Сверхпроводящие композиты нового поколения

И. А. РУДНЕВ

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ КОМПОЗИТЫ

НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Для использования в электротехнике, магнитных технологиях, индустриальной физике провода на основе сверхпроводящих материалов, как низкотемпературных (НТСП), так и высокотемпературных (ВТСП), должны обладать рядом механических, физических свойств, а также иметь приемлемую стоимость. Ожидается, что ВТСП провода, работая при 20–77 К будут экономичны при стоимости $10–100/кАм, что должно быть сравнимо c типичным стоимостным соотношением для электротех­нической меди $15–25/kAm. В целом, следует отметить, что НТСП используются там, где для них нет альтернативы в виде традиционных проводников, в то время как замена меди ВТСП проводниками в электротехнике определяется главным образом вопросом их стоимости.

Из обширного списка ВТСП в практических устройствах применяют BSCCO-2212, BSCCO-2223 и YBCO123. ВТСП BSCCO-2212 с Тc » 90–110 К фактически не используется в большинстве сильноточных приложений, так как BSCCO-2223 имеет более высокую критическую температуру и большее поле необратимости. Вместе с тем, BSCCO-2212 оказывается более предпочтительным при температурах менее 20 К и больших магнитных полях. Например, провода, изготовленные Showa Electric Wire and Cable Co. Ltd., Kawasaki, Japan в коллаборации с NRIM (NIMS) и Japan Science and Technology Corporation, Tokyo показали критический ток 7100 A/mm2 в собственном поле и 3500 A/mm2 в поле 10 Tл (параллельно плоскости ленты). Поэтому важнейшей областью применения BSCCO-2212 в настоящее время являются производство высокополевых вставок в сверхпроводящие магниты для ЯМР и др. применений. Сейчас BSCCO-2212 сохраняет рекорд по генерации самого высокого поля с использованием сверхпроводящего магнита. А именно, применение BSCCO-2212 ленты, изготовленной Oxford Superconducting Technology (OST), Carteret, NJ, позволило на 5 Тл увеличить магнитное поле на фоне 20 Тл медной Биттеровской катушки. Также BSCCO-2212 проводники могут быть изготовлены не только как ленты, но и в виде круглых проводов с критическим током около 500 А/мм2 в поле 20 Тл при Т = 4,2 К. Это означает, что BSCCO-2212 может непосредственно заменить низкотемпературные проводники в кабелях Резерфордовского типа для ускорительных магнитов. Для этого надо, во-первых уменьшить цену от существующей $50/kAm до $10/kAm, во-вторых – улучшить промышленную технологию многоступенчатой термической обработки проводников для получения однородности транспортных характеристик. Сейчас ряд компаний может изготавливать до 1600 м BSCCO-2212 провода без изломов.

Высокотемпературные сверхпроводники BSCCO-2223 (критическая температура около 110 К) используются в первом поколении (1G) коммерческих ВТСП проводников. Основной тип проводов – лента с размерами 0,2х4 мм, содержащая 55 или больше СП жил в оболочке из серебра. Общий объем годового производства BSCCO-2223 ленты составляет 1000 км и обеспечивается рядом компаний: American Superconductor Corporation (Devens, MA), European Advanced Superconductor GmbH (бывшая Vacuumschmelze, Hanau, Germany), Innova Superconductor Technology (Beijing, China), Sumitomo Electric Industries Ltd. (Japan) и Trithor GmbH (Rheinbach, Germany).

Сейчас критический ток длинномерных проводников (150 м) на основе BSCCO-2223 достигает значения 170 А, а средняя величина составляет около 150 А при 77 К в собственном поле для ленты 0,21х4,2 мм. Максимум тока соответствует инженерной плотности 180 А/мм2. Успехи в повышении плотности критического тока позволили создать практически коммерческие прототипы практически всех сильноточных систем. Основная проблема лежит в понижении параметра цена – качество от текущего $150–200/kAm до приемлемого $50/kAm, причем не столько за счет увеличения значения критического тока, сколько за счет уменьшения цены.

При дальнейшем улучшении характеристик и понижении цены, проводники на основе BSCCO-2223 будут успешно применяться в сильноточных применениях. Уже сейчас имеется большое число примеров коммерческого применения лент первого поколения, основной областью которых остается электроэнергетика и магниты, работающие при температурах выше 30 К. Дальнейшее будущее этих проводов зависит от успехов альтернативной технологии – проводов второго поколения (2G).

Провода второго поколения базируются на ВТСП YBCO-123. ВТСП наносится в виде 1-3 мкм покрытия на гибкую, как правило, никелевую, подложку толщиной 50 мкм (через 0,5 мкм буферный подслой). Сверху ВТСП материал покрывается защитным слоем серебра и меди (см. рисунок). Количество слоев ВТСП может доходить до шести, что приводит к повышению критического тока. После более чем 10 лет попыток, в 2003 г. была продемонстрирована возможность получения лент длиной 10–50 м с высокими критическими характеристиками.

Ожидается, что при успешном масштабировании технологии цена провода может опуститься до $10/kAm (77 K, 0 T), что ниже цены обычной меди. Сейчас не видно принципиальных технических барьеров для производства длинномерных покрывных проводников. Основные усилия сосредоточены на создании масштабируемой промышленной технологии и улучшении пиннинга различными методами, в частности, наноструктурированием подложки. В целом, существуют определенные ожидания, что 2G проводники, при определенных условиях понижения цены и масштабируемости технологии, могут потенциально расширить сверхпроводящих рынок там, где предпочтительно рабочая температура выше 30 К. Активные исследовательские и индустриальные программы в этом направлении развиваются в большом числе сверхпроводящих фирм США, Японии, Европы. Одним из последних сообщений об успехах технологии 2G проводов является информация из Superconducting Technology Center (Япония) о достижении критического тока в 182 А на YBCO проводнике длиной 45,8 м.

Итак, безусловно имеется существенная динамика и прогресс в исследованиях и разработках разлитых типов сверхпроводящих проводов. По-видимому, в обозримом будущем вряд ли найдется какой-нибудь один тип проводников, который будет использоваться во всех без исключения электротехнических и магнитных приложениях. А это значит, что для создания широкого многообещающего рынка сверхпроводящих материалов необходимо развивать все описанные выше технологии.