铁基超导线带材研究现状及展望

铁基超导体具有极高的上临界磁场、较小的各向异性、简单的制备工艺等优点,在高场超导磁体、核磁共振谱仪、可控核聚变装置、高能粒子加速器等领域具有重要的应用前景。为满足上述高场强电应用需求,必须制备出高性能超导线带材。文章详细介绍了多种体系铁基超导线带材的研究进展,分析当前线带材研究中存在的问题,提出改善线材传输性能的途径,并对铁基超导线材的发展趋势进行展望。     

国际首根百米量级铁基超导长线的研制

在铁基超导带材短样性能不断获得提高的基础上,为了进一步推动其实用化进程,本研究组在国际上率先开展了多芯线带材制备工艺和线带材规模化制备工艺的研究。在高场强电应用中,为了防止磁通跳动,减少交流损耗,必须使用复合在金属基体中的多芯丝超导线带材。本研究组以粉末装管法制备的单芯铁基超导线材为基础,将单芯线进行复合二次装管,通过对复合包套多芯结构在线材成型加工工艺路线的探索和优化,于2013 年制备出国际首根高性能122型铁基超导多芯线带材(图2)。经热压工艺处理的7 芯和19 芯铁基超导带材在4.2 K,10 T 下同样展示出6.1×10⁴ A/cm²和3.5×10⁴ A/cm²的高电流传输性能(图1),为目前国际已报道的最高值。另一方面,线带材的规模化制备需要我们探索高致密度线材连续成型工艺。2014 年,通过对制备过程中涉及的相组分与微结构控制、界面复合体均匀加工等关键技术的系统研究,本研究组采用连续轧制工艺成功研制出长度达11 m的高性能Sr-122 铁基超导长线(图3),线材的电流传输表现出良好的均匀性,其性能波动小于5%,整根线材的临界电流的平均值为1.84×10⁴A/cm²(4.2 K,10 T)。这是国际上首根10 m量级的铁基超导线材,标志着线材规模化制备走出的第一步。     

122型铁基超导线带材实用化研究进展

在种类众多的新型铁基超导材料中,122型铁基超导体具有高转变温度、超高上临界场、低各向异性、高临界电流密度等优点,因此成为高场应用领域最具竞争力的铁基超导材料.目前122型铁基超导线带材在4.2 K,10 T下的传输临界电流密度已经超过10⁵A/cm²这一实用化门槛值,表现出十分广阔的应用前景.本文回顾了新型铁基超导体的发现及发展历程,结合122型铁基超导体的自身特点,就如何制备高性能122型铁基超导线带材展开讨论,同时对粉末装管法制备流程中影响线带材性能的几大关键因素进行了详细分析.重点介绍了近年来122型铁基超导线带材的实用化研究进展,包括高强度线带材的制备、圆线的研制、多芯线材及长线的制备、超导接头的研究、力学性能及各向异性的研究等.对122型铁基超导线带材实用化研究进行了总结,并对其未来的发展趋势进行了展望.     

实用化超导材料研究进展与展望

超导技术是21世纪具有重大经济和战略意义的高新技术,在国民经济诸多领域具有广阔的应用前景,如在超导弱电应用中的超导量子干涉器、滤波器;在超导强电应用中的电缆、限流器、电机、储能系统、变压器、磁体技术、医疗核磁共振成像、高能物理实验和高速交通输运等。实用化超导材料是超导技术发展的基础。目前,国际上发现的实用化超导材料主要有低温超导线材、铋系高温超导带材、YBCO涂层导体、MgB₂线带材以及新型铁基超导线带材。文章在简要介绍超导材料发展历程的基础上,重点综述了上述实用化超导材料制备及加工、性能和应用方面的最新研究进展,并对相关领域存在的问题及今后的发展作出展望。     

IMD-MgB2超导线材的研究进展

中心镁扩散技术(IMD)自2003年被Giunchi等人首创以来,国内外学者系统地揭示了Mg与B反应机制,MgB_(2)烧结成相过程及掺杂物的影响;IMD-MgB_(2)线材具有致密的MgB_(2)层,J_(e)远高于同等条件下传统PIT法制备的线材.目前IMD-MgB_(2)百米级线材已被成功制备,为IMD-MgB_(2)超导线材的生产应用奠定了基础.本文首先简要介绍了IMD-MgB_(2)超导线材的发展历程,其次讨论了对线材超导性能影响的相关因素,包括B粉和C掺杂、有效的MgB_(2)层密度、晶粒尺寸、粉末填充系数、线材直径、热处理条件及线材的交流损耗,最后简述了IMD-MgB_(2)超导线材目前存在的技术难题及未来的工作重心.     

