專利名稱：利用等離子現(xiàn)象在基材表面上將超導(dǎo)材料金屬化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用超導(dǎo)現(xiàn)象在基材表面上將超導(dǎo)材料金屬化的方法。
超導(dǎo)材料已經(jīng)以超導(dǎo)磁體的形式實(shí)際應(yīng)用于粒子加速器和醫(yī)療診斷裝置等領(lǐng)域。超導(dǎo)材料在發(fā)電機(jī)、能量存儲(chǔ)、直軌式電動(dòng)懸浮機(jī)車、磁力分離器、核聚變反器裝置、電力傳輸電纜和磁屏蔽等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。此外，預(yù)計(jì)利用Josephson效應(yīng)可將超導(dǎo)元件應(yīng)用于超高速計(jì)算機(jī)、紅外探測(cè)器和低噪音放大器等領(lǐng)域。這些潛在的用途一旦得到開發(fā)，則它對(duì)工業(yè)和社會(huì)的影響將是不可估量的。
迄今所開發(fā)的典型超導(dǎo)材料之一是一種Nb-Ti合金，目前它被廣泛地用作磁化線。這種Ni-Ti合金的臨界溫度(即呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)的臨界溫度，下文將其簡(jiǎn)稱為“Tc”)為9K。還開發(fā)了一種“Tc”比Nb-Ti合金更高的化合物型超導(dǎo)材料，包括Nb3Sn(Tc∶18K)和V3Ga(Tc∶15K)，它們現(xiàn)在已經(jīng)以絲線的形式實(shí)際使用。
最近開發(fā)了一種含CuxOy基團(tuán)的復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料，其“Tc”比上述金屬型和化合物型超導(dǎo)材料又有進(jìn)一步的提高。例如，一種Y-Ba-Cu-O型超導(dǎo)材料的“Tc”約為93K。由于氮的液化溫度為77K，所以可以用比液氦便宜的液氮作為上述復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料的冷卻介質(zhì)。
為了利用等離子現(xiàn)象在基材表面上將復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料金屬化，通常采用下列方法，它包括從一個(gè)金屬化噴管的尾部連續(xù)地向其腔體通入一種惰性氣體作為操作氣;從所述金屬化噴管的頭部連續(xù)地向其腔體通入一種含CuxOy基團(tuán)的復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料粉末;在所述金屬化噴管的腔體內(nèi)產(chǎn)生電弧，從而將該腔體內(nèi)的所述操作氣轉(zhuǎn)化為一種高溫等離子氣體;借助于所述已轉(zhuǎn)化為高溫等離子體的操作氣將該腔體內(nèi)的所述超導(dǎo)材料粉末熔化;利用所述已轉(zhuǎn)化為高溫等離子體的操作氣流將上述已熔化的超導(dǎo)材料粉末，通過(guò)所述金屬化噴管均勻地噴在一種基材的表面上，在所述基材的表面上形成一層所述超導(dǎo)材料膜。


圖1是一個(gè)示意剖面圖，用以說(shuō)明上述利用等離子現(xiàn)象將超導(dǎo)材料在基材表面上金屬化的常規(guī)方法。在圖1中，2是一個(gè)裝在容器1中的金屬化噴管，3是一個(gè)儲(chǔ)存操作氣的壓力罐，4是一個(gè)儲(chǔ)裝超導(dǎo)材料粉末的儲(chǔ)罐，7是一塊裝在容器1中的基片，其表面對(duì)著噴管2，6是安裝在容器1外面的電源。
