内容简介
《第二代高温超导带材实用化关键技术》针对第二代高温超导带材在实际应用中的关键技术和方法进行详细介绍，内容涵盖实用化超导材料概况、材料制备技术、临界电流测量技术以及关键应用技术等方面的*新研究进展。
精彩书摘
第1章 绪论
超导是凝聚态物质的一种宏观量子凝聚效应，具有零电阻和完全抗磁等一系列*特的电磁特性。它涉及凝聚态物理中许多基本概念和*前沿的问题，以其*特的魅力引起世界范围内物理学家的广泛关注。
超导研究一方面聚焦于基础前沿，以澄清高温超导机理为导向，加速探索具有更高超导转变温度的超导材料乃至室温超导体。近十年来，超导前沿基础研究不断获得新进展，取得了重大突破。2017年麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)的研究团队发现魔角石墨烯的超导性，2019年德国马普化学研究所科学家团队报道了超导临界转变温度为250K的氢化镧化合物，都引起了广泛关注。超导研究另一方面侧重于技术应用，以开发新型实用超导材料、提升材料性能、提高***为基础，与能源、电力系统、高速磁浮、极高灵敏度探测、高性能信号处理和计算等前沿技术深度融合。超导实用技术研究不断取得关键突破，在全球掀起新一轮热潮，迎来重大发展机遇。
1.1 实用化超导材料简介
超导现象发现至今已有一百多年的历史，在此期间，超导材料研究经历了从简单金属到合金，再到复杂化合物的过程，超导转变温度也逐渐提升。在对这些材料的探索过程中，对超导机理的理解也不断更新。这些研究促进了超导技术的发展以及实用化超导材料的广泛应用。本节将从超导材料的发展概况、超导材料的基本特性以及超导材料的实用化要求这三方面做详细介绍。
1.1.1 超导材料的发展概况
1908年，荷兰科学家海克？卡末林？昂内斯将*后一个气体氦液化成功，获得了4.2K低温环境。1911年，他研究了容易纯化的汞在该温区的电阻行为，结果发现汞的电阻在4.2K时突然下降至零，如图1.1所示。昂内斯将这种新现象称为超导现象，昂内斯也凭此获得了1913年的诺贝尔物理学奖[1]。随后，他又发现除汞以外，铅和锡等金属也同样具有超导特性。同时，还发现从有电阻状态(常导态)向超导状态转变的温度Tc(超导转变温度)是一个材料的本征特性。
通常情况下，电子在定向运动时会与金属晶格碰撞，形成电阻。1957年，巴丁、库珀和施里弗提出著名的BCS理论(Barden-Copper-Schrieffer theory)[2]，即具有相反自旋和动量的电子对通过与晶格振动声子的交换作用，互相吸引形成库珀对(Cooper pair)。这个库珀对可以在晶格中无阻碍传输，被认为是超导的机制。超导转变温度的存在，则是因为较高温度下更强的晶格振动对库珀对造成破坏。三人也因此荣获1972年的诺贝尔物理学奖。
在超导现象发现后，科学家一直致力于寻找具有高超导转变温度(Tc)的新超导体。但在此后长达75年的时间内所有已发现的超导体都只是在极低的温度(23K)下才表现出超导电性，如Pb的Tc为7.2K，Nb的Tc为9.5K，Nb3Sn的Tc为18K[3]。由于这些低温超导体只能工作在制冷成本较高的液氦温区，极大地限制了超导材料的应用。当时，美国科学家麦克米伦(McMillan)基于BCS理论计算，认为超导转变温度不太可能超过39K(234℃)，因此39K这个温度也被称为“麦克米伦极限”。
直到1986年，位于瑞士苏黎世的国际商用机器(International Business Machines Corporation，IBM)研究实验室的Bednorz和Müller[4]发现了Tc超过30K的La-Ba-Cu-O氧化物超导体。随后，赵忠贤等[5]和Wu等[6]又分别发现了超导转变温度达到93K的Y-Ba-Cu-O超导材料，突破了“麦克米伦极限”，实现了超导体在液氮温区应用的历史性突破，也在全球掀起了一股探索新型高温超导体的热潮。1988年初，日本研制成功Tc达110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超导体[7]。随后，Sheng和Hermann[8]又进一步发现了Tc为125K的Tl-Ba-Ca-Cu-O超导体。此外，法国科学家发现了Tc为135K的Hg-Ba-Ca-Cu-O超导体[9]。由于液氮制冷设备简单，其价格仅相当于液氦的1/100，这些铜氧化物高温超导体的发现极大地推动了超导应用技术的发展。