双根扭绞高温超导方形细线的交流损耗特性研究

在超导电力工程实际应用中,如何提高超导线材的载流能力和机械性能,有效降低交流损耗及磁场依赖性,都是相关研究领域的持续热点。通过优化高温超导方形细线的并联结构,制成双根扭绞超导线材就是其中的有益探索。采用电测法,在77 K和零外场条件下,对双根扭绞超导线材样品分别测试不同频率下的交流损耗,再分别测试固定频率时不同扭绞节距下的交流损耗,对实验结果进行对比分析,表明堆叠扭绞操作可以减少双根结构线缆通流时每根方形线所产生磁场对彼此之间的影响,减小线材交流损耗。课题研究验证了方形细线可以通过有效扭绞提升相关性能,为其后续工程应用提供了良好的数据支撑和实验基础。     

用于快脉冲超导磁铁的液氦内冷电缆的设计（英文）

中科院近代物理所提出的强流重离子加速器装置将使用快脉冲超导磁铁技术。为了获得快脉冲磁铁运行的稳定性,研制了适用于快脉冲运行的液氦内冷电缆。该电缆采用超临界氦进行迫流冷却,具有交流损耗低、所用液氦少和冷却效率高的特点,是研制快脉冲超导磁铁的关键技术之一。文中主要介绍电缆的设计和交流损耗并简单描述电缆的加工。用于绞缆的超导线材的性能决定了电缆的性能,因此首先进行超导线的研制。通过研制三种不同基体(纯铜基、铜镍基和铜锰基)的超导线材,以获取低损耗和高临界电流的超导线,进而得到运行稳定性高的电缆。当背景磁场变化为0T-3T-0T时,测得三种线材的磁滞损耗分别为29.7m J/cm3,18.8m J/cm3和26m J/cm3。超导线的耦合损耗很大程度上取决于横向电阻率的大小,相比纯铜基的线材铜镍基和铜锰基体的横向电阻率较大,因此耦合损耗小。在4.2K温度时不同磁场下铜基线的临界电流要高于另外两种线材,但铜锰基体线材的临界电流要略高于铜镍基线材。通过比较三种线材的性能,选用铜锰基体线材进行绞缆较为适合。     

石墨掺杂MgB2线材制备及其超导性能研究

利用原位粉末套管法制备出石墨掺杂的MgB2-xCx／Fe（x=0．00，0．05，0．10）超导线材，采用两种工艺制度对线材进行了最终热处理．结果显示，石墨掺杂可以有效地提高MgB2线材的临界电流密度（Jc）和磁通钉扎力（Fp）．常规热处理线材的Jc（B）和Fp（B）性能均优于快速热处理的，其主要原因是不同热处理制度导致的显微结构差异．     

低温超导体小型力学实验设备的研制

基于超导线材的研究及应用需求,为进一步探索其物理机理及推进其工程应用,设计研制了一套用于超导材料在力-电-磁-热耦合作用下,其临界电流衰减规律的测试设备。该设备可实现在10~300K、0~600A、1000N、0~5T范围内的超导材料性能测试。     

超导磁体及其应用

自从19１１年翁纳斯（ＫａｍerlinghOnnes）发现了超导现象以来,已经过去六十八年了．然而,真正使超导有其重大的应用价值,也只不过是近十几年的事情．原因很简单,虽然一些材料在一定温度下变成了超导体（即电阻消矢,完全抗磁）,然而它本身的临界电流和临界磁场Ｈ都很低,没有什么实用价值．直到发现了和Ｈ都很高的非理想第类超导体并能把它加工成可复绕的线材和带材之后,超导体在实际生活中才获得了广泛的应用．现阶段?...     

第二代高温超导线材研究进展

述评了高温超导第二代线材研究的最新进展，着重介绍了美国AMSC的一种低成本的RABiTS／MOD新技术，涉及基带和超导层的选择，大规模连续制备工艺，钉扎对提高磁场下电流密度的作用，并预测了第二代线材扩大生产规模和商品化的发展前景．     

基于铅铟合金线的SFQ多芯片超导互连方法研究

用基于铅铟合金线的引线键合(WB)工艺对单磁通量子(SFQ)多芯片的超导互连方法进行了研究,将铅含量75%,铟含量25%的铅铟合金线制备成WB线材,用超声楔形焊工艺成功实现SFQ芯片I/O接口焊盘的超导互连.拉力测试表明室温下铅铟合金线键合强度与同线径金线相当,优于同线径铝线;用开尔文四端法测量了铅铟合金线互连的多级超导转变温度以及线材与超导芯片之间的接触电阻,结果表明该铅铟合金线的超导转变温度为6.63 K,当温度降低至6.63 K或更低时,铅铟合金线的线阻以及线材与SFQ芯片I/O接口焊盘的接触电阻为0,实现了超导互连;并通过热冲击实验验证该WB结构具有优异的热稳定性.     