如圖1所示，從壓力罐3將一種惰性氣體(如氬氣)作為操作氣通過(guò)金屬化噴管2的尾部連續(xù)地通入其腔體2A。由貯槽4將含有CuxOy基團(tuán)的復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料(如Y1Ba2Cu3O7-y)粉末通過(guò)金屬化噴管2的頭部連續(xù)地通入腔體2A。由電源6向嵌入金屬化噴管2的腔體2A尾部的電極5提供電流，以便在電極5和金屬化噴管2的腔體2A的內(nèi)表面2B之間產(chǎn)生電弧，從而將通入腔體2A的操作氣轉(zhuǎn)化為高溫等離子氣體。利用上述已經(jīng)轉(zhuǎn)化為高溫等離子體的操作氣，將通入金屬化噴管2的腔體2A的上述超導(dǎo)材料粉末熔化。借助于已經(jīng)轉(zhuǎn)化為高溫等離子體的操作氣流通過(guò)金屬化噴管2將上述熔化的超導(dǎo)材料粉末均勻地噴在裝在容器1內(nèi)與噴管2相對(duì)而置的基片7(如銅片)的表面上，從而在基片7的表面上形成一層超導(dǎo)材料膜8。
上述這種常規(guī)金屬化方法與真空蒸發(fā)法和噴鍍法相比，其優(yōu)越之處在于形成超導(dǎo)材料膜的速度較高，而且可以形成較厚的膜。
然而，上述常規(guī)金屬化方法存在以下問(wèn)題。業(yè)已知道，在復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料中，如Y1Ba2Cu3O7-y，若氧損失量“Y”增加，就會(huì)使得無(wú)法制取具有高的“Tc”和高的臨界電流密度(下文簡(jiǎn)稱為“Jc”)，即具有優(yōu)異的超導(dǎo)性能的超導(dǎo)材料膜8。在超導(dǎo)材料金屬化過(guò)程中，以及在金屬化以后對(duì)超導(dǎo)材料膜8進(jìn)行加熱期間，該超導(dǎo)材料中的氧會(huì)損失掉一部分，導(dǎo)致超導(dǎo)材料中氧損失量“Y”增加。因而，降低超導(dǎo)材料中氧損失量的常規(guī)作法是將上述形成的超導(dǎo)材料膜8緩慢冷卻，以使超導(dǎo)材料吸收氧。加熱膜8旨在使該超導(dǎo)材料結(jié)構(gòu)均勻化、增加晶粒間界的結(jié)合強(qiáng)度以及提高基片與膜8之間的粘合強(qiáng)度。然而，即使按上述方法緩慢冷卻膜8，在該超導(dǎo)材料中仍可能吸收不到足夠量的氧，因此可能得不到具有優(yōu)異超導(dǎo)性能的膜8。
上述問(wèn)題可以這樣來(lái)解決，即在對(duì)膜8進(jìn)行上述慢速冷卻處理之前，先在基片表面上將上述復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料金屬化，以便降低該超導(dǎo)材料的氧損失量“Y”。然而，由于只是用一種惰性氣體(如氬氣)作為操作氣體，因此在對(duì)膜8進(jìn)行上述慢速冷卻處理之前，無(wú)法預(yù)先降低該超導(dǎo)材料的氧損失量“Y”。
鑒于上述情況，迫切需要開發(fā)這樣一種方法，它能夠在基材的表面上將復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料金屬化，同時(shí)降低該超導(dǎo)材料的氧損失量“Y”，并且能夠在該基材的表面上形成一層具有優(yōu)異超導(dǎo)性能的超導(dǎo)材料膜，例如，“Tc”至少為90K、“Jc”至少為350安培/平方厘米。但是這樣的金屬化方法迄今還沒(méi)有人提出過(guò)。
本發(fā)明的目的是提供一種方法，它能夠在基材的表面上將復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料金屬化，同時(shí)將降低該超導(dǎo)材料的氧損失量“Y”，并且能夠在該基材的表面上形成一層具有優(yōu)異超導(dǎo)性能的超導(dǎo)材料膜，例如臨界溫度“Tc”至少為90K、臨界電流密度“Jc”至少為350安培/平方厘米。
根據(jù)本發(fā)明的特征之一，提供了一種利用等離子現(xiàn)象，在基材表面上將超導(dǎo)材料金屬化的方法，包括如下步驟
