對超導材料來說,制造工藝是不盡相同的。工藝方法不同,所得的Tc也不相同。因本章只能做部分介紹,供參考。
超導陶瓷的制備與一般陶瓷制造工藝相似。如原料的制備與處理、成型和燒成等。就要通過實踐進行不斷地探索。有時也需要采取一些特殊的工藝措施。
對原料的選擇,有的采用高純度的原料,如分析純、光譜純。有的如同一般電子陶瓷化學純等,視其具體情況而定。
在工藝上,預燒處理、成型方法以及燒結(jié)程度對超導陶瓷有很大的影響。
氧化物超導陶瓷的制備方法普遍采用固態(tài)反應法。即將組成粉料按配比混合壓塊,置于鉑金或氧化鋁坩堝中,放在電爐中(在大氣氣氛下)進行燒結(jié),燒結(jié)溫度為900~960℃,時間至少為4h,一般為自然冷卻。為使材料均勻,可進行粉碎,重新壓塊,進行第二次甚至第三次燒結(jié)。
也有的分兩步合成。如Y2O3-BaO-CuO三元系統(tǒng)中,先對BaCO3和Y2O3按4:1(mol)進行配料合成。然后將Ba4Y2O7和CuO按1:5(mol)進行合成Ba2YCu3O7-x。實驗表明,這樣有利于反應和控制,且重復性好,具有獲得高純單相超導材料的工藝可能性。
成型可在一般壓機上進行,也可采用等靜壓成型。當然成型方法不同會影響致密性。
燒結(jié)則對超導陶瓷的性能影響很大。燒結(jié)溫度過低,反應不完全;過高又會出現(xiàn)相分解。
燒結(jié)時間不是越長越好,過長(如超過30h)則出現(xiàn)宏觀相分凝現(xiàn)象,不同部位呈現(xiàn)不同須色。
例如,黑色區(qū)域是BaCuO2,灰黑色區(qū)域是Ba2YCu3O7-x,而綠色區(qū)域則是BaY2CuO5,只有Ba2YCu3O7-x,才有高溫超導性。
燒結(jié)時的氧分壓是很重要的控制參數(shù),氧分壓過低或過高都不利,都會導致四方相出現(xiàn)。
因此,在燒結(jié)時是否通氧,要根據(jù)實際而定。如果爐中的空氣流通性好,不必通氧氣;反之,應在通氧氣情況下燒結(jié)。
降溫速度也是重要的控制參數(shù),一般低溫淬火和高溫淬火都會使超導性破壞。對于慢降溫,則可以充分完成四方到正交的轉(zhuǎn)變,得到高零電阻溫度的超導體。
下面就Bi-Sr-Ca-Cu-O系統(tǒng)的高溫超導陶瓷的制造工藝方法進行介紹。
該系統(tǒng)采用化學純以上的Bi2O3、SrCO3、CaCO3和CuO作原料。按Bi:Sr:Ca:Cu=1:1:1:2的比例進行配料。加無水乙醇在球磨筒內(nèi)進行濕磨混料,干燥后壓成大塊進行預合成。預合成分兩次進行:第一次在800℃/12h下進行;第二次在820℃/12h下進行。合成塊料經(jīng)粉碎、粉磨之后,加PVD粘結(jié)劑進行造粒,壓成Φ28的圓片,放在Al2O3坩堝中,在860℃/12h的溫度下進行燒結(jié)。一般材料的燒結(jié)溫度范圍較窄,因此在燒成時要予以注意。材料的燒成溫度不同,其性能也不相同.
不僅如此,冷卻的條件不同對超導性能的影響也很大。
Bi- Sr -Ca- Cu-O系統(tǒng)有兩個商溫超導相并存,相對來說,較高溫度的超導相是亞穩(wěn)相。需較為合適的熱處理過程來穩(wěn)定它,同時抑制較低溫度超導相的生長和存在。