● 摘要
为了加快YBCO超导块材的实用化进程，拓宽其应用范围，就必须不断地改进和提高其各项物理性能，制备大尺寸、高质量的YBCO超导块材。本文采用新TSIG法从温场分布和元素替代两个方面对提高YBCO超导块材性能进行了研究。首先，研究了晶体生长炉垂向的三个不同的温度梯度，即正温度梯度、零温度梯度和负温度梯度对新TSIG法制备的单畴YBCO样品的影响，确定了最适合制备高性能单畴YBCO样品的温度梯度条件，在此基础上提出了制备大尺寸超导块材的新方法；其次，在确定的负温度梯度条件下，研究了不同掺杂量的Co2O3(或ZnO)对单畴YBa2(Cu1-xMx)3O7-δ (M=Co，Zn)超导块材的影响。
通过研究不同垂向温度梯度(vertical temperature gradient, VTG )下制备的单畴YBCO样品后发现：(1)在不同VTG下都可以生长出单畴形貌的YBCO超导块材，但在正VTG下生长的样品的单畴区域没有布其表面；所有样品侧面的a/a-GSB生长迹象均已达到样品的底部，样品的c轴生长完全；每个样品的侧面都可以看到一些未生长的区域，但这些未生长区域的尺寸不相同，其中正VTG的最大。(2)在正VTG、零VTG和负VTG下生长的YBCO样品的Y123片层厚度不同。(3)单畴YBCO样品的a/c-GSB与其上表面形成的夹角α对VTG有着敏感的反应，在正VTG、零VTG和负VTG下其值分别为35°、40°、45°；由tanα=Rc/Ra(Ra与Rc分别为YBCO晶体沿ab面生长速率和沿c轴的生长速率)，且Ra1 = Ra2 = Ra3可知，正(负)VTG可以增大(减小)Rc，YBCO晶体的Rc越小，样品的纯c轴生长区域的体积分数(Vfc)就越高。(4)利用负VTG和多籽晶技术各自优点相结合的方法提出了制备高Vfc的大尺寸单畴YBCO超导块材的晶体生长方法，由该方法制备的大尺寸单畴YBCO样品的物理性能将远远高于传统的在均温场中由单个籽晶引导制备的大尺寸单畴YBCO样品的物理性能。(5)不同的VTG对YBCO的临界温度(Tc)几乎没有影响；但不同的VTG会影响样品的物理性能，在正VTG、零VTG和负VTG下生长的YBCO样品的最大磁悬浮力和最大捕获磁通密度分别为32.4 N和0.3040 T，34.8 N和0.3220 T，38.3 N和0.3780 T，即负VTG条件更适合生长高质量的单畴YBCO超导块材。(6)YBCO样品的Vfc越大，其物理性能越好，正VTG下生长的样品S1的Vfc最小为25%，零VTG下生长的样品S2的Vfc较大为37.5%，而负VTG下生长的样品S2的Vfc最大为53.6%，这与样品S1，S2，S3的物理性能所呈现的规律相一致。
采用新的TSIG法在最适合样品生长的负VTG下制备了系列金属氧化物掺杂的单畴YBa2(Cu1-xMx)3O7-δ (M=Co，Zn)超导块材，并研究了不同掺杂量对其宏观形貌、显微组织形貌、磁悬浮力、捕获磁通密度分布以及Tc的影响，通过分析发现：(1) Co2O3(或ZnO)的掺杂量不同时对样品表面和侧面的生长形貌以及微观结构基本没有影响，即Co2O3在掺杂范围x=0~0.4wt%以及ZnO在掺杂范围x=0~1.0wt%内样品均具有典型的单畴形貌，而且样品内部微观结构也没有发生显著的变化。(2) 样品的磁悬浮力和捕获磁通密度都随着Co2O3(或ZnO)掺杂量的增加出现先增大后减小的趋势：掺杂Co2O3时，样品的最大磁悬浮力和最大捕获磁通密度分别为37.3 N和0.4380 T，相应的掺杂量分别为x=0.06wt%和x=0.04wt%；掺杂ZnO时，样品的最大磁悬浮力和最大捕获磁通密度分别为36.8 N和0.4160 T，相应的掺杂量为x=0.10wt%。因此，适量的Co2O3（或ZnO）掺杂都能提高样品的磁悬浮力和捕获磁通能力，而过量的掺杂则会降低其物理性能。(3) Tc随co2O3或ZnO掺杂量x的增加表现出不同程度的单调下降，但两组样品的物理性能并没有呈现单调下降规律的原因是：co2O3或ZnO掺杂量较小时，Tc的下降程度较小，且由元素替换引起磁通钉扎中心能够起到较好的作用效果，有利于样品性能的提高；当掺杂量合适时，Co3+离子替代Cu(1)位或Zn2+离子替代Cu(2)位所产生的晶格畸变起到了磁通钉扎中心的作用，所以样品的物理性能最佳；co2O3或ZnO掺杂量超过最佳值时，样品的性能由于Tc进一步的下降而逐渐减小。(4) co2O3或ZnO使Tc降低的程度不同，是因为Co3+和Zn2+的化合价以及它们进入YBCO晶格后替换晶体中不同的Cu位(Cu(1)和Cu(2)位)所致。