一种楼层式的SMG提高籽晶利用率的方法与流程

一种楼层式的smg提高籽晶利用率的方法
技术领域
1.本发明属于高温铜氧化物超导材料技术领域，具体涉及一种楼层式的smg提高籽晶利用率的方法。


背景技术：

2.由于大部分籽晶存在一定的缺陷，当籽晶ab面中只有一面是取向性较好的时候，一般一个籽晶只能诱导一个超导先驱块材生长，籽晶的利用率较低。rebco超导体以其较高的临界温度、较大的无阻载流能力、高的捕获磁场以及大的磁悬浮力而著称，故其在强磁场永磁体、超导磁轴承、超导储能飞轮、电机、发电机和磁悬浮系统等方面得到了广泛的应用。所以对于超导先驱块材的需求量较大。我们通过在炉中同时放置多个超导先驱块材实现批量化生产。但由于炉中的温度分布不完全均匀，故不能保证所有样品的性能一样好，且不能确保成功率。对于较厚的样品，由于生长时间长且成功率底等问题未解决。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是籽晶诱导超导先驱块材生时，籽晶用率较低的问题。
4.本发明提供了一种楼层式的smg提高籽晶利用率的方法，包括如下步骤：
5.步骤一、准备籽晶；
6.步骤二、准备支撑块；
7.步骤三、准备超导先驱块；
8.步骤四、准备单晶块、垫片；
9.步骤五、在准备好的垫片上放置多个相互间隔的单晶块，然后在所述多个相互间隔的单晶块上方设置有第一支撑块，再在所述第一支撑块的上方设置至少两层超导先驱块，并且所述两层超导先驱块之间对称设置有多个第二支撑块、籽晶，并且所述籽晶位于两层超导先驱块的中心，多个第二支撑块位于籽晶的外围；
10.步骤六：籽晶诱导熔融织构生长法生长单畴钇钡铜氧块材；
11.步骤七：渗氧处理。
12.进一步的，所述步骤一、准备籽晶的具体过程是：将nd2o3与baco3、cuo三种粉体按摩尔比1:1:1混合均匀，用固态反应法制成nd2bacuo5(nd211)；再将nd2o3与baco3、cuo三种粉体按摩尔比1:4:6混合均匀，用固态反应法制成ndba2cu3o
7-δ
(nd123)(0≤δ≤1)；然后将nd211粉体与nd123粉体按质量比1:3混合均匀，压制成钕钡铜氧先驱块，籽晶诱导熔融生长法在晶体生长炉中进行烧结，得到钕钡铜氧块材；取自然解理的钕钡铜氧小方块作为籽晶。
13.进一步的，所述步骤二、准备支撑块的过程是：用yb2o3粉体压制直径分别为32mm、6mm的圆柱形第一支撑块、第二支撑块。
14.进一步的，所述步骤三、准备超导先驱块的过程是：准备超导先驱块的过程是：yba2cu3o
7-δ
(y123)的制备:将y2o3：baco3：cuo按摩尔比1:4:6用行星球磨机混合均匀，用固态
反应法在920℃下经过三次烧结制成y123，式中0≤δ≤1。y2bacuo5(y211)的制备：将y2o3：baco3：cuo按摩尔比1:1:1用球磨机混合均匀，用固态反应法在920℃下经过三次烧结烧制成y211。将y123：y211按1:0.4mol的比例混合，再加入0.2wt％的ceo2。将三种粉体在行星球磨机中混合均匀后，作为smg生长法中的先驱粉体。称量先驱粉体分别压制成直径分别为6mm、32mm的超导先驱块。
15.进一步的，所述单晶块是mgo制成。
16.进一步的，所述垫片是al2o3板。
17.进一步的，所述步骤六：籽晶诱导熔融生长单畴钇钡铜氧块材的具体过程是：将装配好的先驱超导块材放入晶体生长炉中，以80～120℃/h的升温速率升温至900℃，保温20小时。以40～60℃/h的升温速率升至1040～1045℃，保温1～2.5小时；以60℃/h的降温速率降温至1015～1025℃，以0.1～0.5℃/h的速率慢冷至980～990℃，随炉自然冷却至室温，得到单畴钇钡铜氧块材。
18.进一步的，所述步骤七：渗氧处理的具体过程是：将单畴钇钡铜氧块材置入石英管式炉中，在流通氧气气氛中，440～410℃的温区中慢冷200小时，得到单畴钇钡铜氧超导块材。
