一种柔性金属带材表面快速溶液平坦化方法
【专利摘要】一种柔性金属带材表面快速溶液平坦化方法，属于高温超导涂层导体带材制备【技术领域】。本发明包括以下步骤：（1）将硝酸铝、乙醇和醋酸钇按比例制备前驱液1；（2）将醋酸钇与丙酸按比例制备前驱液2；（3）以一定速度用丙酮连续清洗金属带材；（4）以一定速度用乙醇连续清洗金属带材；（5）用连续走带、阶梯升温设备涂覆并热处理前驱液1制备非晶钇铝氧化膜；（6）用连续走带、阶梯升温设备涂覆并热处理前驱液2，制备表面光滑的非晶氧化钇膜。本发明利用连续走带、阶梯加热退火提高了制备非晶氧化物薄膜的速度，制备的氧化物薄膜既平坦了金属基带表面，又阻挡了金属原子高温下向超导层的扩散，是低成本制备高温超导带材的关键技术。
【专利说明】一种柔性金属带材表面快速溶液平坦化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于第二代高温超导带材【技术领域】，涉及第二代高温超导带材中金属基带表面溶液快速平坦化的方法。
【背景技术】
[0002]第二代高温超导带材是高温超导材料领域的研究热点之一，它的制备包括两部分:双轴织构基带制备和功能层制备。双轴织构基带制备工艺可分为两大类:离子束辅助沉积技术(1n Beam Assisted Deposition,缩写为IBAD)和轧制辅助双轴织构技术(Rolled Assisted Biaxially Textured Substrates,缩写为 RABiTS)。离子束辅助沉积技术(IBAD)对金属基带的材料没有特殊要求，哈氏合金和不锈钢都可作为基带材料，离子束辅助沉积氧化镁可以快速获得所需要的织构。但是，离子束辅助沉积氧化镁要求表面非常光滑的金属基带，要求表面粗糙度小于2纳米。抛光金属基带可以采用传统的抛光工艺如机械抛光和电化学抛光。机械抛光工艺成本高、效率低，不适于柔性金属长带的表面抛光；电化学抛光工艺仅适合一些特定的金属带材，而且化学废液对环境造成污染，废液处理成本较高。
[0003]一种新的使金属基带表面光滑的方法是溶液平坦化方法，它通过在柔性金属基带表面涂覆一层氧化物前驱液，利用表面张力作用，在突起区域残留液少，在沟槽区域残留液多，液膜作为连续的整体对基带表面起到平整化作用；然后经过热处理，前驱液膜挥发、分解成非晶氧化物膜。非晶氧化 物膜相比原始金属基带，表面粗糙大大降低。通过多次重复以上步骤，表面粗糙度不断降低，表面粗糙度可以达到I纳米以下，可用作离子束辅助沉积双轴织构氧化镁的基带。通过溶液平坦化方法制备的非晶氧化物膜不但表面光滑，而且厚度可调，还可以阻挡高温下金属基带原子的扩散，防止金属原子扩散进入超导层而破坏超导性。此方法具有低成本，适合规模化生产的特点。但是，此方法也有缺点，溶液平坦化方法热处理生成非晶氧化物膜过程中，既存在有机物挥发过程，也存在分解过程，为防止出现缺陷，升温速度不能太大，导致走带速度较慢。为了实现低成本、快速溶液平坦化柔性金属表面，采用连续走带，阶梯升温是一条有效途径。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是，提供一种连续、快速的将柔性金属带材粗糙表面平坦化技术，能应用于高温超导涂层导体带材和其它需要表面光滑柔性金属基带的情况。
[0005]本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，采用连续走带，阶梯升温，高温超导涂层导体基带溶液平坦化方法，其特征在于，包括下述步骤:
(O前驱液I制备:将硝酸铝与乙醇溶剂按预定比例溶解，使用超声波震荡加快溶解，待完全溶解后，加入一定比例的醋酸钇，搅拌加热到50-60度加快溶解，然后加入再加入乙醇，使前驱液I中，铝离子与钇离子浓度之比为1:1，铝离子浓度为0.1-0.4mol/l。
[0006](2)前驱液2制备:将醋酸钇与丙酸按比例溶解，最后加入丙酸溶剂，使前驱液2中宇乙离子浓度0.05-0.3mol/l ο
[0007](3)金属基带丙酮清洗:按图1所示安装好柔性金属带材，将丙酮倒入图1所示3个液槽中，保证能淹没金属带材，三个液槽置入盛水的超声容器中，超声设备工作，同时使金属带材以30-50米/小时的速度顺序经过三个丙酮液槽。往返工作多次。
[0008](4)金属基带乙醇清洗:把步骤(3)中三个液槽换为乙醇，超声设备工作，金属带材以30-50米/小时的速度顺序经过三个乙醇液槽。往返工作多次,最后一次把管式炉打开，A、B、C三段温度都设定为200-250度。
[0009](5)涂覆并热处理前驱液1:用图1所示的连续走带分段加热设备涂覆并加热前驱液1，图1中6个管式炉情况相同，都分为A、B、C三个温区，A的温度最高，C的温度最低，相邻温区的温差可以设定10-40度。在图1所示3个液槽中盛前驱液1，开启管式炉2、4、6，三个温区的温差相等，为10-20度，设定C区温度为560-600度，金属带材以40-100米/小时的速度经过液槽，然后加热，每走一次，金属基带上涂覆了三层钇铝氧化膜。重复多次，可以得到不同厚度的非晶钇铝氧化膜。
[0010](6)涂覆并热处理前驱液2:把步骤(5)中的前驱液换为前驱液2，三个温区的温差相等，为10-20度，设定C区温度为500-580度，金属带材以60-150米/小时的速度经过液槽，然后加热，每走一次，金属基带上涂覆了三层氧化钇膜。重复多次，可以得到不同厚度的非晶氧化钇膜，直到得到薄膜表面均方根粗糙度在5X5平方微米内小于2纳米。
[0011](7)所述步骤(3) (4) (5) (6)中，金属基带为哈氏合金基带或不锈钢基带，未处理前表面5 X 5平方微米内，均方根粗糙度20-60纳米。
[0012](8)所述步骤(6 ) (7)中，表面均方根粗糙度采用原子力显微镜测试得到。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]为了清楚的说明本发明的技术方案和实施例，下面将对发明技术描述和实施例中所需使用的附图作简要介绍。
[0014]图1为连续走带，阶梯升温设备示意图。
[0015]图2为实施例一的X射线衍射Θ -2 Θ扫描图。
[0016]图3为实施例一的原子力显微镜(AFM)图。
【具体实施方式】
[0017]实施例一:哈氏合金276上化学溶液法快速制备AlYCAY2O3非晶薄膜用于高温超导涂层导体基带平坦化的方法，包括下述步骤:
(I)前驱液I制备:取硝酸铝67.5克与1500毫升乙醇溶解，使用超声波震荡加快溶解，待完全溶解后，加入61克醋酸钇，搅拌加热到50度加快溶解，然后加入再加入乙醇使体积达到1800毫升，使前驱液I中铝离子浓度为0.lmol/1。
[0018](2)前驱液2制备:将醋酸钇60.8克与1600毫升丙酸按溶解，最后加入丙酸使体积达到1800毫升，使前驱液2中钇离子浓度为0.lmol/1 ο
[0019](3)金属基带丙酮清洗:按图1所示安装好柔性金属带材，将1800毫升丙酮分别倒入图1所示3个液槽中，保证能淹没金属带材，三个液槽置入盛水的超声容器中，超声设备工作，同时使金属带材以30米/小时的速度顺序经过三个丙酮液槽。往返工作3次。[0020](4)金属基带乙醇清洗:把步骤(3)中三个液槽换为乙醇，超声设备工作，金属带材以30米/小时的速度顺序经过三个乙醇液槽。往返工作3次，最后一次把管式炉打开，A、B、C三段温度都设定为230度。