從一個(gè)金屬化噴管的尾部連續(xù)地向其腔體通入一種操作氣;
從所述金屬化噴管的頭部連續(xù)地向其腔體通入一種含CuxOy基團(tuán)的復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料粉末;
在一個(gè)嵌入所述腔體尾部的電極和所述腔體的內(nèi)表面之間產(chǎn)生電弧，從而將通入該腔體的操作氣轉(zhuǎn)化為高溫等離子氣體;
借助所述已經(jīng)轉(zhuǎn)化為高溫等離子體的操作氣將通入該腔體的超導(dǎo)材料粉末熔化;
利用所述已轉(zhuǎn)化為高溫等離子體的操作氣流，通過(guò)所述金屬化噴管，將上述熔化的超導(dǎo)材料粉末均勻地噴到一種基材的表面上，以便在該基材的表面上形成一層上述超導(dǎo)材料的膜;
將這樣形成的上述超導(dǎo)材料膜加熱到至少700℃，然后以不大于40℃/分鐘的冷卻速率將上述加熱過(guò)的膜緩慢冷卻到室溫;
其中改進(jìn)之處的特征在于向所述操作氣中混入至少30%(體積)的氧氣。
圖1是一個(gè)示意性的剖面圖，用以說(shuō)明利用等離子現(xiàn)象在基材的表面上將超導(dǎo)材料金屬化的常規(guī)方法;
圖2是一個(gè)示意性的剖面圖，示出本發(fā)明的利用等離子現(xiàn)象在基材的表面上將超導(dǎo)材料金屬化的方法的一個(gè)實(shí)施例。
根據(jù)以上的觀點(diǎn)，本發(fā)明者進(jìn)行了廣泛的研究探討，目的在于開發(fā)一種方法，它能夠在基材的表面上將復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料金屬化，且能降低該超導(dǎo)材料中的氧損失量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將超導(dǎo)材料的基材表面上金屬化時(shí)所用的操作氣中若混入至少30%(體積)的氧氣，就可以降低復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料的氧損失量。
在上述發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上完成了本發(fā)明。下面參照附圖介紹本發(fā)明的利用等離子現(xiàn)象在基材表面上將超導(dǎo)材料金屬化的方法。
圖2是一個(gè)示意剖面圖，示出本發(fā)明利用等離子現(xiàn)象在基材表面上將超導(dǎo)材料金屬化的方法的一個(gè)實(shí)施例。在圖2中，2是一個(gè)裝在容器1中的金屬化噴管，10是一個(gè)用來(lái)儲(chǔ)裝惰性氣體的壓力罐，11是用來(lái)儲(chǔ)裝氧氣的另一個(gè)壓力罐，4是一個(gè)用來(lái)儲(chǔ)裝超導(dǎo)材料粉末的儲(chǔ)罐，7是一塊裝在容器1內(nèi)且與金屬化噴管2相對(duì)而置的基片，6是裝在容器1外面的電源。
如圖2所示，本發(fā)明的方法中所用的操作氣9是將至少30%(體積)來(lái)自壓力罐11的氧氣與來(lái)自壓力罐10的惰性氣體(如氬氣)相混合而配成的。在氧氣對(duì)惰性氣體的混合比低于30%(體積)的情況下，就不可能在基片7的表面上如后文所述的形成一種具有優(yōu)異超導(dǎo)性能(例如臨界溫度“Tc”致少為80K，臨界電流密度“Jc”至少為350安培/平方厘米)的復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料膜。因此，氧氣對(duì)惰性氣體的混合比至少應(yīng)為30%(體積)。將上述配成的操作氣9從金屬化噴管2的尾部連續(xù)地通入腔體2A。