面向高场应用的铁基超导材料

铁基超导体的上临界磁场可达100 T以上,并具有较小的各向异性、简单的制备工艺等突出优点,在核磁共振成像(MRI)、核磁共振谱仪(NMR)及高场超导磁体等领域具有重要的应用前景。目前铁基超导材料正处于快速发展的研发阶段,低成本的粉末装管法已广泛应用于铁基超导线带材的制备,临界传输电流密度在4.2 K和10 T下超过10~5A/cm~2;最近世界首根百米量级铁基超导长线的成功研制进一步奠定了铁基超导材料在强电领域的应用基础。本文首先介绍了铁基超导材料的典型结构与基本超导特性,接着以粉末装管工艺流程为主线,从影响铁基线带材临界电流密度的关键因素:相纯度、晶界弱连接以及致密度等方面入手,详细评述了国内外铁基超导线带材制备的最新研究进展。在此基础上,分析当前研究中存在的问题,并提出进一步改善传输性能的可能对策,最后对铁基超导材料的发展趋势进行了展望。     

铋系超导前驱粉末的制备工艺评述

前驱粉末装管法(PIT)是目前铋系高温超导带材制备的主要方法．要工程化生产超导带材，需要运行成本低，产品质量高，生产批量大，稳定可靠的粉末生产工艺．由于铋系超导前驱粉末特性，在带材制备过程中具有的重要影响，使得国内外非常重视制备高性能的超导前驱粉末．不同的粉末具有不同的化学成分、相组成和形貌粒度，这取决于采用的起始公称化学成分，制备方法，和后处理烧结工艺．本就铋系超导体的主要的制粉方法，进行了较为详细的讨论、评述，并提出了适合于工程化制备铋系前驱体粉末的工艺路线，认为喷雾热解法制备超导前驱粉末将有利于铋系超导线材批量化的实现．     

新能源变革背景下的超导电力技术发展前景

自从1911年超导体发现以来,人们一直梦想超导体能够在电力技术中得到大规模应用.20世纪60年代以来,随着NbTi超导线材,特别是氧化物高温超导带材达到商业化水平,世界范围内广泛地开展了超导电力技术的研究与应用示范.单从技术上讲,超导电力技术已经接近实用化水平.当今,人类社会正在经历一次新的能源变革,超导电力技术在应对能源变革带来的挑战方面将会发挥重要的作用.文章介绍了近年来超导电力技术的发展趋势,并就其在新能源变革背景下的发展前景进行了探讨.     

新能源变革背景下的超导电力技术发展前景

自从1911年超导体发现以来,人们一直梦想超导体能够在电力技术中得到大规模应用.20世纪60年代以来,随着NbTi超导线材,特别是氧化物高温超导带材达到商业化水平,世界范围内广泛地开展了超导电力技术的研究与应用示范.单从技术上讲,超导电力技术已经接近实用化水平.当今,人类社会正在经历一次新的能源变革,超导电力技术在应对能源变革带来的挑战方面将会发挥重要的作用.文章介绍了近年来超导电力技术的发展趋势,并就其在新能源变革背景下的发展前景进行了探讨.     

基于0-1整数线性规划的自屏蔽磁共振成像超导磁体设计

本文提出一种基于0-1整数线性规划的自屏蔽磁共振成像（MRI）超导磁体设计方法．在磁体线圈可行载流区内按照所用线材尺寸划分网格,同时综合考虑线材内最大磁感应强度、成像区磁场均匀度、漏场范围等设计要求,以超导线材使用量最小为目标函数,采用0—1整数线性规划算法得到磁体线圈的初始导线集中区块分布;然后通过合理的调整限制各分离导线区块截面尺寸及其中心位置,得到最终易于实际加工和绕制的矩形磁体线圈结构．并根据不同的约束要求,该方法也适用于其他结构超导磁体的优化设计．文中最后给出一个设计实例．     

微型SMES用超导储能磁体试验研究

超导储能磁体是超导储能系统(SMES)的关键部件,因此有必要在SMES系统运行前对超导储能磁体进行系统试验研究.本文以第二代高温超导(YBCO)线材设计制作的超导储能磁体为试验对象,通过降温试验、临界电流测试、储能量测试和对地绝缘测试等试验测试并分析了超导储能磁体的电气和低温绝缘性能.试验结果表明:超导储能磁体基本性能...     

超导线短样品测量误差

超导线短样品的临界电流是表征超导线材重要的基本参数之一。由于目前采用的测量方法不同,标准不一样,使测量的结果很难进行比较。为此有必要建立标准的测量方法。 本文对目前超导线短样品测量中经常遇到的几个问题如:临界点判据,测量误差和样品过热等做了分析。叙述了解决这些问题的办法,以便在实验中加以应用,不断提高测量精度,为建立标准方法做些工作。     

一种铁基超导带材交流损耗的测量

近年来铁基超导材料的发现掀起了又一轮新型超导材料研究的热潮,各种配方的铁基超导材料不断被制备出来,转变温度也不断提高,中国科学家在该领域取得了十分突出的成果,制备出了多种铁基超导材料,但对其交流损耗特性研究鲜有报道,而实际应用中交流损耗的特性又十分重要,因此搭建了一套采用探测线圈法的交流损耗测量平台,测试了一种中国科学院电工研究所采用PIT工艺制作的单芯铁基超导带材的交流损耗。该文介绍了采用探测线圈法测量超导材料交流损耗的一种测量平台的搭建与标定,以及采用标定过的测量平台在液氦温度下测量的一种采用PIT工艺制作的单芯铁基超导带材的交流损耗;并与计算得到的铁基带材超导芯的磁滞损耗和包套的涡流损耗进行了比较分析,得出了其交流损耗与背景磁场频率成正比,其涡流损耗可以忽略的结论。