预磁化对SmBCO超导块材磁悬浮性能的影响.pdf 6页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn预磁化对SmBCO超导块材磁悬浮性能的影响**王雅囡，杨万民，杨芃焘5（陕西师范大学物理学与信息技术学院，西安710119）摘要：本实验用顶部籽晶熔渗生长法(TSIG)成功制备了掺杂0.5wt%CeO2的直径为20mm，厚度为10mm的SmBCO超导块材。研究了样品在不同外加磁场条件下所能捕获的捕获磁场的大小和捕获磁场对样品磁悬浮性能的影响，实验结果表明：(1)捕获磁场随着外加磁场10的增大而增大，随后几乎达到饱和；当外加磁场从0T增加到1.4T时，样品捕获磁场的最大值从0T增加到0.755T。(2)随着捕获磁场的最大值从0T增加到0.755T，样品磁悬浮力的最大值从49.2N下降到-15.77N，吸引力的最大值从0N增大到28.5N。本实验的研究结果对于超导块材的应用具有积极的影响。关键词：SmBCO超导块材；外加磁场；捕获磁场；吸引力15中图分类号：O469TheInfluenceofPremagnetizationontheLevitationForceofSmBCOBulksuperconductorWANGYa-nan,YANGWanmin,YANGPengtao20(PhysicsandInformationTechnologySchool,ShaanxiNormalUniversity,Xi"an710119)Abstract:SingledomainSmBCObulkcontaining0.5wt%CeO2withdiameterin20mmandthicknessin10mmhasbeenprepared.Theeffectofappliedmagneticfield(Ba)onthetrappedfield(Btr)andtheeffectofBtronlevitationforceshavebeeninvestigated,themainconclusionsareasfollows:(1)Thetrappedfield(Btr)ofthesampleincreaseswiththeincreasingoftheBa,andthen25nearlysaturated,themaximumtrappedfield(Btr,max)increasesfrom0Tto0.755TwiththeincreasingofBafrom0Tto1.4T.(2)Themaximumlevitationforcedecreasesfrom49.2Nto-15.77Nandtheattractiveforceincreasesfrom0Nto28.5NwiththeincreasingofBtr,maxfrom0Tto0.755T.Theresultsareveryimportantforthepracticalapplicationofthesuperconductor.Keywords:SmBCObulksuperconductor;appliedmagneticfield;trappedfield;attractiveforce300引言高温超导体REBCO(RE:Y、Gd、Nd、Sm等)由于具有高的临界转变温度、临界电流密[1-3]度、捕获磁场、磁悬浮力而可以被广泛应用到工程应用上；特别是其具有大的磁悬浮力和良好的自稳定磁悬浮性能可以用于超导磁悬浮列车的开发应用研究上。因此对超导块材磁35悬浮性能的研究很有必要，Kuehn等用YBCO超导块材研究了预测化对超导块材磁悬浮性[4]能的静态、动态的自稳定性；Liu等研究了捕获磁场对超导块材在磁场分布不同的磁体轨[5]道上的磁悬浮性能的影响。Kuehn等的研究是在磁体轨道上对其进行场冷来研究样品的自稳定性，Liu等是通过电磁铁对样品进行充磁后再对其与永磁体的磁悬浮力进行的测量，且测力过程中捕获磁场的方向与永磁体的磁场方向是相反的。不同于Kuehn等和Liu等的研究，作者简介：王雅囡（1992-），女，主要研究方向：高温超导块材的制备及性能研究通信联系人：杨万民（1964-），男，教授、博导，主要研究方向：高温超导块材的制备及其性能的研究.E-mail:yangwm@snnu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn40本实验通过电磁铁对超导块材进行充磁后，对具有不同捕获磁场强度的超导块材与永磁体之间的相互作用力进行了测量研究，且捕获磁场的磁场方向与永磁体的磁场方向一致。