將含有CuxOy基團(tuán)的復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料(如Y1Ba2Cu3O7-y)粉末從儲(chǔ)罐4通過(guò)金屬化噴管2的頭部連續(xù)地供入腔體2A。由電源6向嵌入金屬化噴管2腔體2A的尾部的電極5提供電流，以便在電極5和金屬化噴管2腔體2A的內(nèi)表面2B之間產(chǎn)生電弧，從而將通入腔體2A的操作氣9轉(zhuǎn)化為高溫等離子氣體。利用已轉(zhuǎn)化為高溫等離子體的操作氣9將供入金屬化噴射管2的腔體2A的上述超導(dǎo)材料粉末熔化。借助已轉(zhuǎn)化為高溫等離子體的操作氣9所形成的氣流，將上述熔化的超導(dǎo)材料粉末通過(guò)金屬化噴管2均勻地噴在基片7(如銅片)的表面上，從而在基片7的表面上形成一層上述超導(dǎo)材料的膜8。所述基片7是安放在容器1中，面對(duì)金屬化噴管2的位置。
如上所述，在本發(fā)明的方法中被金屬化到基片7表面上的復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料的氧損失量，由于使用了一種以至少30%(體積)的氧氣混入惰性氣體所組成的操作氣，而得以降低。因此，在下一步對(duì)超導(dǎo)材料膜8進(jìn)行慢速冷卻處理時(shí)，既使該超導(dǎo)材料不能吸收很多的氧，也可以制得具有優(yōu)異超導(dǎo)性能的膜8，因?yàn)樵诖寺倮鋮s處理之前，該超導(dǎo)材料的氧損失量已經(jīng)減少了。
除了Y1Ba2Cu3O7-y之外，上述復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料還包括Bi1.7Pb0.3Sr2Ca2Cu3Oy。
下面通過(guò)實(shí)例進(jìn)一步詳細(xì)地介紹本發(fā)明利用等離子現(xiàn)象將超導(dǎo)材料在基材表面上金屬化的方法。
實(shí)例1如圖2所示，將一塊寬30毫米、高20毫米、厚1.0毫米的銅基片7放置在容器1中，面對(duì)金屬化噴管2的位置。將來(lái)自壓力罐11的氧氣以一定的量混入來(lái)自壓力罐10的氬氣，以組成操作氣9，從金屬化噴管2的尾部將操作氣9連續(xù)地通入腔體2A，同時(shí)將容器1內(nèi)的壓力保持在80毫巴。將粒度為10-100μ、含有Y1Ba2Cu3O7-y的復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料粉末，從儲(chǔ)罐4通過(guò)金屬化噴管2的頭部連續(xù)地供入腔體2A。由安裝在容器1外面的電源6，向嵌入金屬化噴管2腔體2A的尾部的電極5提供25千瓦小時(shí)的電能，以便在電極5和金屬化噴管2的腔體2A的內(nèi)表面2B之間產(chǎn)生電弧，從而將通入腔體2A的操作氣9轉(zhuǎn)化為高溫等離子氣體。借助已經(jīng)轉(zhuǎn)化為高溫等離子體的操作氣9將供入金屬化噴管2的腔體2A的上述超導(dǎo)材料粉末熔化。利用已經(jīng)轉(zhuǎn)化為高溫等離子體的操作氣9形成的氣流將上述熔化的超導(dǎo)材料粉末，通過(guò)金屬化噴管2均勻地噴在基片7的表面上，從而在基片7表面上形成一層厚度為150μ的超導(dǎo)材料膜8。
然后，在一個(gè)加熱爐中，在由容器1外部供應(yīng)的含氧空氣(未示出)存在下，將上述在基片7表面上形成的超導(dǎo)材料膜8加熱至930℃，歷時(shí)30分鐘，然后以20℃/分鐘的冷卻速率將其緩慢冷卻至室溫。
在此實(shí)例中，氧氣與氬氣的混合比取了幾種不同的值，如表1所示。
測(cè)定上述超導(dǎo)材料膜8的臨界溫度“Tc”和臨電流密度“Jc”。結(jié)果示于表1。
從表1可以清楚地看到，通過(guò)向氬氣中混入至少30%(體積)的氧氣可以得到一種具有優(yōu)異超導(dǎo)性能的膜8，例如“Tc”至少為90K，“Jc”至少為350安培/平方厘米。