后来又陆续有新的超导材料被发现，如图1.2所示。2001年，日本科学家Nagamatsu等[10]发现了Tc为39K的MgB2；2008年，超导家族迎来了全新铁基超导材料，其Tc为55K[11]。2018年，麻省理工学院的研究人员发现将两片叠放在一起的石墨烯交错至一个特殊的“魔角”，便表现出Tc为1.7K的超导特性[12]。目前，Tc*高的超导材料是2019年德国马普化学研究所发现的LaH10化合物，在220GPa高压下Tc可达到250K[13]。这些研究成果为理解铜氧化物的超导机理提供了新的线索。
超导体的分类并没有统一的标准，通常分类方法有以下几种。
(1)根据超导转变温度可以分为高温超导体和低温超导体，国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)定义超导转变温度在25K以上的材料为高温超导体，25K以下的材料为低温超导体。
(2)根据化学组成可分为金属超导体(又可分为元素、合金、化合物等超导体)、陶瓷超导体、有机超导体以及半导体或绝缘超导体等四大类。典型金属类有Nb、Pb、NbTi、Nb3Sn、MgB2等；陶
目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 实用化超导材料简介 1
1.1.1 超导材料的发展概况 1
1.1.2 超导材料的基本特性 3
1.1.3 超导材料的实用化要求 5
1.2 REBCO超导材料的基本特性 7
1.2.1 YBCO晶体结构 7
1.2.2 涂层导体基本结构 9
1.2.3 双轴织构基带制备路线 10
1.3 第二代高温超导带材国内外发展趋势 13
1.3.1 超导带材批量化制备技术 13
1.3.2 超导带材强磁通钉扎机制 14
1.3.3 超导带材实用化技术 16
参考文献 18
第2章 第二代高温超导带材织构模板技术 22
2.1 YBCO外延衬底的选择 22
2.2 第二代高温超导带材金属柔性基带技术 24
2.2.1 RABiTS技术路线 24
2.2.2 IBAD技术路线 35
参考文献 43
第3章 REBCO超导层主要制备技术一：脉冲激光沉积法 50
3.1 脉冲激光沉积原理 51
3.1.1 激光与靶材的相互作用 51
3.1.2 等离子体的膨胀 53
3.1.3 薄膜的沉积 54
3.2 脉冲激光沉积装备 55
3.2.1 激光和准分子激光 55
3.2.2 激光光路 55
3.2.3 沉积腔体 57
3.3 国际主要机构高温超导带材工业化生产路线 58
3.3.1 日本国际超导技术中心 58
3.3.2 日本Fujikura公司 59
3.3.3 德国布鲁克高温超导有限公司 60
3.3.4 俄罗斯/日本SuperOx公司 62
3.3.5 中国上海超导科技股份有限公司 63
3.4 脉冲激光沉积法*新研究进展 64
3.4.1 液相辅助快速生长 64
3.4.2 人工钉扎 68
3.4.3 厚度效应 73
参考文献 76
第4章 REBCO超导层主要制备技术二：金属有机盐热分解法 81
4.1 化学溶液沉积技术概述 81
4.1.1 前驱液的合成 81
4.1.2 涂覆 85
4.1.3 热处理 85
4.2 钙钛矿结构纳米颗粒掺杂TFA-YBCO薄膜的研究 88
4.2.1 纳米BaZrO3颗粒掺杂的YBCO复合薄膜 88
4.2.2 纳米Ba2YTaO6颗粒掺杂的YBCO薄膜 90
4.2.3 纳米颗粒掺杂制备TFA-YBCO薄膜形核机制及其钉扎机理 94
4.3 FF-MOD技术制备YBCO薄膜的研究 101
4.3.1 YBCO薄膜制备——温度和氧含量的协同影响 101