1实验过程1.1样品的制备将碳酸钡(BaCO3)和氧化铜(CuO)粉体按1:1的摩尔比混合均匀后通过固相反应烧结法45制备出BaCuO2(011)粉体，为了得到尽可能纯的011粉体，可对011粉体进行三次烧结四次混合。将氧化钐(Sm2O3)、011粉体、CeO2粉体按(Sm2O3+1.2BaCuO2)+0.5wt%CeO2的摩尔比混合均匀制备出固相先驱粉体，将氧化钇(Y2O3)、CuO、011粉体按1:6:10的摩尔比混合均匀制备出液相先驱粉体。称取15g的固相粉体压制成直径为20mm的固相先驱块，称取21g的液相粉体压制成直径为30mm的液相先驱块，另外称取5g的氧化镱(Yb2O3)压制50成直径为30mm的垫片用于支撑液相块。将垫片、液相先驱块、固相块从下到上依次按如图1所示的装配方式放置在具有相同高度的MgO单晶上，为了防止固相块在高温下产生裂纹，在固相块和液相块之间夹一层2g的011粉体，整个装配都在Al2O3板上进行，最后将准备好的NdBaCO籽晶放置在固相块的中心位置，且籽晶的a-b面与固相块接触。55图1SmBCO超导块材的装配方式图Fig.1TheconfigurationoftheSmBCObulkbeforeheattreatment将装配好的先驱块放入高温炉中，经如下的热处理程序使其生长成SmBCO单畴超导块材：首先将高温炉经5h从室温加热到850ºC并在此温度下保温10h；随后经1.5h加热到1070ºC并在此温度下保温1.5h；接着样品经15min被冷却到1060ºC并以0.4ºC/h的速率60慢冷至1042ºC/h；最后随炉降温至室温；生长好的单畴SmBCO超导块材如图2所示。将生长好的SmBCO超导块材放入管式炉中并通以氧气，使样品在270ºC退火200h以完成非超导相向超导相的转变。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn65图2SmBCO超导块材的宏观形貌图，(a)上表面形貌图，(b)侧面形貌图Fig.2ThemacromorphologyofSmBCObulksuperconductor,(a)thetopsurface,(b)thesideview1.2捕获磁场和磁悬浮力的测试样品的捕获磁通和磁悬浮力用本实验室自制的三维磁力磁场测试装置进行测量。其具体的测试过程如下：第一步，将样品放置在外加磁场(Ba=0.2T、0.4T、0.6T、0.8T、1.0T、701.2T、1.4T)中进行充磁，接着将其冷却到液氮温度，外加场由电磁铁提供；第二步，对样品的捕获磁场(Btr)用三维磁力磁场测试装置进行测量；第三步，按如图3所示的测量方式用三维磁力磁场测试装置对样品与永磁体(直径为20mm，表面磁场强度为0.5T)之间的相互作用力进行测量；第四步，测试完磁悬浮力后，对样品的捕获磁场再次进行测量。75图3磁悬浮力测试装配示意图Fig.3Theschematicillustrationofexperimentalconfigurationformeasuringthelevitationforce2结果与讨论图4为外加磁场不同时，所测得的距样品a-b面0.5mm处的捕获磁通密度分布图，从图4可以看出，当外加磁场从0.2T增加到1.2T时，样品的捕获磁场均程现对称的单畴形80貌，表明该样品具有良好的磁单畴性；并且随着外加磁场的逐渐增加，样品的捕获磁场也不断增大，捕获磁场的最大值(Btr,max)分别为0.151T(Ba=0.2T)、0.3T(Ba=0.4T)、0.436T(Ba=0.6T)、0.546T(Ba=0.8T)、0.562T(Ba=1.0T)、0.656T(Ba=1.2T)、0.755T(Ba=1.4T)。-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图4样品的捕获磁通密度分布图，(a)Ba=0.2T，(b)Ba=0.4T，(c)Ba=0.6T，(d)Ba=0.8T，(e)Ba=1.0T，(f)85Ba=1.2T，(g)Ba=1.4T。Fig.4Thedistributionofthetrappedfieldofsample,(a)Ba=0.2T,(b)Ba=0.4T,(c)Ba=0.6T,(d)Ba=0.8T,(e)Ba=1.0T,(f)Ba=1.2T,(g)Ba=1.4T.图5为捕获磁场不同时所测得的样品与永磁体之间的相互作用力曲线。从图5可以看出，随着捕获磁场的增大，超导体与永磁体之间的斥力逐渐减小，吸引力逐渐增大，样品磁悬浮90力的最大值从49.2N下降到-15.77N，吸引力的最大值从0N增大到28.5N。