實(shí)例2按與上述實(shí)例1相同的條件，在基片7表面上形成一層復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料膜8，不同之處是用Bi1.7Pb0.3Sr2Ca2Cu3Oy作為超導(dǎo)材料，而且所形成的超導(dǎo)材料膜8是加熱到840℃，歷時(shí)80小時(shí)。
測(cè)定上述超導(dǎo)材料膜8的臨界溫度“Tc”和臨界電流密度“Jc”。結(jié)果示于表2。
表2
從表2可以清楚地看到，通過(guò)將至少30%(體積)的氧化混入氬氣可以得到一種具有優(yōu)異超導(dǎo)性能的膜8，例如“Tc”至少為100K，“Jc”至少為500安培/平方厘米。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的方法，可以降低復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料的氧損失量，因而可以得到一種具有優(yōu)異超導(dǎo)性能(包括臨界溫度“Tc”至少為90K和臨界電流密度“Jc”至少為350安培/平方厘米)的超導(dǎo)材料膜，并且可以提供適宜的工業(yè)應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種利用等離子現(xiàn)象將超導(dǎo)材料在基材表面上金屬化的方法，它包括下述步驟從一個(gè)金屬化噴管的尾部向其腔體連續(xù)地通入一種操作氣；從上述金屬化噴管的頭部向其腔體連續(xù)地供入一種含CuxOy基團(tuán)的復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料粉末；在一個(gè)嵌入所述腔體尾部的電極與所述腔體內(nèi)表面之間產(chǎn)生電弧，以便將通入該腔體的操作氣轉(zhuǎn)化為高溫等離子氣體；利用已經(jīng)轉(zhuǎn)化為高溫等離子氣體的上述操作氣將供入該腔體的超導(dǎo)材料粉末熔化；借助上述已經(jīng)轉(zhuǎn)化為高溫等離子氣體的操作氣所形成的氣流將上述熔化的超導(dǎo)材料粉末通過(guò)所述金屬化噴管均勻地噴在基材的表面上，從而在所述基材的表面上形成一層所述超導(dǎo)材料的膜；將上述形成的超導(dǎo)材料膜加熱到至少700℃，然后以不超過(guò)40℃/分鐘的冷卻速率將上述加熱過(guò)的膜緩慢冷卻至室溫；其改進(jìn)之處的特征在于將氧氣以至少30%(體積)的量混入所述操作氣。
2.按權(quán)利要求1的方法，其中所述復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料是由Y1Ba2Cu3O7-y組成。
3.按權(quán)利要求1的方法，其中所述復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料是由Bi1.7Pb0.3Sr2Ca2Cu3Oy組成。
全文摘要
一種利用等離子現(xiàn)象將超導(dǎo)材料在基材表面上金屬化的方法，包括連續(xù)地向一個(gè)金屬化噴管通入操作氣和復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料粉末，利用電弧將操作氣轉(zhuǎn)化為高溫等離子體；通過(guò)后者將超導(dǎo)材料粉末熔化，并將其噴在基材表面上；將形成的超導(dǎo)材料膜加熱到至少700℃，再緩慢冷卻至室溫。所述方法改進(jìn)之處的特征在于，在所述操作氣中至少混入30％(體積)的氧氣。
文檔編號(hào)C23C4/18GK1034089SQ8810894
公開日1989年7月19日 申請(qǐng)日期1988年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1987年12月26日
發(fā)明者太刀川治, 真保幸雄, 松田穰, 樺沢真事, 小管茂義, 渡邊之 申請(qǐng)人:日本鋼管株式會(huì)社