REBCO高温超导体中引入多源磁通钉扎中心的新方法及机理研究

The combined powder melt and infiltration growth (PM-IG) technique can be used to fabricate nano-composited REBCO high-temperature bulk superconductors more efficiently. In order to improve the δTc-type pinning and δl-type pinning simultaneously, in this project, element substitution of RE’/RE together with addition of metallic oxide (MO) will be performed in the solid source (nano-RE2O3+BaO+CuO) and liquid source (nano-RE2O3+10BaO+16CuO) of the PM-IG method, then the multi-source flux pinning centers of RE’/RE substitutions and REM-2411 secondary phase particles can be introduced. The influence of different RE’ substitution and MO doping amounts on the growth character, microstructure, superconducting properties and flux pinning force (Fp) of the REBCO superconductors will be investigated, and the optimum substitution/doping level will be identified. The contributions of the δTc-type pinning and δl-type pinning in the whole Fp changing with the amount of RE’ substitution and MO doping will be investigated, and the mechanisms of the two type flux pinning centers will be illuminated further. The difference of superconducting properties will be compared when different RE’ and MO are used as substitution/doping candidates in the REBCO superconductors, and the best combination pattern of RE’ substitution and MO doping will be identified, so the new approach for introducing multi-source flux pinning centers most effectively can be developed.

利用粉末熔化-液相渗透组合生长（PM-IG）工艺可以实现纳米复合REBCO高温超导块材的高效率制备。本项目拟对PM-IG法中的固相源（纳米RE2O3+BaO+CuO）和液相源（纳米RE2O3+10BaO+16CuO）进行同步RE’/RE替代，同时添加金属氧化物MO，旨在向超导体内同时引入RE’/RE元素替代和REM-2411第二相粒子作为多源磁通钉扎中心，以同时提高超导体内的δTc和δl型钉扎。研究不同RE’替代量/MO掺杂量对REBCO超导体的生长特性、微观结构、超导性能和磁通钉扎力（Fp）的影响规律，确定最佳的替代量/掺杂量。明确Fp中δTc型钉扎和δl型钉扎的贡献随RE’替代量/MO掺杂量的变化规律，进一步阐明两种磁通钉扎的作用机制。对比不同的RE’替代及不同的MO掺杂对REBCO超导性能影响的差异，确定最有效的RE’替代与MO掺杂的组合方式，即最有效的引入多源磁通钉扎中心的新途径。

单畴RE-Ba-Cu-O（REBCO）超导体具有高的Tc、Jc以及良好的捕获磁通和磁悬浮性能，在超导磁体和超导磁悬浮领域有广阔的应用前景。本项目中，我们首先进行了对熔渗生长（IG）方法的优化改进研究，采用了新型开瓣模具、新固相源成分、新型坑式薄膜籽晶法等一系列手段，以避免样品表面出现宏观裂纹、降低内部气孔率、提高工艺的稳定性等。然后，我们在YBCO超导块材内进行了纳米级Bi2O3、Sb2O3和WO3的掺杂研究，结果表明，纳米Bi2O3掺杂对单畴YBCO样品的正常生长影响最小，最后样品的超导性能也最高，所以纳米Bi2O3是一种更优越的掺杂相。随后，我们在纳米Bi2O3掺杂的YBCO超导体内进行了Yb/Y替代和Er/Y替代的研究，结果表明，纳米Bi2O3掺杂同时Yb/Y替代的样品性能更高，在直径17.5mm的样品上测得的最大磁悬浮力高达70.25N，对应力密度约为29.21N/cm2。这证明了用纳米级金属氧化物掺杂和稀土离子相互替代进行协作引入多源磁通钉扎中心、提高REBCO超导性能的有效性，而Yb/Y替代和纳米Bi2O3掺杂可视为针对YBCO超导体的最佳组合方式。最后，我们发展出了一种更简化、节约的011型熔化生长（011-MG）方法，并成功制备了SmBCO和(Sm,Gd)BCO单畴块材。我们的工作对提高单畴REBCO超导块材的生长品质、工艺稳定性、成品率、超导性能和实用价值等方面有重要的作用。