高性能rebco多層膜、應用及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于釔鋇銅氧涂層導體技術領域，具體涉及的是一種高性能REBCO多層膜、應用及其制備方法。
【背景技術】
[0002]作為第二代高溫超導帶材，REBCO涂層導體具有高臨界電流密度(Jc)JMg(Jc-B)特性和低價的特點，將來很有可能取代鉍系高溫超導帶材，應用在超導強電技術領域，如電機、馬達、變壓器、限流器、磁體、超導儲能、核磁共振成像等。利用超導帶材制備的超導電纜、超導變壓器和超導限流器等器件與設備具有體積小、重量輕、效率高和能耗低等優點，在電力、能源、醫療設備、國防裝備等多個領域具有廣泛的應用前景。故而國外給予了高度關注，美國每年投入研究經費1000萬美元，日本每年投入研究經費10億日元，開發了接近商業化水平的制造和檢測設備。我國在過去十年中也作了不少摸索，在REBCO涂層導體研制方面取得了一定成果。
[0003]第二代高溫超導帶材，就是采用各種鍍膜手段在很薄(40-100微米)的傳統金屬基帶(鎳基合金或不銹鋼等合金)上鍍一層大約I到幾個微米厚的釔鋇銅氧高溫超導薄膜。直接沉積在金屬基帶上的REBCO超導膜的超導性能很差，必須在金屬基帶上加一緩沖層。緩沖層的作用一方面可以誘導REBCO超導膜取向生長，另一方面又可作為隔離層防止REBCO與金屬基帶反應及氧向基帶中擴散。這就要求緩沖層與超導層和金屬基底要有較小的晶格失配度，且能夠形成致密無裂紋的薄膜，有效阻礙金屬基底被氧化及阻礙基底金屬原子向超導層擴散，且不與金屬基底和超導層反應。
[0004]鑒于高電流承載能力在第二代高溫超導帶材強電應用方面的迫切需要，而臨界電流主要由薄膜的厚度(d)和臨界電流密度(Jc)決定，為了獲得較高的電流承載能力，這就要求在一方面要制備高結晶質量的高溫超導厚膜;另一方面要在提高薄膜厚度的同時保持較高的Jc值。隨著REBCO薄膜厚度的增加，性能變差。國內外的研究表明通過采用制備夾層結構的方式向超導薄膜中引入釘扎中心可以顯著的解決超導膜Jc隨厚度和磁場迅速減小的問題，不過需要將中間層的厚度控制在納米級甚至是納米偽層，若中間層的厚度較大，使其相鄰REBCO層之間的電流無法導通，影響薄膜性能。針對現有技術所存在的問題，申請人憑借從事此行業多年的實驗經驗，進行了大量的研究，意外發現本申請之技術方案，首次提出在IBAD-MgO基底上采用PLD方法制備REBCO多層膜的方案，具有意想不到的技術效果。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種高性能REBCO(釔鋇銅氧)多層膜、應用及其制備方法。本發明利用多通道脈沖激光沉積技術(PLD)在鍍有隔離層的IBAD-MgO基帶上依次制備具有純C軸取向和高臨界電流的超導層和具有純C軸取向的夾層。本發明制備的REBCO多層膜具有純C軸取向、光滑致密表面和高臨界電流密度，臨界電流密度高達5MA/cm2;本發明的REBCO多層膜在自場下和磁場下都具有高的臨界電流，具有高結合力，可滿足超導電纜等多種應用需求，適合產業化生產。
[0006]本發明是通過以下的方案實現的，
[0007]第一方面，本發明涉及一種高性能REBCO多層膜，所述REBCO多層膜由REBCO薄膜層和STO夾層組成。
[0008]優選地，所述REBCO多層膜由兩層REBCO薄膜層以及位于中間的STO夾層組成。
[0009]優選地，所述STO夾層的厚度為10?480nm，結構為純C軸取向。
[0010]優選地，所述REBCO多層膜具有純C軸取向、光滑致密表面和高臨界電流密度。