19.本发明的优点是：本发明提供一种楼层式的smg提高籽晶利用率的方法，一个籽晶可同时诱导两个样品生长，中间的超导先驱块材同时由两个籽晶诱导生长，故生长速率较快，所以中间可以用来生长较厚的超导先驱块材；以此类推可以生长更多的超导先驱块材而实现批量化生产。此方法不仅提高了籽晶的利用率，同时可实现批量化生产，并且可用来生长较厚的超导先驱块材。
20.下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
附图说明
21.图1所示是实施例1中用一个两面ab面均没有缺陷的籽晶去诱导超导块材生长的装配示意图。
22.图2所示是实施例2中用一个只有一面ab面取向性完好的籽晶诱导超导块材生长的装配示意图。
23.图3a是所示是实施例1中由一个两面ab面均没有缺陷的籽晶的示意图二诱导下生长的单畴钇钡铜氧超导块材的形貌图一。
24.图3b是所示是实施例1中由一个两面ab面均没有缺陷的籽晶的示意图二诱导下生长的单畴钇钡铜氧超导块材的形貌图二。
25.图4所示是实施例1中被电磁铁磁化后的单畴钇钡铜氧超导块材的捕获磁场分布图。
26.图5是实施例1中超导块材的磁悬浮力图。
27.图6a是实施例2中由一个一面ab面取向性完好的籽晶诱导生长的单畴钇钡铜氧超导块材的形貌图一。
28.图6b是实施例2中由一个一面ab面取向性完好的籽晶诱导生长的单畴钇钡铜氧超导块材的形貌图二。
29.图7所示是实施例2中被电磁铁磁化后的单畴钇钡铜氧超导块材的捕获磁场分布
图。
30.图8是实施例2中超导块材的磁悬浮力图。
31.附图标记说明：1、籽晶；2、第二支撑块；3、超导先驱块；4、第一支撑块；5、单晶块；6、垫片。
具体实施方式
32.为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“对齐”、“重叠”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
36.实施例1
37.本实施例提供了一种图1所示的一种楼层式的smg提高籽晶利用率的方法，包括如下步骤：
38.步骤一、准备籽晶；
39.步骤二、准备支撑块；
40.步骤三、准备超导先驱块；
41.步骤四、准备单晶块、垫片；
42.步骤五、在准备好的垫片上放置多个相互间隔的单晶块，然后在所述多个相互间隔的单晶块上方设置有第一支撑块，再然后在所述第一支撑块的上方设置至少两层超导先驱块，并且所述两层超导先驱块之间对称设置有多个第二支撑块、一个籽晶，并且所述籽晶位于两层超导先驱块的中心，多个第二支撑块位于籽晶的外围；
43.步骤六：籽晶诱导熔融生长法生长单畴钇钡铜氧块材；
44.步骤七：渗氧处理。
45.进一步的，所述步骤一、准备籽晶的具体过程是：将nd2o3与baco3、cuo三种粉体按摩尔比1:1:1混合均匀，用固态反应法制成nd2bacuo5(nd211)；再将nd2o3与baco3、cuo三种粉体按摩尔比1:4:6混合均匀，用固态反应法制成ndba2cu3o
7-δ
(nd123)(0≤δ≤1)；然后将nd211粉体与nd123粉体按质量比1:3混合均匀，压制成钕钡铜氧先驱块，用籽晶诱导熔融生长法在晶体生长炉中进行烧结，得到钕钡铜氧块材；取自然解理的钕钡铜氧小方块作为籽
晶。
46.进一步的，所示钕钡铜氧小方块的尺寸长*宽*高为2mm*2mm*2mm。
47.进一步的，所述步骤二、准备支撑块的过程是：用yb2o3粉体压制直径分别为32mm、6mm的圆柱形第一支撑块、第二支撑块。
48.进一步的，所述步骤三、准备超导先驱块的过程是：准备超导先驱块的过程是：yba2cu3o
7-δ