[0021](5)涂覆并热处理前驱液1:在图1所示的3个液槽中分别盛600毫升前驱液1，先开启管式炉2、4、6，三个温区的温差相等，为10度，设定C区温度为570度，金属带材以50米/小时的速度经过液槽，然后加热。金属基带向右走完后，再向左走，此时关闭2、4、6管式炉，开启1、3、5管式炉，三个温区的温差相等，为10度，设定C区温度为570度，金属带材以50米/小时的速度经过液槽，然后加热。这样重复2次，表面粗糙度为2.2纳米。
[0022](6)涂覆并热处理前驱液2:把步骤(5)中的前驱液换为钇离子浓度为0.lmol/1的前驱液2，设定C区温度为510度，三个温区的温差相等，为10度，金属带材以60米/小时的速度向右走，经过液槽，然后加热。金属基带向右走完后，再向左走，此时关闭2、4、6管式炉，开启1、3、5管式炉，设定C区温度为510度，三个温区的温差相等，为10度，金属带材以60米/小时的速度向左走。重复2次，XRD测试结果如图2所示，表明薄膜是非晶结构，表面粗糙度为1.2纳米，如图3所示。
[0023]实施例二:哈氏合金276上化学溶液法快速制备AlYCAY2O3非晶薄膜用于高温超导涂层导体基带平坦化的方法，包括下述步骤:
(I)前驱液I制备:取硝酸铝135克与1700毫升乙醇溶解，使用超声波震荡加快溶解，待完全溶解后，加入122克醋酸钇，搅拌加热到60度加快溶解，然后加入再加入乙醇使体积达到1800毫升，使前驱液I中铝离子浓度为0.2mol/l。
[0024](2)前驱液2 制备:将醋酸钇30.4克与1700毫升丙酸按溶解，最后加入丙酸使体积达到1800毫升，使前驱液2中钇离子浓度为0.05mol/lo
[0025](3)金属基带丙酮清洗:按图1所示安装好柔性金属带材，将1800毫升丙酮分别倒入图1所示3个液槽中，保证能淹没金属带材，三个液槽置入盛水的超声容器中，超声设备工作，同时使金属带材以40米/小时的速度顺序经过三个丙酮液槽。往返工作3次。
[0026](4)金属基带乙醇清洗:把步骤(3)中三个液槽换为乙醇，超声设备工作，金属带材以50米/小时的速度顺序经过三个乙醇液槽。往返工作3次，最后一次把管式炉打开，A、B、C三段温度都设定为250度。
[0027](5)涂覆并热处理前驱液1:在图1所示的3个液槽中分别盛600毫升前驱液I,先开启管式炉2、4、6，三个温区的温差相等，为15度，设定C区温度为590度，金属带材以70米/小时的速度经过液槽，然后加热。金属基带向右走完后，再向左走，此时关闭2、4、6管式炉，开启1、3、5管式炉，三个温区的温差相等，为10度，设定C区温度为590度，金属带材以70米/小时的速度经过液槽，然后加热。这样重复2次，表面粗糙度为1.9纳米。
[0028](6)涂覆并热处理前驱液2:把步骤(5)中的前驱液换为钇离子浓度为0.05mol/l的前驱液2，设定C区温度为530度，三个温区的温差相等，为10度，金属带材以80米/小时的速度向右走，经过液槽，然后加热。金属基带向右走完后，再向左走，此时关闭2、4、6管式炉，开启1、3、5管式炉，设定C区温度为530度，三个温区的温差相等，为10度，金属带材以80米/小时的速度向左走。重复2次，表面粗糙度为0.9纳米。
【权利要求】
