强电用超导材料的发展现状与展望

超导材料具有常规材料不具备的零电阻、完全抗磁性等宏观量子现象,是典型的量子材料。在强电应用领域,使用超导材料可以实现常规技术无法实现的超强磁场、大容量储能等诸多颠覆性技术,因此,强电用超导材料制备技术一直是国际高技术竞争前沿。本文通过梳理国内外强电用超导材料及其制备技术的发展现状,系统分析和阐明了包括低温超导材料NbTi、Nb_(3)Sn和高温超导材料YBCO涂层导体、Bi-2223带材、Bi-2212线材以及MgB_(2)线材等实用化超导材料在强电应用领域的发展趋势。分析我国强电用超导材料发展存在的问题,我国需要以开发出面向不同强电应用需求的高性能超导材料体系为基础,实现超导材料和强电应用产品的协同发展,推动强电用超导材料制备技术和应用技术的创新水平提升和产业化规模。研究建议,通过国家层面组织“产学研用”联合攻关,实现低温超导材料产业升级,突破高温超导材料批量化制备关键技术的发展思路,实现强电用超导材料的快速发展和应用。

REBCO高温超导长带临界电流连续化测量及其均匀性表征

由于具有高临界转变温度(Tc)、高临界电流密度(Jc)和高上临界磁场(Bc2)等优点,第二代高温超导体(REBCO,RE=稀土元素)得到广泛应用,临界电流(Ic)及其沿长度方向均匀性和n-值是重要的关键参数。文章综述了高温超导长带临界电流及其沿长度方向均匀性以及n-值的测量方法,综合比较了各种测量方法的优缺点,并讨论了各种方法的适用范围、测量条件以及测试数据等,旨在为高温超导长带测量方案提供依据,为后续测量标准的制定提供参考。

金属有机溶液法制备YBa_2Cu_3O_(7-δ)超导薄膜的厚化特性

三氟乙酸–金属有机沉积法(TFA-MOD)是YBa2Cu3O7-δ(YBCO)涂层导体制备最有前景的技术路线之一。采用添加高沸点有机溶剂二乙醇胺(DEA)对TFA-MOD法进行调制改进,抑制了缺陷形成,并通过增加前驱液金属阳离子浓度提高了单次涂敷薄膜的厚度。研究表明:低温热解膜厚度和前驱液粘度与前驱液中阳离子浓度的依赖关系均呈现幂指数关系;选择合适的前驱液浓度和涂覆参数,单次涂敷获得了较厚的薄膜,厚度达到1.3μm以上,且表面平整无开裂,微观结构总体均匀,但厚膜表面出现弥散的异质相颗粒。超导临界电流密度的测量结果显示:随着超导薄膜厚度的增加,临界电流密度呈下降趋势,而超导临界电流得到显著的提高,如前驱液浓度为2.5 mol/L样品的临界电流Ic是前驱液浓度为1.0 mol/L样品的4.7倍。

第二代高温超导长带传输临界电流标准化研究

由于具有较高的临界转变温度、临界电流密度和上临界磁场等优势,第二代高温超导带材在各类实用化超导材料中受到格外关注,近年来产业化及其应用发展快速。百米以上的电缆示范工程项目已在国内外多个场景下进行。而第二代高温超导带材临界电流测试方法繁多,如磁测法和传输法等,经过近年来的努力,我们对长样第二代高温超导带材的临界电流及其n-值进行过多次循环比对实验,研究了其标准化测量技术及其均匀性表征方法。在当前形势下,临界电流标准化建设是第二代高温超导带材产业化和规模应用的助推器。同时,可为国际同行技术交流以及贸易消除障碍,进一步提升了我国产品在国际市场上的竞争力。本文详细介绍了《临界电流测量第二代高温超导长带临界电流及其沿长度方向均匀性》国家标准的建立及研究历程,体现了标准化过程的严谨性和科学性。