这是因为超导体与永磁体之间的相互作用力F是由超导体的抗磁性所产生的斥力Fs和超导体所捕获的捕获磁场与永磁体磁场之间的相互作用力Fm共同作用的结果，且Fs和Fm的方向相反，所以超导体与永磁体的相互作用力可以用公式表示为:F=Fs-Fm(1)95从公式(1)可以看出，当捕获磁场逐渐增大时，Fm将逐渐增大，而Fs是不变的，因此超导体与永磁体之间的相互作用力逐渐由斥力变为吸引力。图5样品的磁悬浮力曲线-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnFig.5TheLevitationforceofthesample100图6为测试完样品的磁悬浮力后样品的捕获磁通密度分布图，同图6可以看出，测试完样品的磁悬浮力后，样品的捕获磁通分布仍呈现单畴形貌，且捕获磁场的最大值(Btr,max")分别为0.179T(Ba=0.2T)、0.31T(Ba=0.4T)、0.435T(Ba=0.6T)、0.558T(Ba=0.8T)、0.618T(Ba=1.0T)、0.707T(Ba=1.2T)、0.735T(Ba=1.4T)。图7为Btr,max和Btr,max"随Ba的变化规律图，从图中可以看出，经过磁悬浮力的测试后，样品的捕获磁场几乎没有收到永磁体磁场的影响，在105Ba=1.0T和Ba=1.2T时甚至有所增加，这是因为永磁体磁场方向与捕获磁场方向相同。图6测试完样品的磁悬浮力后的捕获磁通密度分布图，(a)Ba=0.2T，(b)Ba=0.4T，(c)Ba=0.6T，(d)Ba=0.8T，(e)Ba=1.0T，(f)Ba=1.2T，(g)Ba=1.4T。Fig.6Thedistributionofthetrappedfieldofsampleafterthemeasurementoflevitationforce,(a)Ba=0.2T,110(b)Ba=0.4T,(c)Ba=0.6T,(d)Ba=0.8T,(e)Ba=1.0T,(f)Ba=1.2T,(g)Ba=1.4T.图7Btr,max和Btr,max"随Ba的变化规律图Fig.7Ba-dependentBtr,maxandBtr,max"-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn3结论115本文用顶部籽晶熔渗生长法制备出了高质量的单畴SmBCO超导块材，并研究了捕获磁场对样品磁悬浮性能的影响，结果显示，随着捕获磁场的增大，样品的磁悬浮力逐渐减小，并逐步表现为吸引力；且随着捕获磁场的增大，样品磁悬浮力的最大值从49.2N下降到-15.77N，吸引力的最大值从0N增大到28.5N。本实验的研究结果对于超导块材的应用具有积极的影响。120致谢感谢实验室成员在实验过程中的帮助，感谢杨万民老师的指导，感谢家人的支持。[参考文献](References)[1]YOOSI,SAKAIN,TAKAICHIH,HIGUCHIT,MURAKAMIM.MeltprocessingforobtainingNdBa2Cu3OysuperconductorswithhighTcandlargeJc[J].Appl.Phys.Lett.,1994,65(5):633-635.125[2]IKUTAH,MASEA,YANAGIY,YOSHIKAWAM,ITOHY,OKAT,MIZUTANIU.Melt-processedSm-Ba-Cu-Osuperconductorstrappingstrongmagneticfield[J].Supercond.Sci.Technol.,1998,11:1345-1347.[3]BABUNH,LOW,CARDWELLDA,CAMPBELLAM.TheirreversibilitybehaviorofNdBaCuOfabricatedbytop-seededmeltprocessing[J].Appl.Phys.Lett.,1999,75(19):2981-2983.[4]KUEHNL,MUELLERM,SCHUBERTR,BEYERC,HAASODE,SCHULTZL.StaticandDynamic130BehaviorofaSuperconductingMagneticBearingUsingYBCOBulkMaterial[J].IEEETrans.Appl.Supercond.,2007,17:2079-2082.[5]LIUW,WANGJS,LIAOXL,YECQ,MAGT,ZHENGJ,WANGSY.InfluenceoftheTrappedFieldontheLevitationPerformanceoftheMagnetizedBulkHigh-TcSuperconductor[J].Supercond.Nov.Magn.,2011,24:1563-1569.-6-'