名称
陕西师范大学 博士学位论文 单畴 GdBCO超导块材的研制及应用探索
GdBCO 这一化学式的中文读法为钆钡铜氧。以常用于特定材料领域的研究（如超导材料）
单畴 GdBCO 超导块材中的"单畴"，指的是整个超导材料内部是一个连续、没有晶界的大晶体。你可以把它想象成一块完全没有拼接痕迹、由单一晶粒构成的完美"水晶"。（准概念）这种结构对于获得优异的高温超导性能至关重要。
特征维度 "单畴"的具体含义 为何重要 宏观形貌 整个块材由单一的晶粒组成，内部没有晶界。通常在外观上可以看到以籽晶为中心的四重对称的十字形生长花纹。 晶界是阻碍超导电流的薄弱环节。单畴结构确保了超导电流可以在整个材料中无阻碍地流动，从而获得很高的整体临界电流。 微观结构 超导相（GdBa₂Cu₃O₇-δ，简称Gd123）的晶格取向高度一致。同时，作为磁通钉扎中心的非超导相颗粒（Gd₂BaCuO₅，简称Gd211）能够均匀、细小地分布在其中。 均匀细小的钉扎中心能有效"锁定"磁通线，极大地提升材料的磁通钉扎能力和在外场下的临界电流密度 维普 。 性能体现 表现为优越且均匀的宏观超导性能，如高的磁悬浮力 和捕获磁场。 这使得单畴块材在超导磁悬浮、飞轮储能等需要强磁场和大力度的应用中具有实用价值。 要实现这种理想的单畴结构，最关键的制备技术是 顶部籽晶法，主要包括 顶部籽晶熔融织构生长（TSMTG）和顶部籽晶熔渗生长（TSIG） 这个过程可以简单理解为：在原料的顶部放置一小块结构匹配、取向确定的晶体作为"种子"（籽晶）。在精确控制的温度下，块材内部的材料会以这颗籽晶为模板，外延生长出和籽晶取向完全一致的单个大晶粒，最终长满整个样品，形成单畴。
摘要
单畴RE-Ba-Cu-O（简称REBCO，其中RE为稀土元素Nd、Sm、Gd、Eu、Y、Yb等）高温超导块材具有较高的 临界温度 和 临界电流密度、较强的 捕获磁通 和较大的 磁悬浮力性能，以及良好的自稳定磁悬浮特性，在微型高场永磁体和超导磁悬浮等高新技术方面有着广泛的应用前景。GdBCO超导体便是高温超导家族中性能最好并最有可能早日投入实际应用的材料之一。
临界温度（Tc）是超导体从 正常态 转变为 超导态的最低温度，只有当环境温度低于（<）Tc时，材料才能展现零电阻和完全抗磁性等超导特性
这个温度门槛曾是超导技术发展的最大障碍：早期金属超导体（如汞）的Tc仅4.2K（-268.95℃），需依赖昂贵的液氦冷却；而1986年发现的铜氧化物高温超导体将Tc提升至液氮温区（77K，-196.15℃），显著降低了制冷成本。目前记录保持者是高压下的硫化氢（Tc≈203K），但实用化的高温超导体如GdBCO的Tc约90-100K，已能在液氮环境下稳定工作。
临界电流密度（Jc）：超导材料的"载流能力"
临界电流密度指超导体在特定温度和磁场下所能承载的最大电流密度，超过此值超导态会被破坏。它是衡量超导体实用化的核心指标，直接决定了超导器件的功率密度。
捕获磁通：超导体"锁定磁场"的能力
捕获磁通是超导体在外加磁场撤离后内部残留的磁场强度 ，本质是磁通线被材料中的缺陷（如位错、杂质）钉扎的结果。单畴GdBCO块材能捕获高达数特斯拉的磁场，远超永磁体性能，这使其成为小型强磁场源的理想选择。捕获磁通能力与Jc直接相关
磁悬浮力：超导体"对抗重力"的表现
磁悬浮力源于超导体的迈斯纳效应（完全抗磁性）与磁通钉扎的协同作用。当超导体靠近永磁体时，体内会感应出反向磁场形成排斥力，而磁通钉扎则阻止超导体因排斥力而"滑移"，从而实现稳定悬浮。