(y123)的制备:将y2o3：baco3：cuo按摩尔比1:4:6用行星球磨机混合均匀，用固态反应法在920℃下经过三次烧结制成y123，式中0≤δ≤1。y2bacuo5(y211)的制备：将y2o3：baco3：cuo按摩尔比1:1:1用球磨机混合均匀，用固态反应法在920℃下经过三次烧结烧制成y211；将y123：y211按1:0.4mol的比例混合，再加入0.2wt％的ceo2；将三种粉体在行星球磨机中混合均匀后，作为smg生长法中的先驱粉体；称量先驱粉体分别压制成直径分别为6mm、32mm的超导先驱块。
49.进一步的，所述单晶块是mgo制成。
50.进一步的，所述垫片是al2o3板。
51.进一步的，所述步骤六：籽晶诱导熔融生长法生长单畴钇钡铜氧块材的具体过程是：将装配好的先驱超导块材放入晶体生长炉中，以80～120℃/h的升温速率升温至900℃，保温20小时。以40～60℃/h的升温速率升至1040～1045℃，保温1～2.5小时；以60℃/h的降温速率降温至1015～1025℃，以0.1～0.5℃/h的速率慢冷至980～990℃，随炉自然冷却至室温，得到单畴钇钡铜氧块材。
52.进一步的，所述步骤七：渗氧处理的具体过程是：将单畴钇钡铜氧块材置入石英管式炉中，在流通氧气气氛中，440～410℃的温区中慢冷200小时，得到单畴钇钡铜氧超导块材。
53.al2o3垫片6上表面自下而上以轴对称的方式依次放置mgo单晶块5、第一支撑块4、不同直径的超导先驱块3、yb2o3圆柱形支撑块(第二支撑块2)、钕钡铜氧籽晶1；如图1b所示在第一层(a)的基础上可放置直径32mm的超导块材3(其厚度比第一层的厚)，此时一个籽晶可诱导两个超导先驱块；在第二层上将直径6mm的超导先驱块3、第二支撑块2、钕钡铜氧籽晶1按轴对称的方式放置后，将直径32mm的超导先驱块3放置在顶层，此时两个籽晶可同时诱导三个超导先驱块，如图1b所示；图1c是三层超导先驱体的正视图，图1d、1e、1f分别是五层超导先驱块的侧视图、截面图、俯视图；依次类推可以同批次生长更多的超导块材。
54.实施例1中，为防止两个超导先驱块3在生长过程当中由于距离太近而易变形影响彼此的生长。所以在籽晶1下方用先驱粉体压制了直径6mm的过渡层。过渡层的高度加上籽晶1的高度近似等于第二支撑块2的高度。本实例中生长了三层的样品图。如图3所示，图3a图是三层样品生长后的样品侧面图以及图3b是三个块材被分离后的表面图，从图中可以看出三个样品均由清晰的十字花纹，故均是单畴形貌。
55.三个超导先驱块材渗氧后的超导性能如下图4和图5所示。图4是充磁0.5t后的捕获磁场分布图，从图中可以看出三者均是单畴形貌。图5是用直径30mm，表面磁场为0.5t的永久磁铁测力的图，从图中可以看出三个样品的力均在60n以上。
56.综上所述，这种楼层式的smg提高籽晶利用率的方法，一个籽晶可同时诱导两个样品生长，中间的超导先驱块材同时由两个籽晶诱导生长，故生长速率较快，所以中间可以用来生长较厚的超导先驱块材；以此类推可以生长更多的超导先驱块材而实现批量化生产。
此方法不仅提高了籽晶的利用率，同时可实现批量化生产，并且可用来生长较厚的超导先驱块材。
57.实施例2
58.如下图2所示是只有一面ab面取向性较好的籽晶的情况。图中(a)所示是第一层超导先驱块装配图。
59.1a)只有一面ab面取向性较好的籽晶，将有缺陷的一面用超导先驱块材粉体包裹并压制成圆柱状，将没有缺陷的一面裸露在外面；
60.2)所示是用yb2o3粉体压制的圆柱形支撑块；
61.3)超导先驱块，yba2cu3o
7-δ
(y123)的制备:将y2o3：baco3：cuo按摩尔比1:4:6分别称取45.16g、157.86g、95.45g粉体，用行星球磨机混合均匀。用固态反应法在920℃经过三次烧结制成y123。y2bacuo5(y211)的制备：将y2o3：baco3：cuo按摩尔比1:1:1分别称取135.48g、118.40g、47.72g，用行星球磨机混合均匀。用固态反应法在920℃经过三次烧结制成y211。最后将y123：y211按1:0.4mol的比例分别称取263.20gy123、73.37gy211，再掺入0.2wt％ceo2，即0.67g的ceo2。将这三种粉体混合均匀后作为先驱粉体；分别称取30g、40g的先驱粉体，将其均压制成直径32mm的先驱块；