4.3.2 YBCO薄膜显微结构和超导电性 104
4.4 FF-MOD技术制备YBCO薄膜的生长机制研究 106
4.4.1 相演变过程分析 106
4.4.2 YBCO薄膜生长动力学分析 107
4.4.3 YBCO薄膜形核与生长模型 108
参考文献 113
第5章 REBCO超导层主要制备技术三：金属有机化学气相沉积法 118
5.1 REBCO超导层的金属有机化学气相沉积法原理 118
5.1.1 MOCVD外延生长技术 118
5.1.2 应用于REBCO薄膜带材的MOCVD的特点 119
5.2 提升REBCO带材临界电流特性的方法 132
5.2.1 成分优化 132
5.2.2 稀土元素替代和组合 134
5.2.3 掺杂引入磁通钉扎体的微结构的调控 136
5.2.4 再生长技术 139
5.3 金属有机化学气相沉积法研究进展 139
5.3.1 REBCO带材产业化制备技术发展的里程碑 139
5.3.2 国内外研究进展比较 144
5.3.3 待解决的问题和展望 146
参考文献 149
第6章 高温超导带材临界电流测量 155
6.1 高温超导带材临界电流测量的原理和分类 155
6.1.1 临界电流密度与测量 155
6.1.2 临界电流测量方法的分类 157
6.2 直流传输法测量临界电流 160
6.2.1 直流传输法的特点 160
6.2.2 直流传输法与长带连续测量 163
6.3 磁化法测量临界电流 163
6.3.1 直流磁场磁化法 163
6.3.2 交流磁场磁化法 166
6.3.3 磁化法与长带连续测量 169
6.4 脉冲电流法测量临界电流 172
6.4.1 脉冲电流阻性电压测量方法 172
6.4.2 脉冲电流感性电压测量方法 173
6.4.3 脉冲电流感应法与长带连续测量 179
参考文献 180
第7章 高温超导集束缆线 184
7.1 高温超导集束缆线研究现状 184
7.1.1 Reobel型高温超导集束缆线 184
7.1.2 堆叠型高温超导集束缆线 185
7.1.3 螺旋缠绕型高温超导集束缆线 187
7.1.4 STAR型高温超导集束缆线 191
7.1.5 CORT型高温超导集束缆线 193
7.2 窄丝化工艺对集束缆线性能的影响 193
7.2.1 高温超导带材的窄丝化工艺 193
7.2.2 窄丝化技术对CORC型集束缆线交流损耗的影响 196
7.2.3 窄丝化前后CORC型集束缆线磁化损耗对比分析 197
7.2.4 窄丝化堆叠超导缆线的交流损耗特性 204
7.3 窄丝化堆叠超导缆线技术对磁体屏蔽电流效应的影响 205
7.3.1 线圈设计绕制和基本参数 206
7.3.2 实验测量 209
参考文献 211
第8章 REBCO高温超导
试读
第1章 绪论
超导是凝聚态物质的一种宏观量子凝聚效应，具有零电阻和完全抗磁等一系列*特的电磁特性。它涉及凝聚态物理中许多基本概念和*前沿的问题，以其*特的魅力引起世界范围内物理学家的广泛关注。
超导研究一方面聚焦于基础前沿，以澄清高温超导机理为导向，加速探索具有更高超导转变温度的超导材料乃至室温超导体。近十年来，超导前沿基础研究不断获得新进展，取得了重大突破。2017年麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)的研究团队发现魔角石墨烯的超导性，2019年德国马普化学研究所科学家团队报道了超导临界转变温度为250K的氢化镧化合物，都引起了广泛关注。超导研究另一方面侧重于技术应用，以开发新型实用超导材料、提升材料性能、提高***为基础，与能源、电力系统、高速磁浮、极高灵敏度探测、高性能信号处理和计算等前沿技术深度融合。超导实用技术研究不断取得关键突破，在全球掀起新一轮热潮，迎来重大发展机遇。
1.1 实用化超导材料简介
超导现象发现至今已有一百多年的历史，在此期间，超导材料研究经历了从简单金属到合金，再到复杂化合物的过程，超导转变温度也逐渐提升。在对这些材料的探索过程中，对超导机理的理解也不断更新。这些研究促进了超导技术的发展以及实用化超导材料的广泛应用。本节将从超导材料的发展概况、超导材料的基本特性以及超导材料的实用化要求这三方面做详细介绍。