本文对单畴GdBCO超导块材的制备、特性及应用进行了比较系统的研究，主要包括以下三方面的内容：
制备(1)采用 顶部籽晶熔渗生长（TSIG）方法制备 单畴GdBCO超导块材，并对影响样品单畴生长的关键工艺参数（慢冷温区、慢冷时间）进行了详细的调试和优化；
(2)通过改变熔渗生长方法使用的 液相源成分 及前驱坯块的装配方式，对传统的TSIG工艺进行改进研究，以简化实验步骤，缩短实验周期，提高TSIG方法的制备效率和稳定性；
(3)对制备的高温超导块材进行应用研究探索。介绍了本实验室设计发明的超导磁悬浮推进系统模型、超导磁悬浮列车模型等实验和演示装置。主要结论如下：
（1）温度 用 等温生长 与 淬火工艺 相结合的方法研究了 GdBCO 样品在不同温度下的生长情况。
实验结果表明，当样品在（=）1040℃保温20h后没有出现籽晶诱导成核及生长的现象。在（<）1040℃以下，样品开始在籽晶处成核并外延生长，且随着温度的降低（过冷度的增加），生长速率越来越大。
在1020℃保温时，样品边缘开始出现随机成核。样品的微观结构研究表明，随着过冷度的增加，样品内捕获了越来越多的小尺寸
（Gd-211）粒子，使得块材中Gd-211第二相粒子所占的体积分数逐渐增大，粒子的平均尺寸逐渐减小，这种现象有利于样品Jc（临界电流密度）的提高。
Gd-211粒子是钆钡铜氧（GdBCO）超导块材中的关键非超导相，化学成分为Gd₂BaCuO₅，因稀土元素（Gd）、钡（Ba）、铜（Cu）的原子比为2:1:1而得名"211相"。它并非超导材料本身，却对GdBCO的实用性能起着决定性作用------作为人工磁通钉扎中心，其尺寸、分布和形态直接影响超导块材的临界电流密度（Jc）和捕获磁通能力
综合以上实验现象并参考样品在慢冷生长过程中的实例，最终选定适合GdBCO单畴块材生长的慢冷温区为1035---1015℃。
（2）时间 研究了不同慢冷时间（20h~90h）对GdBCO块材形貌及性能的影响。结果表明，当样品在1035---1015℃的温区内慢冷生长时，随着慢冷时间的延长，样品的单畴区生长得越来越大，样品边缘的随机成核可被有效抑制，样品的单畴生长越来越安全和稳定。样品的侧面形貌和剖面形貌均表明当慢冷时间达到70h~80h时，籽晶引导的单畴区扩展到样品底部，整个块材生长成为完整单畴体，在此情况下样品的磁悬浮力性能达到饱和值。样品的微观结构研究表明，随着慢冷时间的延长，样品内捕获的Gd-211粒子数目越来越少，且粒子在液相中的Ostwald粗化现象（Ostwald粗化（Ostwald Ripening）是材料科学中普遍存在的颗粒尺寸重分布现象 ：在温度驱动下，多分散体系中的小颗粒逐渐溶解，溶质通过扩散在大颗粒表面沉积，最终导致小颗粒消失、大颗粒长大。）越来越严重（"Ostwald粗化现象越来越严重"意味着材料体系中微小颗粒通过原子扩散持续溶解，大颗粒不断长大的过程加剧，导致颗粒尺寸分布从均匀细小向粗大不均演变。在GdBCO超导块材中，这直接表现为Gd211粒子（非超导相）的尺寸增大、分布失衡，进而严重削弱其作为磁通钉扎中心的作用。）。
（3）介绍了本实验室设计发明的 高温摄像装置。利用该装置可以清楚观察到REBCO样品在高温下的晶体生长细节，实现对样品生长过程的实时观测。根据样品在不同温度下的生长形貌及随时间的变化情况，我们可以在短时间内制定出针对不同尺寸样品的最优化热处理程序，提高了工作效率，在探索研究大尺寸超导块材的制备技术时可发挥重大的作用。