62.4)将yb2o3粉压制成与超导先驱块材直径相同的坯块，作为支撑块；
63.5)mgo单晶块；
64.6)al2o3垫片；
65.al2o3垫片6上表面自下而上以轴对称的方式依次放置mgo单晶块5、支撑块4、超导先驱块3、yb2o3圆柱形支撑块2、和钕钡铜氧籽晶1；如图1b所示在第一层(a)的基础上可放置超导先驱块3(此时的超导先驱块材较第一层厚)，此时一个籽晶1可诱导两个超导先驱块3；在第二层上将yb2o3圆柱形支撑块2、钕钡铜氧籽晶1按轴对称的方式放置后，将超导先驱块3放置在顶层，此时两个籽晶可同时诱导三个超导先驱块；如图2b所示，长三层时中间的超导先驱块材厚度可比第一层、第三层都厚，因为中间的超导先驱块由两个籽晶诱导；图2c是三层超导先驱体的正视图。图2d、2e分别是五层超导先驱体的侧面图、截面图；图2f所示是五层超导先驱体俯视图，依次类推可以一次长更多的超导先驱块材。
66.实例2是籽晶只有一面ab面取向性好的情况下，将籽晶用先驱粉体包裹压制成直径是6mm的第二支撑块1a。其高度与yb2o3压制的第二支撑块2的高度近似。生长完以后的样品图如下图6所示。图6a时三层样品生长后的样品侧面图以及图6b是三个块材被分离后的表面图，从图中可以看出三个样品均由清晰的十字花纹，故均是单畴形貌。
67.实施例3
68.(1)y123的制备：称取45.16gy2o3、157.86gbaco3、95.45gcuo混合，即将y2o3：baco3：cuo＝1:4:6的摩尔比用球磨机混合均匀，用固态反应法在920℃下烧制成y123。
69.(2)y211的制备：称取135.48gy2o3、118.40gbaco3、47.72gcuo混合，即将y2o3：baco3：cuo＝1:1:1的摩尔比用球磨机混合均匀，用固态反应法在920℃下烧制成y211。
70.(3)称取制备好的263.20gy123、73.37gy211、0.67gceo(0.2wt％)，即按1:0.4mol的比例将三种粉体在球磨机中混合均匀，作为smg生长法中的先驱粉体。
71.(4)压制先驱块。分别取30g、40g的先驱粉体，压制成直径32mm的先驱块。在压制30g的先驱块时，在其底部同时称取12gyb2o3粉倒入模具中，将两者压制为一个整体。
72.(5)压制yb2o3支撑块。称取0.55g的yb2o3压制成直径是6mm的第二支撑块。
73.(6)通过自然解理得到两种类型的籽晶。实例1是籽晶两面均是片层结构完好的情况下，防止两个超导先驱块材在生长过程当中由于距离太近变形影响彼此的生长。所以在籽晶下方用先驱粉体压制了直径6mm的过渡层。过渡层的高度加上籽晶的高度近似等于第二支撑块2的高度。本实例中生长了三层的样品的图。如图3所示，图3a图时三层样品生长后的样品侧面图以及图3b是三个块材被分离后的表面图，从图中可以看出三个样品均由清晰的十字花纹，故均是单畴形貌。图3b是三个样品生长后的俯视图，上表面图。
74.(7)三个超导先驱块材渗氧后的超导性能如下图4和图5所示。图4是充磁0.5t后的捕获磁场分布图，从图中可以看出三者均是单畴形貌。图5是用直径30mm，表面磁场为0.5t的永久磁铁测力的图，从图中可以看出三个样品的力均在60n以上。
75.(8)实例2是籽晶只有一面片层结构完整的情况下，将籽晶用先驱粉体包裹压制成直径是6mm的第二支撑块1a。其高度与yb2o3压制的第二支撑块2的高度近似。生长完以后的样品图如下图6所示。图6a时三层样品生长后的样品侧面图以及图6b是三个块材被分离后的表面图，从图中可以看出三个样品均由清晰的十字花纹，故均是单畴形貌。
76.(9)生长完成后的三个样品的性能如下图7和图8所示。
77.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。