A Novel Top Seeding Method for Reliable Growth of Single-Grain YBCO Bulk Superconductor with High Levitation Property above 26 N / cm^2
A novel top seeding method based on the NdBCO/ YBCO/MgO film seed placed in the top pit of the precursor solid pellet was proposed herein and was used to fabricate single-grain YBCO bulk superconductors by the 011-type infiltration growth technique
本文提出了一种新型顶部籽晶法,该方法将NdBCO/ YBCO/MgO薄膜籽晶置于前驱块的顶部凹坑中,并结合011 型渗透生长技术制备单晶钇钡铜氧块体超导体。
在前驱块中引入Y₂O₃氧化钇和CeO₂氧化铈纳米粉体,以改善最终制得块体材料的微观结构。
实验结果表明,该新型籽晶法可同时实现籽晶的固定,并保证晶粒从籽晶底部的钕钡铜氧层开始生长。多次重复实验验证了该方法的可靠性。
扫描电子显微镜表征结果显示,样品微观结构中存在局部高浓度分布、尺寸约 100 纳米的更细化纳米沉淀相。该样品的最大悬浮力达 63.63 牛,计算得力密度为 26.45 牛 / 平方厘米,展现出满足实际应用需求的优异悬浮性能。该研究为高质量钇钡铜氧块体材料提供了可靠的制备工艺,对稀土钡铜氧块体材料的批量制备及大规模应用具有重要意义。
Large single-grain and weak-link-free RE−Ba−Cu−O(REBCO, where RE is a rare-earth element like Nd, Sm,Gd, and Y) bulk superconductors can support large critical current densities (Jc) and exhibit superior levitation forces and trapped field properties in the liquid-nitrogen-temperature region, enabling their widespread use in maglev transportation
systems, magnetic bearings for motors and flywheels, energy storage systems, and cryomagnets.
具有大单晶结构且无弱连接的稀土钡铜氧(REBCO,其中 RE 为钕、钐、钆、钇等稀土元素)块体超导体,在液氮温区可承载较高的临界电流密度(Jc),并展现出优异的悬浮力和俘获场性能,这使其能广泛应用于磁悬浮交通系统、电机与飞轮用磁轴承、储能系统以及低温磁体等领域。
| 对比维度 | 熔融生长法 (MG) | 渗透生长法 (IG) | 011 型渗透生长技术 (011-IG) |
|---|---|---|---|
| 核心原理 | 高温熔融后缓慢冷却,通过包晶反应生长晶体 | 液相源熔渗进入固相源,通过原位反应生长晶体 | 以 BaCuO₂为核心前驱体,通过液相熔渗与原位反应生长晶体 |
| 前驱体要求 | 需要预合成复杂组分的前驱体(如 Nd₁.₆Ba₂.₃Cu₃.₃Oₓ) | 需要 RE-211 相粉体 + BaCuO₂等多种前驱体 | 仅需 BaCuO₂(011 相)一种核心前驱体,搭配稀土氧化物 |
| 固相源组成 | 单一前驱体丸 | 预合成的 RE-211 相粉体 | RE₂O₃ + BaCuO₂混合物(如 Nd₂O₃ + BaCuO₂) |
| 工艺步骤 | 步骤繁琐,需多次高温烧结 | 步骤较多,需预合成 RE-211 相 | 大幅简化,无需预合成 RE-211 相,一步化工艺 |
| 微观结构 | 孔隙率较高,致密度相对较低 | 结构致密,孔隙率显著降低 | 结构致密,可原位生成纳米级第二相粒子 |
| 籽晶性能 | 可通过 MgO 掺杂提升分解温度,但孔隙率影响生长成功率 | 分解温度提升,结构致密,显著提升 REBCO 大晶粒生长成功率 | 分解温度高,结构致密,工艺重复性好,适合批量生产 |
| 代表成果 | Cardwell 组:Mg-NdBCO 通用籽晶 | 本团队:1 wt% MgO 掺杂 NdBCO 籽晶;Namburi 等:致密 Mg-NdBCO 籽晶 | Feng 等:仅用 BaCuO₂前驱粉制备 NdBCO 籽晶 |