（4）用两种新液相源LS2（）和LS3（
）熔渗生长单畴GdBCO超导块材。结果表明，和传统熔渗生长方法使用的液相源LS1（
）一样，使用新成分的液相源也可成功制备出单畴GdBCO超导块材，这是因为虽然三种液相源的物相成分不同，但却具有相同的Gd、Ba、Cu原子组分比，因此可起到相同的作用。此外，使用这两种新型液相源，整个熔渗生长工艺仅需Gd-211和
两种前驱粉，这简化了实验步骤，缩短了实验周期，提高了制备效率，对单畴GdBCO超导块材的批量化制备有重要的意义。
（5）用一种新型基液相源
成功熔渗生长出了单畴GdBCO超导块材。研究表明，样品内部捕获了较小尺寸的Gd-211粒子，表现出更高的磁悬浮力性能（28N，磁悬浮力性能是指超导材料在磁场中冷却至超导态后，与永磁体或电磁体之间产生的稳定排斥力或吸引力，其本质是超导体内部感应的屏蔽电流与外磁场相互作用的洛伦兹力结果）。此外，由于本文采用的GdBCO样品生长的慢冷温区（1035---1015℃）始终高于Y-123相的包晶分解温度（约1010℃），所以在GdBCO块材的生长过程中，
基液相源（基液相源（Liquid Source, LS）是高温超导块材制备中，用于提供Ba-Cu-O熔融相的关键组分，其本质是能在高温下形成低熔点液相的复合氧化物粉体。）会一直保持Y-211相和液相的半熔融状态，不会出现Y-123相的生成及固化，因此液相源块可以最大程度地向上面的坯块供应液相，从而提高了液相源粉的利用率。
（6）比较了三种基液相源LS3
，LS4
和LS5
熔渗生长的GdBCO单畴超导块材。结果表明，用这三种
基液相源均可成功制备出直径30mm的单畴GdBCO超导块材。其中由
基液相源LS4制备的样品中捕获的Gd-211粒子平均尺寸最小，样品的磁悬浮力最大（67.8N），因此我们认为
（7）采用新型的前驱坯块装配方式熔渗生长单畴GdBCO超导块材。在该装配方式中，我们使用较大直径（30mm）的液相源块 支撑并熔渗生长较小直径（20mm）的GdBCO样品。结果表明，该方法可以提高液相源块的支撑能力，有效避免样品出现倾斜或倒塌的现象，从而提高了熔渗生长方法的稳定性。此外，由于液相源块的直径始终大于其上的GdBCO样品，可以保证在生长过程中样品的整个底部始终与液相源直接接触，因此可为样品的完整生长提供充足的液相条件。超导性能的研究表明，由新型装配方式制备的GdBCO样品表现出比较高的超导转变温度（约91K）和自场临界电流密度（4.7×1044A/cm22）。
（8）利用超导磁悬浮原理及直线电机驱动技术，设计制作了一种超导磁悬浮推进系统模型。该模型由装有YBCO或GdBCO超导块材的小车，永磁轨道，直线电机，光电开关等组成，可以演示小车在悬浮状态下，直线电机的驱动力与超导小车爬升高度之间的关系。该模型综合了直线电机驱动，超导磁悬浮，液氮冷却，轨道导向及光电自动控制技术，具有良好的演示效果。
（9）在超导磁悬浮推进系统模型的基础上，我们实验室设计发明了一种新型的高温超导磁悬浮列车演示装置，其结构简单、体积小、演示直观。该装置主要有两部分组成，一是直线电机，用于给小车提供动力，克服小车运动过程中因空气阻力等引起的能量损耗。二是环形闭合永磁轨道，可实现小车周而复始的自动悬浮运行。该演示装置涉及到力学、磁学、超导、电子电工、自动控制、低温等多方面的知识，不仅可获得良好的演示效果，还能增加人们对现代科技的认识并激发其对高新技术的兴趣。