高性能rebco多层膜、应用及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钇钡铜氧涂层导体技术领域，具体涉及的是一种高性能REBCO多层膜、应用及其制备方法。
【背景技术】
[0002]作为第二代高温超导带材，REBCO涂层导体具有高临界电流密度(Jc)JMg(Jc-B)特性和低价的特点，将来很有可能取代铋系高温超导带材，应用在超导强电技术领域，如电机、马达、变压器、限流器、磁体、超导储能、核磁共振成像等。利用超导带材制备的超导电缆、超导变压器和超导限流器等器件与设备具有体积小、重量轻、效率高和能耗低等优点，在电力、能源、医疗设备、国防装备等多个领域具有广泛的应用前景。故而国外给予了高度关注，美国每年投入研究经费1000万美元，日本每年投入研究经费10亿日元，开发了接近商业化水平的制造和检测设备。我国在过去十年中也作了不少摸索，在REBCO涂层导体研制方面取得了一定成果。
[0003]第二代高温超导带材，就是采用各种镀膜手段在很薄(40-100微米)的传统金属基带(镍基合金或不锈钢等合金)上镀一层大约I到几个微米厚的钇钡铜氧高温超导薄膜。直接沉积在金属基带上的REBCO超导膜的超导性能很差，必须在金属基带上加一缓冲层。缓冲层的作用一方面可以诱导REBCO超导膜取向生长，另一方面又可作为隔离层防止REBCO与金属基带反应及氧向基带中扩散。这就要求缓冲层与超导层和金属基底要有较小的晶格失配度，且能够形成致密无裂纹的薄膜，有效阻碍金属基底被氧化及阻碍基底金属原子向超导层扩散，且不与金属基底和超导层反应。
[0004]鉴于高电流承载能力在第二代高温超导带材强电应用方面的迫切需要，而临界电流主要由薄膜的厚度(d)和临界电流密度(Jc)决定，为了获得较高的电流承载能力，这就要求在一方面要制备高结晶质量的高温超导厚膜;另一方面要在提高薄膜厚度的同时保持较高的Jc值。随着REBCO薄膜厚度的增加，性能变差。国内外的研究表明通过采用制备夹层结构的方式向超导薄膜中引入钉扎中心可以显著的解决超导膜Jc随厚度和磁场迅速减小的问题，不过需要将中间层的厚度控制在纳米级甚至是纳米伪层，若中间层的厚度较大，使其相邻REBCO层之间的电流无法导通，影响薄膜性能。针对现有技术所存在的问题，申请人凭借从事此行业多年的实验经验，进行了大量的研究，意外发现本申请之技术方案，首次提出在IBAD-MgO基底上采用PLD方法制备REBCO多层膜的方案，具有意想不到的技术效果。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高性能REBCO(钇钡铜氧)多层膜、应用及其制备方法。本发明利用多通道脉冲激光沉积技术(PLD)在镀有隔离层的IBAD-MgO基带上依次制备具有纯C轴取向和高临界电流的超导层和具有纯C轴取向的夹层。本发明制备的REBCO多层膜具有纯C轴取向、光滑致密表面和高临界电流密度，临界电流密度高达5MA/cm2;本发明的REBCO多层膜在自场下和磁场下都具有高的临界电流，具有高结合力，可满足超导电缆等多种应用需求，适合产业化生产。
[0006]本发明是通过以下的方案实现的，
[0007]第一方面，本发明涉及一种高性能REBCO多层膜，所述REBCO多层膜由REBCO薄膜层和STO夹层组成。
[0008]优选地，所述REBCO多层膜由两层REBCO薄膜层以及位于中间的STO夹层组成。
[0009]优选地，所述STO夹层的厚度为10?480nm，结构为纯C轴取向。
[0010]优选地，所述REBCO多层膜具有纯C轴取向、光滑致密表面和高临界电流密度。
