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。     

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。     

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。     

高性能MgB2长线材制备及性能表征

采用原位粉末装管工艺,分别以Mg粉(99.5%),无定形B粉(99.9%)为原料,以纳米SiC(10-30 nm)作为掺杂材料制备铁基MgB2线.首先将已混合的原料在丙酮介质中球磨,真空干燥后,将粉末填入铁管内,然后通过孔型轧制、旋锻和拉拔等冷加工工艺得到11 m长外径Ф1.75 mm铁基MgB2超导线.用扫描电镜,电子能谱,X射线衍射仪和超导量子干涉仪测试发现,样品微观结构整齐,晶粒大小均匀,内部仅含微量MgO,TC(onset)= 35.1 K,ΔTC＝5.3 K.纳米SiC掺杂后,其中C造成MgB2晶格畸变,形成有效磁通钉扎中心,C元素在MgB2中分布均匀.标准四引线测试结果表明,11 m线均分10段后,各点的Jc(4.2 K,10 T)均超过1.0×104 A/cm2,最高值达到1.2×104 A/cm2.在10-18T范围各点临界电流值分布均匀,变化率小于10%.     

预嵌锂硬碳和软碳用于锂离子电容器负极的比较研究

锂离子电容器是一种应用前景广阔的电化学储能器件. 目前,活性炭作为锂离子电容器正极被广泛使用. 然而,锂离子电容器负极却有多种不同选择,如硬碳和软碳等碳材料. 本文使用两种具有不同结构和电化学特性的硬碳和软碳材料作为锂离子电容器负极,进行了对比研究. 研究表明,软碳相比于硬碳有更好的电子导电性和更高的可逆容量. 通过在电流范围0.1 ~ 12 A·g^-1下进行充放电测试,分别研究了两种碳基电极在不同涂覆厚度下的倍率性能. 结果显示,硬碳电极在大电流下有更好的倍率特性. 然后,以活性炭为正极,预嵌锂的硬碳和软碳为负极,锂片为锂源和参比电极,分别组装了三电极软包锂离子电容器. 根据三电极充放电测试,分别研究了不同预嵌锂量的硬碳和软碳所组装的锂离子电容器的电化学性能. 结果表明,合适的负极预嵌锂容量可以提升锂电容的能量密度、功率密度和循环稳定性. 最后,大容量硬碳和软碳基软包锂离子电容器被分别组装,软碳基锂电容实现了最高的能量密度21.2 Wh·kg^-1（基于整个器件质量）,硬碳基锂电容实现最高的功率密度5.1 kW·kg^-1.     

先位粉末套管法制备MgB2/Fe线材的超导性能研究

采用先位法将MgB2粉装入纯铁管中,制备出MgB2/Fe超导线材.用X射线衍射仪和扫描电子显微镜分析了样品的物相组成和显微结构;用SQUID测量了样品的超导转变温度;用标准四引线法测量了短样的临界电流.结果显示,超导样品的临界转变温度约为38.3 K,在4.2 K/4 T下MgB2/Fe线材的临界电流密度为～104A/cm2.研究结果表明,高温退火有效地减少了冷加工过程中产生的应力,改善了晶粒连接性,提高了芯材的致密度,可以显著地提高先位法制备线材的临界电流密度.     

活性炭基软包装超级电容器用有机电解液

使用了一种新型的有机电解液(三乙基甲基四氟硼酸铵/(丙烯碳酸酯+乙腈): MeEt₃NBF₄/(AN+PC))和两种传统有机电解液(四乙基四氟硼酸铵/丙烯碳酸酯(Et₄NBF₄/AN)和四乙基四氟硼酸/乙腈(Et₄NBF₄/PC)), 制作成活性炭(AC)基软包装超级电容器. 在不同电压窗口下对新型有机电解液的循环伏安和电化学阻抗谱进行了表征, 并在0-3 V的电压窗口下, 通过循环伏安、电化学阻抗谱、恒流充放电、漏电流、自放电、循环寿命和库仑效率, 对以上三种电解液进行了综合的比较. 结果表明, 新型有机电解液综合了AN和PC各自的优点, 性能优异.     

活性炭基Li2SO4水系电解液超级电容器

采用中性Li2SO4水溶液代替H2SO4和KOH作为电解液制备了活性炭(AC)基对称型超级电容器,使水系超级电容器的工作电压由1.0V提高到了1.6V.采用循环伏安和充放电测试研究了电容器的稳定电化学窗口.电化学充放电测试表明电容器在0.25A.g-1电流密度下单电极比容量可达129F.g-1,在功率密度为160W.kg-1时能量密度达到10Wh.kg-1(以正负极活性物质的总质量计).1.6V恒压充电1h后电容器漏电流为0.22mA.超级电容器的库仑效率接近100%,充放电循环5000次后容量仍可保持在92%以上.研究了电解液的浓度对电容器电化学性能的影响,发现随着Li2SO4浓度的增大电容器的电荷转移电阻显著减小,大电流充放电性能提高.活性炭基Li2SO4水系电解液超级电容器具有工作电压高、能量密度高和对环境友好等优点,因此有很好的产业化前景.     

隔膜对双电层电容器和混合型电池-超级电容器的电化学性能的影响

隔膜是双电层电容器和混合型电池-超级电容器等电化学储能器件的重要组成元件.本文采用1 mol?L-1四乙基四氟硼酸铵的丙烯碳酸酯电解液制备了基于活性炭的扣式双电层电容器,并采用1 mol?L-1六氟磷酸锂锂离子电解液制备了(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2+活性炭)/石墨体系的混合型电池-超级电容器.研究了不同类型隔膜的物理化学性能,以及其对双电层电容器和混合型电池-超级电容器的电化学性能的影响.四种隔膜分别是无纺布聚丙烯毡、多孔聚丙烯薄膜、Al2O3涂层的聚丙烯薄膜和纤维素纸隔膜.进行了表面形貌、差示扫描量热、电解液吸液量和表观接触角测试表征.电化学测试表明,采用纤维素隔膜的双电层电容器具有最高的比电容和更优的倍率性能,电容器的自放电性能差别不大.而对于混合型电池-超级电容器,采用聚丙烯薄膜和无纺布聚丙烯毡隔膜器件的比容量比其它器件约高20%,且采用纤维素隔膜的器件自放电率最高.     

高性能MgB2长线材制备及性能表征

采用原位粉末装管工艺，分别以Mg粉(99.5%)，无定形B粉(99.9%)为原料，以纳米SiC(10—30nm)作为掺杂材料制备铁基MgB₂线.首先将已混合的原料在丙酮介质中球磨，真空干燥后，将粉末填入铁管内，然后通过孔型轧制、旋锻和拉拔等冷加工工艺得到11m长外径Ф1.75mm铁基MgB₂超导线.用扫描电镜，电子能谱，X射线衍射仪和超导量子干涉仪测试发现，样品微观结构整齐，晶粒大小均匀，内部仅含微量MgO，T_C(onset)=35.1K，ΔT_C＝5.3K.纳米SiC掺杂后，其中C造成MgB₂晶格畸变，形成有效磁通钉扎中心，C元素在MgB₂中分布均匀.标准四引线测试结果表明，11m线均分10段后，各点的J_c(4.2K,10T)均超过1.0×10⁴A/cm^{2，最高值达到1.2×104A/cm2.在10—18T范围各点临界电流值分布均匀，变化率小于10%.}