[0011]第二方面，本發明還涉及一種前述的高性能REBCO多層膜在制備高溫超導帶材中的應用。
[0012]第三方面，本發明還涉及一種前述的高性能REBCO多層膜的制備方法，包括如下步驟:取鍍有隔離層的IBAD-MgO基帶，采用多靶多通道脈沖激光方法，制備得到所述高性能REBCO多層膜。
[0013]優選地，所述方法包括如下步驟:
[0014]步驟I，取REBCO和STO靶材，裝在腔體中的靶托；
[0015]步驟2，取鍍有隔離層的IBAD-MgO基帶，纏繞在多通道脈沖激光沉積系統內；
[0016]步驟3，關閉鍍膜系統的門，抽真空到所需真空度IX 10—7-6 X 10—5Torr,啟動加熱器，升溫到REBCO薄膜工藝所需的溫度值；
[0017]步驟4，通入氧氣，將氣體的氣壓調節到REBCO薄膜鍍膜工藝所需的氣壓值；
[0018]步驟5，啟動激光靶旋轉與掃描系統，啟動準分子激光器能量和頻率升到REBCO薄膜鍍膜工藝所需的值；
[0019]步驟6，等加熱溫度、氣壓、激光能量、激光頻率穩定后，打開激光光路開關，開始靶材表面預濺射過程；
[0020]步驟7，等激光蒸發形成的橢球狀等離子體穩定后，啟動多通道傳動裝置的步進電機開關，并將基帶的行走速度調到所需值，進行鍍膜，金屬基帶通過多次纏繞在多通道傳動裝置的輥軸，多次通過鍍膜區；
[0021 ]步驟8，完成REBCO鍍膜后，關閉激光靶旋轉與掃描系統，將靶材換到STO靶材；
[0022]步驟9，將溫度調整到STO薄膜工藝所需的溫度值；
[0023]步驟10，將氧氣氣壓調節到STO薄膜鍍膜工藝所需的氣壓值；
[0024]步驟11，啟動激光靶旋轉與掃描系統，啟動準分子激光器能量和頻率升到STO薄膜鍍膜工藝所需的值；
[0025]步驟12，等加熱溫度、氣壓、激光能量、激光頻率穩定后，打開激光光路開關，開始靶材表面預濺射過程；
[0026]步驟13，等激光蒸發形成的橢球狀等離子體穩定后，啟動多通道傳動裝置的步進電機開關，并將基帶的行走速度調到所需值，進行鍍膜，金屬基帶通過多次纏繞在多通道傳動裝置的輥軸，多次通過鍍膜區；
[0027]步驟14，完成STO鍍膜后，關閉激光靶旋轉與掃描系統，將靶材再換回REBCO靶材；
[0028]步驟15，將溫度調整到REBCO薄膜工藝所需的溫度值；
[0029]步驟16，將氧氣氣壓調節到REBCO薄膜鍍膜工藝所需的氣壓值，然后重復步驟5-7;
[0030]步驟17，完成鍍膜后，關閉步進電機、加熱器和激光光路開關；
[0031]步驟18，等降到100°C以下，通入氮氣，開腔取出樣品，即得所述高性能REBCO多層膜。
[0032]優選地，所述步驟2包括如下步驟:
[0033]步驟2.1，將鍍有隔離層的IBAD-MgO基帶的一端纏繞到第一卷盤上；
[0034]步驟2.2，牽引金屬基帶多次纏繞在多通道傳動裝置的輥軸上，在輥軸之間形成多通道金屬基帶；
[0035]步驟2.3，將金屬基帶的另一端固定在第一卷盤上;編碼器和步進電機控制退火速度，使金屬基帶通過多通道傳動裝置的滾軸纏繞，多次通過加熱器。
[0036]優選地，步驟3中，所述REBCO薄膜鍍膜工藝所需的溫度值為750-850°C。
[0037]優選地，所述REBCO薄膜鍍膜工藝所需的氣壓值為200-500mTorr。
[0038]優選地，步驟5中，REB⑶薄膜鍍膜所需的激光能量為250-450mJ，激光頻率為40-180Hz ο
[0039]優選地，步驟7中，行走速度為20_200m/h。
[0040]優選地，步驟9中，STO薄膜鍍膜所需的溫度值為350_700°C。
[0041 ]優選地