专利名称：实验炉及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个实验炉及其在用熔融织构法制备高温超导钇钡铜氧(YBCO)体材的应用。此实验炉也可用在其他需要用到温度梯度的材料的制备上。
一般来说，管行炉或方形炉可以由单个或多个加热区组成。这些炉子对于直径大于或等于30mm的样品可以产生一定大小但最大约为25K/cm的温度梯度，而且一般很难做到在同一炉子中同时对多个样品进行任意设定的不同温度处理。另外，在现有的Bridgeman方法中，样品可在炉子中沿着温度梯度方向运动(德国专利DE-OS3223064)，但此设计也只允许对多个样品进行同样的温度处理。
正是在材料研究领域里，人们希望在同一实验就可对多个样品进行同样的或者有特定温度差别的温度处理。
熔融织构法制备高温超导钇钡铜氧(YBCO)体材是一种通常的温度处理过程，样品由各种成份的初始粉末材料(如YBa2Cu3Ox，Y2BaCuO5，Y3O2，PtO2，Ag2O等)压制而成。此温度处理的目的之一是为不同的应用而提高样品的性能如临界电流密度。常用的温度处理过程是所谓的MTG-Process或是modiried MTG-Process[S.Jin，T.H.Tiefel，R.C.Sher wood，R.B.van Dover，G.W.Kammlot，R.A.Fastnacht，Phys.Rev.B37(1988)7850]。在此过程中，样品首先被加热到包晶反应温度以上，并短时间停留，然后经或不经过一个急冷过程到某一温度。此后样品经过一个缓慢冷却过程并进行包晶反应过程形成YBa2Cu3Ox晶体。在缓慢冷却过程的开始及期间，样品处于0℃/cm至200℃/cm温度梯度中，随着温度降低，包晶反应温度Tp也从样品的较冷一端缓慢地走到较热的另一端，也就是说YBa2Cu3Ox晶体从样品的一端连续地长到另一端。虽然原则上在热力学平衡情况下可以从相图上直接读出包晶反应温度Tp，但实际中的过程都是动力学过程，需要一个过冷温度。实际的包晶反应温度为Tr＝Tp-T。包晶反应温度Tp主要决定于样品的具体成份。而过冷温度T的大小除决定于样品的具体成份以外，还决定于在包晶反应之前的预处理。由于样品处理过程长达一个星期，找出最佳的处理条件就成为非常费时的过程。
因此，本发明的目的是设计一个实验炉，以便可以同时对一个及一个以上的样品进行同样的设定温度过程处理，而且又有可能对不同的样品加以不同的温度条件。此外本发明的目的也在于找出熔融织构制备高温超导钇钡铜氧(YBCO)体材样品的最佳参数，特别是大大减少找出最佳起始温度的时间，并用由此获得的参数作为批量生产的基本数据。
上述本发明的目的在各项专利权利要求中得到了解决。
本发明的前提条件是有一个至少有两个以上可单独控温的加热区的炉子，比如一个六面均可单独控温加热的方形炉。各加热面的控制可由功率或温度控制来实现。
在这样的炉子中加入至少一面位置和方向均可变化的、热导性能较差的隔热墙，被该墙隔开的分区域内可具有均匀分布但各不相同的温度。本发明中用到的隔热墙形状与大小应与炉膛的相应，以使得被隔开的各分区域之间不能进行空气对流和热辐照的交换。在上述前提之下，使用一个以上的隔热墙也属于本发明之内。
在本发明所述隔热墙内至少应有一个样品区可用于放置需处理的样品，各样品区在隔热墙中互相分开且每个样品区内可放置至少一个样品。
本发明所用隔热墙应使用热导性较差的材料如Al2O3陶瓷。隔热墙的宽度，材料的种类，样品区的形状及分布都应可以根据不同的要求而改变。具体的隔热墙宽度主要由所需的不同分区域之间的温度梯度以及样品的大小而决定。
本发明也不限于平行于水平面的隔热墙，或者限于使用方形炉，使用其他类型的炉子时只需考虑隔热墙和炉膛的内壁的吻合，而以方形炉为例则情况特别简单。
以下本发明用示意图举例详细说明。
图1为方形炉的截面图，其中包括可能的一面本发明所述的隔热墙及其相对炉子其他结构的截面，以及由此可获得的温度分布。
图2为沿图1的A-A线的截面和相应的温度分布。
图3为本发明的另一种可能的隔热墙设计。
图4a为现有MTG法制备高温超导钇钡铜氧(YBCO)体材样品的温度过程示意图。
图4b为现有Modified MTG法制备高温超导钇钡铜氧(YBCO)体材样品的温度过程示意图。
图5为一种可能的熔融织构制备钇钡铜氧(YBCO)体材样品及其样品区的位置分布。
图6为另一种可能的熔融织构制备钇钡铜氧(YBCO)体材样品及其样品区的位置分布。