1.一种柔性金属带材表面快速溶液平坦化方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)前驱液I制备:将硝酸铝与乙醇溶剂按预定比例溶解，使用超声波震荡加快溶解，待完全溶解后，加入一定比例的醋酸钇，搅拌加热到50-60度加快溶解，然后加入再加入乙醇，使前驱液I中，铝离子与钇离子浓度之比为1:1，铝离子浓度为0.1-0.4mol/l ； (2)前驱液2制备:将醋酸钇与丙酸按比例溶解，最后加入丙酸溶剂，使前驱液2中钇离子浓度 0.05-0.3mol/l ； (3)金属基带丙酮清洗:将丙酮倒入连续走带、阶梯升温设备的液槽中，保证能淹没金属带材，三个液槽置入盛水的超声容器中，超声设备工作，同时使金属带材以30-50米/小时的速度顺序经过三个丙酮液槽；往返工作多次； (4)金属基带乙醇清洗:将乙醇倒入连续走带、阶梯升温设备的液槽中，保证能淹没金属带材，三个液槽置入盛水的超声容器中，超声设备工作，金属带材以30-50米/小时的速度顺序经过三个乙醇液槽；往返工作多次，最后一次把管式炉打开，A、B、C三段温度都设定为 200-250 度； (5)涂覆并热处理前驱液1:前驱液I倒入连续走带、阶梯升温设备的液槽中；开启管式炉2、4、6，三个温区的温差为10-20度，设定C区温度为560-600度，金属带材以40-100米/小时的速度经过三个液槽，金属基带上涂覆了三层钇铝氧化膜；重复多次，可以得到不同厚度的非晶钇铝氧 化膜； (6)涂覆并热处理前驱液2:前驱液I倒入连续走带、阶梯升温设备的液槽中；开启管式炉2、4、6，三个温区的温差为10-20度，设定C区温度为500-580度，金属带材以60-150米/小时的速度经过三个液槽，金属基带上涂覆了三层氧化钇膜；重复多次，可以得到不同厚度的非晶氧化钇膜，直到得到薄膜表面均方根粗糙度在5X5平方微米内小于2纳米。
2.如权利要求1所述的一种柔性金属带材表面快速溶液平坦化方法，其特征在于，所述步骤(3) (4) (5) (6)中，金属基带为哈氏合金基带或不锈钢基带，未处理前表面5X5平方微米内，均方根粗糙度20-60纳米。
3.如权利要求1所述的一种柔性金属带材表面快速溶液平坦化方法，其特征在于，所述步骤(3) (4) (5) (6)中，连续走带、阶梯升温设备是金属基带在加热过程中连续通过三个不同温度的加热区，相邻加热区之间温差调节范围是10-40度，走带速度调节范围是30-200米/小时。
4.如权利要求1所述的一种柔性金属带材表面快速溶液平坦化方法，其特征在于，所述步骤(1)中，前驱液I中，铝离子与钇离子浓度之比为1:1，铝离子浓度范围为0.1-0.4mol/lο
5.如权利要求1所述的一种柔性金属带材表面快速溶液平坦化方法，其特征在于，所述步骤(2)中，前驱液2中钇离子浓度范围为0.05-0.3mol/l。
6.如权利要求1所述的一种柔性金属带材表面快速溶液平坦化方法，其特征在于，所述步骤(3)中，金属带材以30-50米/小时的速度顺序经过三个丙酮液槽。
7.如权利要求1所述的一种柔性金属带材表面快速溶液平坦化方法，其特征在于，所述步骤(4)中，金属带材以30-50米/小时的速度顺序经过三个乙醇液槽,最后一次走带把管式炉温度都设定为200-250度。
8.如权利要求1所述的一种柔性金属带材表面快速溶液平坦化方法，其特征在于，所述步骤(5)中，C区温度设置为560-600度，三个温区的温差为10-20度，金属带材以40-100米/小时的速度经过三个液槽。
9.如权利要求1所述的一种柔性金属带材表面快速溶液平坦化方法，其特征在于，所述步骤(6)中，C区温度设定为500-580度，三个温区的温差为10-20度，金属带材以60-150米/小时的 速度经过三个液槽。
【文档编号】B05D7/14GK103981484SQ201410172901
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】赵遵成, 田晓光, 卢涛 申请人:赵遵成