MOD-REBCO高温超导涂层导体的人工磁通钉扎及其调制进展

在过去的20年,REBCO(REBa_(2)Cu_(3)O_(7-δ),RE=Y,稀土元素)涂层导体被认为是最具应用潜力的超导材料之一.虽然其性能上的研究取得了很大的进展,但仍需要在REBCO薄膜中人工引入有效的磁通钉扎中心以满足更高的在场性能需求.元素掺杂是引入人工磁通钉扎中心常见的手段.在金属有机沉积(Metal-organic Deposition,MOD)制备的REBCO薄膜中,传统元素掺杂引入的异质元素以离子形态分散于前驱薄膜中并在高温过程中以离子扩散的形式生成对应的异质相,一般较难控制其生长、尺寸和分布等.在MOD路线中可采取如中温处理、超薄层涂敷和多元掺杂等多种手段对异质相进行优化,但作用较有限.基于对引入的异质相尺寸和分布上的高要求,采用预先制备特定尺寸的纳米晶后再添加REBCO的技术路线能很好地解决传统元素掺杂遇到的问题,能获得含有尺寸可控的弥散分布纳米晶的REBCO纳米复合薄膜.调整预制条件可得到尺寸在3-15 nm范围内的BaMO_(3)(M=Zr,Hf)纳米晶,经过改性后,单分散于REBCO前驱液和晶化膜中,使每个纳米晶都形成有效的磁通钉扎中心.纳米晶添加技术同样适用于不同厚度的REBCO薄膜,超导层厚度为3.2μm的YBCO纳米复合带材比1.5μm厚的常规YBCO带材在低温30 K@0-7 T范围内在场I_c性能提升了5倍左右.4 mm宽的厚膜带材在4.2 K@20 T的低温高场条件下可实现290 A的载流.另外,因为弥散分布、尺寸可控的纳米晶作为钉扎中心,使得YBCO带材在不同低磁场方向的I_c(77 K)的各向异性受到了明显抑制,趋于各向同性.该技术易于引入产业化生产流程中,并能稳定制备得到长达300-500 m的REBCO长带材,具有高的商业和科研价值.

第二代高温超导带材焊接技术研究

第二代高温超导带材(REBCO)接头技术对拓展带材应用,推进市场化进程有着重要意义。本文阐述了非超导焊接技术和超导焊接技术的焊接原理。总结了焊料焊接法制备的接头电阻受到焊接压力、焊接长度和焊接方式等因素的影响。全面梳理了熔融扩散焊接法制备超导接头所用的吸氧方式和超导层生长焊接法制备超导接头所受到的影响因素。

强磁场用第二代高温超导带材研究进展与挑战

强磁体应用是高温超导材料研究的最大驱动力之一.最近基于REBa2Cu3O7-δ(RE123)涂层导体的超导磁体的中心磁场达到了26.4 T,为目前全高温超导磁体的最好水平,超过NbTi-Nb3Sn基超导磁体极限;同时,在低温超导背景场中内插17 T的第二代高温超导(2G-HTS)带材磁体实现了32 T的全超导磁体,打破了该类磁体磁场强度的世界纪录.这些强磁场技术的突破正是基于高温超导材料的进步,充分显示了高温超导材料在强磁场应用中的诱人前景.然而高温超导磁体技术能否得到进一步发展与广泛应用,还取决于高温超导材料的基础性能、成材效率和性价比的改善和提升.本文将介绍第二代高温超导带材及其磁体应用技术的国内外发展现状,主要包括第二代高温超导带材的技术路线、我国低成本化学法产业化发展情况、人工磁通钉扎技术和磁场下传输性能的提高、超导厚度诱导的临界电流密度下降以及焊接、机械性能等强电应用相关的关键科学和技术问题等.