图1示意地图示了带加热器2的方形炉的四面炉内壁3。炉壁内的炉膛有一面隔热墙1，此墙1把炉膛分成两个分区域4a和4b，由于这两分区域各自有可单独控温的加热器2，所以这两分区域内各有一个在其内均匀分布，但可各不相同的温度(T1∶T2)，这样在隔热墙1内产生一温度梯度ΔT＝(T1-T2)/L，如图1的上图所示。此例子中的隔热墙1可用氧化铝陶瓷，并由三排分开的样品区5所组成以用于放置样品6。
例如，假设在分区域4a的温度为1360°K，在分区域4b的温度为1170°K，而隔热墙的厚度是L＝60mm，那么在样品6处产生一个基本上是线性的温度梯度30°K/cm。给出不同的隔热墙厚度以及给出不同的4a和4b分区域的温度差，就可以产生在0-300°K/cm范围内不同的温度梯度。需要强调的是，在温度梯度为0°K/cm的情况使用本发明的隔热墙在某些应用上也会带来一些优点。
在此例中炉膛(图1)的内部尺寸是20×20cm的情况下，隔热墙1的大小形状需吻合于炉膛的内壁，而且以分成三部分为好。例如隔热墙1可由含多个样品区5的蜂窝状墙框1b组成，墙框1b的两边相通(容易放置样品)，两边再加上两块平面墙板1a封闭起来即可。
图2中示意了图1沿A-A线的截面情况。
本发明的应用将在下面以熔融织构法制备高温超导钇钡铜氧(YBCO)体材为例加以阐明。如需处理的样品6的直径是35mm，那么样品区5的大小可为40×40×40mm，墙1a厚度可取10mm，分区域区4a，4b的温差可为90°K。本发明虽然不只限于隔热墙的三分结构(1a-1b-1a)，但在实际操作中此结构由于容易替换各部分的不同材料(热导率)及其厚度，所以能够达到范围很宽的不同温度条件。
图3示意了本发明中隔热墙的另一种组合方式，在尽量保持样品区的大小尺寸与样品的相应的前提下，也就是说在尽量减少样品周围的空间的同时，又保留样品可以在需要的情况下改变其位置的可能性及其优点。在此种组合方式中本发明的隔热墙由几个小分墙7组成，图3只示意地画出了较近的一个，各小分墙7应含有至少一个一边开口的样品区5。图3中举例说明各样品区即可有不同大小，而且在分墙中的位置又可互相错开。样品在样品区放好以后，就可以把分墙逐个放到炉膛内部而组成发明中所述的隔热墙1。
在本发明范围之内，也包括了如下内容，即通过使用加热均匀的加热器2，在含此加热器的炉膛内壁上，以及在分区域中已经产生了均匀的温度分布，在此前提下应尽量地减少炉膛内壁和隔热墙1之间的剩余空间。
本发明中的所谓“样品”，并不只限于没有外壳的单纯固体，样品比如说也可以放在坩锅里，这样样品区里放置的就是坩锅和其中的样品。
本发明中所指的均匀的温度分布，并不限制于根据定义的精确的均匀分布，如恒定及已知的非均匀温度分布也在所指之列。
同样的应用也可用于据本发明所设计的工业用炉。
这里再次强调一下，隔热墙1在炉子中的空间方位是可以任意改变的。比如在生长晶体时则以水平方向的方位更好。
本发明的内容也包括如下范围，即样品6在各样品区5中的位置可变，或者是样品区本身的位置也可变。这样使得各样品在接受温度处理的时候可以具有不同的温度过程。这些本发明所包含的可能性在材料研究中具有特别的意义。而这些可能性将在下面通过本发明实验炉的一个应用的特例详细加以说明。
图4a和4b图示了一般情况下熔融结构高温超导钇钡铜氧(YBCO)体材的温度过程的情况。
图5和6示意地图示了一方形炉膛内壁3的四个加热器2。炉膛内部按专利……(专利申请19506503.4)加进一面隔热墙1，炉子由此被分成两部分分区域4a和4b，每部分都有一个均匀的温度分布，但各自温度可不相同(T1∶T2)，由此在隔热墙内产生一个温度梯度ΔT＝(T1-T2)/L，如图5和6之上图所示。隔热墙1可由如氧化铝陶瓷所组成，在此列中分成从上至下四排样品区以放置样品，在垂直纸面的方向也可有几个样品区。通过改变T1，T2，L和隔热墙1的方向，温度梯度可以在0-300°K/cm大小范围内及在任意的空间方向上改变。每次给出隔热墙1内一定大小的温度梯度ΔT以后，样品的温度就可通过改变其位置而改变，也就是说，在隔热墙1内的样品按其位置可调节到具有完全相同或者随意的不同温度。
如Tax为加上温度梯度ΔT后的样品的最低温处的缓慢降温起始时温度，在考虑到晶体成核过程同时，对具有一定实际包晶反应温度Tr的样品来说有某一事先未知的最佳起始温度Tao，这温度应在实际包晶反应温度Tr之上几度，再高的起始温度会使样品在过高的温度状态下无谓地停留太久，从而引起某些不必要的效应如过多的液相流失。另一方面太低的起始温度也会产生许多的自发成核，造成很多小晶体的长成而不是所希望的长成单个的大晶体。
