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在涂层超导的结构中,过渡层起到了外延基底织构,阻止基底和超导层反应等作用,因此它是获得高性能超导带材的基础。在诸多的过渡层材料中,CeO2以其特有的物理性能和晶体学结构成为过渡层的首选材料之一,而化学溶液方法由于其简单的制备过程、非真空的工作条件以及精确的化学计量配比等是最有希望制备YBCO涂层超导长带材的工艺路线。本文主要研究了采用化学溶液沉积(CSD)法在立方织构的Ni-5at.%W(Ni5W)合金基带上制备高性能的CeO2过渡层。分析了CeO2前驱溶液的性质,获得了重复制备CeO2过渡层的试验工艺;优化了制备高质量CeO2/Ni5W过渡层的热处理工艺;表征了CeO2薄膜的表面质量,最终用CSD法在Ni5W基底上成功制备了高质量的CeO2过渡层。
采用热重分析(TG)和差示扫描量热法(DSC)分别研究了前驱盐和前驱液干凝胶粉末的热分解性质,确定了前驱膜的烧结温度范围。利用傅立叶红外光谱仪(FTIR)对前驱液的凝胶粉末进行分析,证明前驱盐和溶剂丙酸反应生成了丙酸盐。视额光学接触角仪的测试结果表明不同浓度的CeO2前驱溶液与Ni5W基底之间均具有良好的浸润性。试验过程中,本文对CeO2薄膜的重复制备工艺进行了系统的研究,并采用延长清洗时间和进行高温除湿的方法解决了CeO2薄膜重复制备过程中出现的问题。为了验证重复工艺的可行性和使用效果,本文采用醋酸铈为前驱盐在YSZ单晶和Ni5W基底上分别制备出了具有锐利c轴取向且表面质量较好的CeO2薄膜,其中单晶上薄膜5×5μm2范围内的均方根粗糙度(Rrms)只有2.72nm。
与醋酸铈相比,乙酰丙酮铈可以在有机溶剂中完全溶解,从而以乙酰丙酮铈为前驱盐制备的前驱液的阳离子浓度可以得到精确的控制,因此本文以乙酰丙酮铈为前驱盐首先开展了一步法制备CeO2薄膜的工艺研究,优化了CeO2薄膜的烧结温度,并对优化温度下制备的CeO2薄膜的表面和织构进行了分析,其1100℃下制备的CeO2薄膜(111)(φ-scan和(200)摇摆曲线的半高宽值分别为6.30°和5.21°。为了改进薄膜的致密度和均匀性,在一步法的基础上本文还探索了采用两步法制备CeO2薄膜的新路线,用该方法制备的CeO2薄膜不仅具有锐利的立方织构,而且表面质量也相比一步法得到了改善。在Ni5W基底上,以5℃/min升温速率,1100℃烧结制备的CeO2薄膜的(111)(φ-scan和(200)摇摆曲线的半高宽值分别为6.10°和5.10°,该薄膜的均匀性和致密度均优于一步法获得的CeO2薄膜。
综上所述,本文探索了采用化学溶液沉积方法以醋酸铈和乙酰丙酮铈为前驱盐在立方织构的金属Ni5W合金基带上制备CeO2过渡层薄膜的工艺技术,在织构的金属合金基带上采用两步法的工艺路线以乙酰丙酮铈为前驱盐重复制备出了具有锐利立方织构的CeO2过渡层,过渡层表面平整致密,没有裂纹和孔洞,为后续沉积YBCO超导层提供了良好的模板。