[0011]第二方面，本发明还涉及一种前述的高性能REBCO多层膜在制备高温超导带材中的应用。
[0012]第三方面，本发明还涉及一种前述的高性能REBCO多层膜的制备方法，包括如下步骤:取镀有隔离层的IBAD-MgO基带，采用多靶多通道脉冲激光方法，制备得到所述高性能REBCO多层膜。
[0013]优选地，所述方法包括如下步骤:
[0014]步骤I，取REBCO和STO靶材，装在腔体中的靶托；
[0015]步骤2，取镀有隔离层的IBAD-MgO基带，缠绕在多通道脉冲激光沉积系统内；
[0016]步骤3，关闭镀膜系统的门，抽真空到所需真空度IX 10—7-6 X 10—5Torr,启动加热器，升温到REBCO薄膜工艺所需的温度值；
[0017]步骤4，通入氧气，将气体的气压调节到REBCO薄膜镀膜工艺所需的气压值；
[0018]步骤5，启动激光靶旋转与扫描系统，启动准分子激光器能量和频率升到REBCO薄膜镀膜工艺所需的值；
[0019]步骤6，等加热温度、气压、激光能量、激光频率稳定后，打开激光光路开关，开始靶材表面预溅射过程；
[0020]步骤7，等激光蒸发形成的椭球状等离子体稳定后，启动多通道传动装置的步进电机开关，并将基带的行走速度调到所需值，进行镀膜，金属基带通过多次缠绕在多通道传动装置的辊轴，多次通过镀膜区；
[0021 ]步骤8，完成REBCO镀膜后，关闭激光靶旋转与扫描系统，将靶材换到STO靶材；
[0022]步骤9，将温度调整到STO薄膜工艺所需的温度值；
[0023]步骤10，将氧气气压调节到STO薄膜镀膜工艺所需的气压值；
[0024]步骤11，启动激光靶旋转与扫描系统，启动准分子激光器能量和频率升到STO薄膜镀膜工艺所需的值；
[0025]步骤12，等加热温度、气压、激光能量、激光频率稳定后，打开激光光路开关，开始靶材表面预溅射过程；
[0026]步骤13，等激光蒸发形成的椭球状等离子体稳定后，启动多通道传动装置的步进电机开关，并将基带的行走速度调到所需值，进行镀膜，金属基带通过多次缠绕在多通道传动装置的辊轴，多次通过镀膜区；
[0027]步骤14，完成STO镀膜后，关闭激光靶旋转与扫描系统，将靶材再换回REBCO靶材；
[0028]步骤15，将温度调整到REBCO薄膜工艺所需的温度值；
[0029]步骤16，将氧气气压调节到REBCO薄膜镀膜工艺所需的气压值，然后重复步骤5-7;
[0030]步骤17，完成镀膜后，关闭步进电机、加热器和激光光路开关；
[0031]步骤18，等降到100°C以下，通入氮气，开腔取出样品，即得所述高性能REBCO多层膜。
[0032]优选地，所述步骤2包括如下步骤:
[0033]步骤2.1，将镀有隔离层的IBAD-MgO基带的一端缠绕到第一卷盘上；
[0034]步骤2.2，牵引金属基带多次缠绕在多通道传动装置的辊轴上，在辊轴之间形成多通道金属基带；
[0035]步骤2.3，将金属基带的另一端固定在第一卷盘上;编码器和步进电机控制退火速度，使金属基带通过多通道传动装置的滚轴缠绕，多次通过加热器。
[0036]优选地，步骤3中，所述REBCO薄膜镀膜工艺所需的温度值为750-850°C。
[0037]优选地，所述REBCO薄膜镀膜工艺所需的气压值为200-500mTorr。
[0038]优选地，步骤5中，REB⑶薄膜镀膜所需的激光能量为250-450mJ，激光频率为40-180Hz ο
[0039]优选地，步骤7中，行走速度为20_200m/h。
[0040]优选地，步骤9中，STO薄膜镀膜所需的温度值为350_700°C。
[0041 ]优选地