉扎特性，近几年人们发展了多种在柔性金属带
材（如Ag、Ni等）上沉积YBCO厚膜第二代带材的方法，目前比较成功的有“离子束辅助
沉积”(IBAD，美国LANL，日本富士材料研究室)和“轧制辅助双轴织构"（RABiTS，美国
ORNL）等方法，能够获得高JC带材。这些方法，一般在柔性金属带上沉积一层择优取向
生长的CeO2，再沉积一层择优取向生长的YSZ（钇稳定氧化锆），由于YSZ和YBCO的晶格
点阵非常接近(YBCO正交相:a＝0.382nm，YSZ:a/=0.365[5])，并且具有良好的化学稳定
性，它一方面可以诱导YBCO晶体取向生长，另一方面又做为阻挡层防止YBCO与金属基带
反应。在阻挡层上就可以沉积生成织构良好的YBCO超导层。（见图6）
图6  Y－123覆膜导体示意图
IBAD方法是一种“排列”的方法，一般与脉冲激光沉积方法（PLD）联合使用。当一离子
束轰击一群晶粒时，相对离子束取向不同的晶粒被溅射的速率也是不同的。在淀积缓冲
层过程中，就可以利用这一机制选择性地抑制不需要的晶粒生长而将所需晶向的织构阻
挡层气相沉积到基带上，再利用激光沉积的方法在阻挡层上做出取向良好的超导膜[6]。
考虑到热膨胀系数匹配的问题，早期的IBAD方法一般选用随机取向的哈斯特洛伊合金（
hastolly alloy）作为沉积基带，现在这种方法的基带选择也比较多，使用强织构晶格
匹配良好的材料作为基带能使超导性能进一步提高。
RABiTS方法则是一种“生长”的方法，它是通过对基底金属的轧制和热处理以获得很强
的立方织构，金属基底一般为Ni或Ni合金，（退火后的金属基底具有{100}<001>取向，
其取向差很小，类似于单晶），然后在基底上沉积适当的缓冲层，形成良好的双轴织构
。[7]
其他制备阻挡层和超导膜的方法还有MOCVD、MBS、ISD、SOE、E－beam等。研究人员努力
的目标是在保证较高临界电流密度的基础上开发简单、可靠、成本低的制造YBCO长带材
的方法。据日本金属研究所（Material Technology Laboratory）的报告，目前用各种
方法制造Y－123覆膜导体的进展和成果如表所示：[4]
表2 Y-123覆膜导体研究进展
真空方法的优点是成膜质量好、临界电流密度大，但是到目前为止，以上的覆膜导体工
艺还是局限在实验室中，其导线长度不到一米，设备和工艺成本都很高。虽然真空覆膜
技术在短线性能上已经十分出色，JC达到105－106A/cm2（77K，0T）左右，超过了OPIT
工艺的水平，而其JC(B)特性则远优于OPIT/BSCCO。但是由于成本和工艺连续性的问题，
真空方法制备覆膜超导体距离大规模生产和工业应用，显然还有很长的路要走。
2 厚膜非真空方法：
如前文所述，高温超导体走向应用领域的最大障碍是它的性能价格比，这个指标可以用
一米长并且可以承载1000A电流的导线的成本（$/KAm）来量化。A.P.Malozemoff预测当
每米长的超导线材成本低于10美元时，它就很有可能大范围地取代目前广泛应用的铜导
线[8]。可是基于真空系统的YBCO超导薄膜技术几乎不可能达到这个目标，这是由于真空
技术的几个缺点：●成本高、●效率低、●连续生产困难造成的。因此，开发一种新的
低成本覆膜导体技术在目前是很有挑战性的。使用双轴取向Ni而不是用 Ag做基带是降低
成本的第一步；使用低成本的溶液沉积法而不是使用真空方法 (如磁控溅射 ,电子束沉
积等) 沉积阻隔层和 YBCO超导层也可以降低成本。另外超导层一般有几个微米厚，是阻
隔层厚度的10倍左右 ,因此降低沉积超导层的成本更是关键。[9]
与采用气相沉积和离子束沉积制备超导薄膜的方法不同，传统的厚膜工艺不需要真空系
统，而且采用厚膜工艺，膜厚可以达到0.5微米以上。非真空厚膜工艺的优点在于速度快
、效率高、成本低廉、可较大规模生产。但其生长而成的微观结构使得其超导性能很难
达到用真空沉积的方法制备的薄膜。但是从另一方面说，超导工业应用的最终目标是提
供足够大的临界电流。所以通过增加膜的厚度可以抵消其微观结构的缺陷和由此而导致
的比较低的临界电流密度对超导电流强度的影响。目前超导膜的厚度已经可以达到几个
微米。美国阿拉莫斯国家实验室（LANL）近几年的实验成果和预期目标见表3。从这个角
度来说，厚膜非真空工艺虽然无法做到非常好的微观结构，但从实际应用的角度来说是
可行的。
表3 LANL覆膜方法实验成果和预期目标

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