新型电力传输材料——REBaCuO高温超导涂层导体

REBaCuO(简写为RE123,RE=Y,Gd等稀土元素)高温超导涂层导体也称第二代高温超导(2G-HTS)带材,通过柔性金属基带上的薄膜外延和双轴织构技术发展而来,解决了陶瓷性铜氧高温超导体的晶界弱连接和机械加工难等问题,是当前液氮温区运行下电磁性能较为优越的实用高温超导材料。文章首先对新型电力传输材料——高温超导涂层导体的各类技术路线和国内外发展现状进行概述;随后对低成本的化学溶液法2G-HTS长带的关键制备技术和当前进展进行介绍;最后针对强磁场和大电流应用背景,对REBaCuO涂层导体的磁传输各向异性、磁通钉扎及其人工调制等最新研究进展进行评述。

基于第二代高温超导带材的磁体研究进展与挑战

随着第二代高温超导(2G-HTS)带材技术的进步和性价比的提高,世界各地的科研机构纷纷展开了基于REBa2Cu3O7-δ(RE123)带材的磁体研制。RE123带材具有极高的载流能力和在场性能,能产生低温超导(LTS)磁体不能达到的强磁场(>24 T)。然而,RE123磁体依然面临着诸多挑战,如磁体的工艺技术、带材的机械性能及性价比等都还需要进一步的提升与优化。文章首先介绍了用于磁体绕制2G-HTS带材,包括其成材工艺、在场性能及应力应变影响等;其次讨论了超导磁体研制的重要技术问题,包括RE123线圈技术、磁体失超保护、屏蔽电流效应及交流损耗等;最后对国内外2G-HTS磁体的研究进展进行了总结,包括磁体的设计方案、技术特点和运行情况等。

Ta离子辐照对YBa_(2)Cu_(3)O_(7–δ)的微观结构和载流特性的影响

高温超导YBa_(2)Cu_(3)O_(7–δ)(YBCO)涂层导体也称为第二代高温超导带材(2G-HTS带材),在能源、交通等领域具有广泛的应用前景.然而,其在强磁场下临界电流密度较低的问题严重限制了其应用,因此提升其磁通钉扎和在场载流能力是YBCO涂层导体的研究热点.本文利用1.9 GeV的Ta离子对YBCO带材进行辐照,研究了不同剂量的Ta离子辐照后YBCO带材的微观结构和载流特性变化.样品的场发射透射电子显微镜(field emission transmission electron microscope,FETEM)图像显示,辐照过程中高能^(181)Ta^(32+)离子在薄膜中形成了~10 nm尺寸的柱状缺陷,说明辐照后样品中产生了有效的钉扎中心.通过磁学测量系统(magnetic property measurement system,MPMS)对辐照样品的载流特性进行研究,发现当Ta离子剂量低于5.0×10^(10)ions/cm^(2)时,样品的临界转变温度T_(c,on)并无明显变化,但当剂量达到5.0×10^(10)ions/cm^(2)时,T_(c,on)减小了约0.6 K;当剂量高于1.0×10^(8)ions/cm^(2)时,由零场冷磁化强度随温度变化情况可知,辐照样品的超导抗磁相明显多于无辐照样品.同时,较高辐照剂量如5.0×10^(10)ions/cm^(2)YBCO样品的J_(c)较高,不同磁场下的J_(c)均得到了明显提升,30 K、1 T时的提升因子达到了3.8(提升因子定义为不同温度、外场下的J_(c)与77 K自场下J_(c)的比值),为同温度同场下无辐照样品的3倍.将临界电流密度J_(c)与磁场强度H的关系采用J_(c)∝H–β进行拟合,发现高剂量样品的磁通匹配场H*和表征随磁场衰减参数β增大了.此外,约化钉扎力密度标度关系显示,在低场下,样品中的钉扎类型在低辐照剂量下主要是面钉扎,当辐照剂量达到5.0×10^(10)ions/cm^(2)时开始向点缺陷钉扎类型转变,高场下则是所有样品都更符合面钉扎类型.