论文摘要：Gd2Ba4CuNbOy掺杂对单畴GdBCO超导块材性能的影响

钇系超导体是高温超导材料中研究最多和应用最广泛的超导材料之一，受到全世界的普遍关注。其中，利用顶部籽晶熔融织构法(TSMTG)制备的单畴GdBCO超导体，因其具有较高的临界温度、较大的无阻载流能力和较强的磁通捕获能力，使它在超导磁悬浮列车、磁浮轴承、强磁场永久磁体、超导储能飞轮和超导电机等方面具有广泛的应用前景。为了进一步提高单畴GdBCO超导块材的性能，我们通过掺杂的方法在超导基体中引入有效的磁通钉扎中心，提高了超导块材的磁悬浮力和临界电流密度Jc等性能。
本文采用传统的固相烧结工艺制备出了较纯的初始粉体和新型第二相纳米粒子Gd2Ba4CuNbOy(GdNb2411)粉体。采用TSMTG工艺成功制备出了掺杂GdNb2411纳米粒子的单畴GdBCO超导块材，并对具有不同GdNb2411掺杂量样品的表面生长形貌、磁悬浮力和微观结构等进行了系统分析；在此基础上，进一步研究了不同粒径和不同夹层位置GdNb2411掺杂对单畴GdBCO超导块材性能的影响。
在初始粉体制备方面，采用三次烧结和四次球磨相结合的方法获得了XRD较纯的GdBa2Cu3O7-δ(Gd123)、Gd2BaCuO5(Gd211)、YBa2Cu3O7-δ(Y123)和Y2BaCuO5(Y211)相初始粉体，它们对应的烧结温度分别为940℃、930℃、920℃和910℃。在新型第二相纳米粒子GdNb2411粉体制备方面，系统地研究了其物相成份、晶体结构、微观形貌、粒径尺寸和碳含量等，并确定了它的最佳烧结温度为1140℃。
研究了GdNb2411掺杂对TSMTG法制备的单畴GdBCO超导块材的生长形貌、磁悬浮力性能、微观结构以及生长前沿成份分布的影响。样品中GdNb2411按照摩尔比Gd123: Gd211: GdNb2411=1: (0.4-x): x的比例配制，从样品的表面生长形貌分析发现：样品的生长形貌与掺杂量x密切相关，当x≤0.06mol时，样品上表面光滑平整且四径分明，表现出典型的单畴形貌；当x≥0.08mol时，样品的单畴区域不再光滑和平整，表面出现褶皱，且随着掺杂量的增加，单畴区域变得越来越小。对样品的磁悬浮力测试结果表明：样品的磁悬浮力随着掺杂量x的增加先增大后减小，当x=0.06mol时，样品的磁悬浮力达到最大值，约25N。对样品的微观结构分析表明：随着掺杂量的增加，GdNb2411粒子的密度越来越大，粒子直径在100nm-300nm之间，但当掺杂量过大时，GdNb2411粒子会团聚成更大的粒子，这可能是导致样品的表面形貌发生变化和其磁悬浮力降低的主要原因。对样品的生长前沿成份分析表明：随着掺杂量的增加，大量的Gd211粒子和GdNb2411粒子被推出到Gd123相基体的外面，样品未生长区域的各元素含量严重偏离了Gd: Ba: Cu =1: 2: 3的比例，导致样品在熔融慢冷生长过程中，不能生成Gd123超导相，这可能是造成样品停止生长的主要原因。
研究了不同粒径和不同夹层位置GdNb2411掺杂对单畴GdBCO超导块材的生长形貌、磁悬浮力性能和微观结构的影响。通过对样品的表面形貌观察，我们发现：不同粒径和不同夹层位置GdNb2411粉体掺杂的样品，均能生长出具有四个光滑扇区的典型单畴形貌。样品的磁悬浮力测试结果表明：在掺杂量均为x=0.06mol，采用过筛目数为360、240、120和80目的粉体进行掺杂的情况下，GdBCO超导块材的磁悬浮力随着掺杂GdNb2411粉体粒径的减小而逐渐增大，当过筛目数n=360目时，样品的磁悬浮力最大，约25N；当采用片层状GdNb2411与Gd123进行2-2复合时，结果发现：随着GdNb2411掺杂层位置的下移，样品的最大磁悬浮力呈现出逐渐增大的趋势，当夹层位于h=3/4处时，样品的磁悬浮力达到最大值，约为14N。另外，我们对样品的微观结构进行了观察和分析，结果表明：随着样品中掺杂GdNb2411粉体过筛目数的减小，样品中GdNb2411纳米粒子的粒径逐渐增大，结果导致样品的磁悬浮力性能降低；随着样品中掺杂GdNb2411夹层位置的降低，夹层中GdNb2411粒子尺寸并无明显变化，但都出现了粒子团聚现象，样品磁悬浮力的大小主要取决于夹层上部超导块的比例。
最后，对单畴GdBCO超导块材的显微结构进行了系统的观察与分析，发现样品中存在大量Gd211粒子的团聚和长大现象以及气泡、孔洞和宏观裂纹等缺陷，它们的存在都会降低超导块材的性能，有待于进一步优化。

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