假设在分区域4a的温度为1360°K，在分区域4b的温度为1170°K，而隔热墙的厚度是L＝60mm，那么在样品6处产生一个基本上是线性的温度梯度30°K/cm。给出不同的隔热墙厚度以及给出不同的4a和4b分区域的温度差，就可以产生在0-300°K/cm范围内不同的温度梯度。
根据本发明，具有同样实际反应温度Tr的几个样品6被放置到隔热墙1内不同的位置。这可以按图5的方式实现，即各样品区5在隔热墙1的位置错位，而同时各样品6在所在的样品区5的位置不变。但也可以按图6的方式来实现，即各样品区5在隔热墙1内的位置不变，而同时各样品6在所在的样品区5的位置错位。在给定的温度梯度ΔT中各样品均经过一个熟知的MTG缓慢降温过程，而各样品的起始温度Tax彼此稍有不同，如图5和6所示。在有足够的样品数目时，如在实际中可毫无问题地在一次循环中处理多达20个样品的情况下，至少其中一个样品6经历最佳起始温度Tao的可能性就很大了，而由此所得到的样品及样品区位置在此后对样品的熔融织构实验作为标准，以获得具有所希望的高临界电流密度和大块晶体的样品。在本例中温度梯度为30°K/cm，样品位置1mm的变化相应于3°K的温度变化。
另一种操作的可能性是，在给定了起始温度Ta的情况下，找出相应的具有最佳实际反应温度Tr的样品，其方法是把具有不同实际反应温度Tr的样品6放置于隔热墙1内的同一位置上。用这种方法也可以很快地发现制作过程中会出现的样品成分偏差。
同样道理，在加热分区域4a和4b出现的温度分布的不均匀，也可以通过各样品位置的微小改变而得到修正，从而达到大量生产时能得到重复性很好的样品。数符表1 - 隔热墙1a- 墙板1b- 墙框2 - 加热器3 - 炉内壁4a，4b- 不同温度的加热分区域5 - 样品区6 - 样品7 - 分墙Tax - 样品最低温处缓慢降温起始时的温度L - 隔热墙1的厚度
权利要求
1.一个实验炉，由炉膛及其中的加热器(2)及炉内壁(3)组成，其炉膛起码分成两个可具有不同温度的分区域，其特征在于至少一面导热性差的隔热墙(1)放置于炉膛内并把炉膛分成至少两个可具有互不相关的不同温度的分区域(4a，4b)，各分区域内部温度分布均匀，隔热墙(1)的形状大小相应于炉膛内壁并应尽量紧靠而立而且隔热墙(1)内至少有一个样品区(5)用以放置被温度处理的样品。
2.根据权利要求1所述的实验炉，其特征在于隔热墙(1)内有多个样品区(5)。
3.根据权利要求1或2所述的实验炉，其特征在于隔热墙(1)由可拼或组合起来的墙单元(1a，1b，7)所组成。
4.根据权利要求3所述的实验炉，其特征在于隔热墙(1)由两块厚度可变的平面墙板(1a)及两板间包含了样品区(5)的墙框(1b)所组成。
5.根据权利要求4所述的实验炉，其特征在于墙框(1b)呈框型结构，所含的多个样品区(5)如蜂窝状呈规律分布。
6.根据权利要求4所述的实验炉，其特征在于隔热墙(1)由多个单独成形的分墙(7)所组成。
7.根据前述各权利要求之一所述的实验炉之应用，其特征在于高温超导钇钡铜氧(YBCO)体材样品(6)按如下方法放置于样品区(5)中-具有不同实际反应温度(Tr)的样品(6)放置在隔热墙(1)的相同位置，或者-具有相同实际反应温度(Tr)的样品(6)放置在隔热墙(1)的不同位置，各样品在给定的温度梯度ΔT下各自经过一个缓慢降温过程。
8.根据权利要求7所述的实验炉之应用，其特征在于样品(6)位置的改变通过样品区(5)在隔热墙(1)的位置改变而实现，各样品(6)在样品区(5)内的位置却保持不变。
9.根据权利要求7所述的实验炉之应用，其特征在于样品(6)位置的改变通过各样品(6)在样品区(5)内的位置的改变而实现，各样品区(5)在隔热墙(1)的位置却保持不变。
全文摘要
本发明是一个用于需在温度梯度下处理样品的实验炉。此实验炉可用在例如熔融织构法制备高温超导钇钡铜氧体材上。本发明的目的是，找出解决方法，对一个或一个以上样品在尽量同样的温度梯度下进行处理，而各样品可有彼此不同的温度条件。本发明的解决方法是，炉膛内引进至少一面隔热墙1而分成至少两个分区域4a，4b，各分区域内有均匀分布，但各互不相关的不同温度，而且隔热墙1内至少有一个样品区5用以放置被温度处理的样品。
文档编号F27B17/02GK1135037SQ96103209
公开日1996年11月6日 申请日期1996年2月26日 优先权日1995年2月24日
发明者吴民智, 朵丽丝·利兹根多芙, 托比亚斯·哈比斯赖特, 彼特·戈涅特, 沃夫冈·嘎瓦力克, 克劳斯·菲摄尔 申请人:物理高技术研究所