1.1.1 超导材料的发展概况
1908年，荷兰科学家海克？卡末林？昂内斯将*后一个气体氦液化成功，获得了4.2K低温环境。1911年，他研究了容易纯化的汞在该温区的电阻行为，结果发现汞的电阻在4.2K时突然下降至零，如图1.1所示。昂内斯将这种新现象称为超导现象，昂内斯也凭此获得了1913年的诺贝尔物理学奖[1]。随后，他又发现除汞以外，铅和锡等金属也同样具有超导特性。同时，还发现从有电阻状态(常导态)向超导状态转变的温度Tc(超导转变温度)是一个材料的本征特性。
通常情况下，电子在定向运动时会与金属晶格碰撞，形成电阻。1957年，巴丁、库珀和施里弗提出著名的BCS理论(Barden-Copper-Schrieffer theory)[2]，即具有相反自旋和动量的电子对通过与晶格振动声子的交换作用，互相吸引形成库珀对(Cooper pair)。这个库珀对可以在晶格中无阻碍传输，被认为是超导的机制。超导转变温度的存在，则是因为较高温度下更强的晶格振动对库珀对造成破坏。三人也因此荣获1972年的诺贝尔物理学奖。
在超导现象发现后，科学家一直致力于寻找具有高超导转变温度(Tc)的新超导体。但在此后长达75年的时间内所有已发现的超导体都只是在极低的温度(23K)下才表现出超导电性，如Pb的Tc为7.2K，Nb的Tc为9.5K，Nb3Sn的Tc为18K[3]。由于这些低温超导体只能工作在制冷成本较高的液氦温区，极大地限制了超导材料的应用。当时，美国科学家麦克米伦(McMillan)基于BCS理论计算，认为超导转变温度不太可能超过39K(234℃)，因此39K这个温度也被称为“麦克米伦极限”。
直到1986年，位于瑞士苏黎世的国际商用机器(International Business Machines Corporation，IBM)研究实验室的Bednorz和Müller[4]发现了Tc超过30K的La-Ba-Cu-O氧化物超导体。随后，赵忠贤等[5]和Wu等[6]又分别发现了超导转变温度达到93K的Y-Ba-Cu-O超导材料，突破了“麦克米伦极限”，实现了超导体在液氮温区应用的历史性突破，也在全球掀起了一股探索新型高温超导体的热潮。1988年初，日本研制成功Tc达110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超导体[7]。随后，Sheng和Hermann[8]又进一步发现了Tc为125K的Tl-Ba-Ca-Cu-O超导体。此外，法国科学家发现了Tc为135K的Hg-Ba-Ca-Cu-O超导体[9]。由于液氮制冷设备简单，其价格仅相当于液氦的1/100，这些铜氧化物高温超导体的发现极大地推动了超导应用技术的发展。
后来又陆续有新的超导材料被发现，如图1.2所示。2001年，日本科学家Nagamatsu等[10]发现了Tc为39K的MgB2；2008年，超导家族迎来了全新铁基超导材料，其Tc为55K[11]。2018年，麻省理工学院的研究人员发现将两片叠放在一起的石墨烯交错至一个特殊的“魔角”，便表现出Tc为1.7K的超导特性[12]。目前，Tc*高的超导材料是2019年德国马普化学研究所发现的LaH10化合物，在220GPa高压下Tc可达到250K[13]。这些研究成果为理解铜氧化物的超导机理提供了新的线索。
超导体的分类并没有统一的标准，通常分类方法有以下几种。
(1)根据超导转变温度可以分为高温超导体和低温超导体，国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)定义超导转变温度在25K以上的材料为高温超导体，25K以下的材料为低温超导体。
(2)根据化学组成可分为金属超导体(又可分为元素、合金、化合物等超导体)、陶瓷超导体、有机超导体以及半导体或绝缘超导体等四大类。典型金属类有Nb、Pb、NbTi、Nb3Sn、MgB2等；陶
