Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

ASC -2012, CCA -2012, ISS -2012: ВТСП-ленты 2-го поколе-ния: что имеем на конец 2012 года

2013, Tом 10, выпуск 2
Тематика: Вести с конференций

 

 

В конце 2012 года в разных концах мира состоялось сразу 3 конференции, посвященных новейшим достижениям в области ВТСП-технологий: Applied Superconductivity Conference (ASC) в Портленде в октябре, Coated Conductors for Applications (CCA) в Гейдельберге и International Symposium on Superconductivity (ISS) в Токио. Традиционно активными остаются американские и японские компании. Американцы переключились с финансирования по программе DoE на новую программу ARPA-E. Оживленная инвестициями, возобновляется активность в Германии в виде Theva и Deutsche Nanoschicht. Большие успехи демонстрирует корейская компания SuNAM. В России активно развивается СуперОкс. Обратило на себя внимание, что, помимо собственно производственных показателей (длина провода, критический ток, свойства в магнитном поле), значительный исследовательский интерес уделяется различным эксплуатационным характеристикам ВТСП-провода. Рассмотрение этого вопроса, однако, сложно провести в рамках краткого обзора, так что ограничимся перечислением основных достижений на конец 2012 года.

В SuperPower активными исследованиями занимается отделение в Хьюстоне. Одна из основных целей компании сегодня – увеличение в 4 раза критического тока при 30К в перпендикулярном поле 2.5 Тл. Задача продиктована ориентацией на ветроэнергетику с итоговой целью коммерциализации ветряных 10 МВА турбин. Как следует из расчетов (Табл.1), SuperPower предполагает, что стоимость 1 метра ВТСП-провода в перспективе останется прежней, но функциональные характеристики значительно улучшатся. Для этого в 2 раза будет увеличена плотность криттока и в 2 раза – толщина слоя. Для достижения этих параметров SuperPower оптимизирует процесс введения наночастиц в ВТСП, в первую очередь, цирконата бария. Известной проблемой ВТСП-проводов с нановключениями является пониженный критический ток при 77К. Без раскрытия деталей, компания сообщает, что им удалось значительно улучшить эти характеристики, достигнув существенно больших количеств наночастиц в сверхпроводнике. Так, критический ток 450А/12 мм достигнут для лент, содержащих 10% включений (до настоящего времени это было 300А, Рис.1). Ленты, сделанные по модифицированному процессу, имеют лучшие свойства и при низких температурах. Так, при 30К и 2.5 Тл критический ток ленты достигает 1300 А/см. Производство обычной продукции ведется также активно, на настоящий момент компания умеет делать провод длиной 700 м с криттоком 300-400А /см при 77 К.

Таблица 1. Цели проекта SuperPower, финансируемого по одной из программ ARPA-E.

Характеристика

Сейчас

Конец проекта

Критический ток при 30К, 2.5 Тл (А/12 мм)

750

3000

Удельная стоимость провода для 30К, 2.5 Тл ($/кА*м)

144

36

Количество провода, необходимое для генератора 10 МВА (м)

65 000

16 250

Стоимость ВТСП-провода для генератора 10 МВА (тыс. $)

7 020

1 755

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. SuperPower. Улучшение характеристик ВСТП-лент с включениями BaZrO3

American Superconductor также работают при поддержке ARPA-E над созданием ВТСП-проводов для ветряных турбин. Заявленная цель AMSC ещё более амбициозна – увеличить плотность критического тока в ВТСП в 5 раз, доведя её до ½ от теоретического предела (Рис. 2).

Рис. 2 Цели проекта AMSC в рамках новой американской программы ARPA-E.

Пока это не удавалось сделать никому и ни для каких сверхпроводников. Честно говоря, не совсем понятно, какие скрытые резервы AMSC планирует тут задействовать. Цель проекта в цифрах – снижение удельного веса проводника (в расчете на 1 МВт мощности турбины) с 225 кг до 45 кг. Представляется, что к этой цели более логично было бы идти по пути уменьшения, например, толщины подложки, или утолщения слоя ВТСП, но AMSC делает ставку именно на плотность критического тока. В целом, AMSC демонстрирует хорошую форму и отличные результаты. Так, им удалось достичь весьма впечатляющих величин критического тока, около 200А на 4 мм ленте (Рис. 3). Помимо этого, американцам удается уже воспроизводимо изготавливать немагнитную текстурированную ленту-подложку на основе сплава Ni-9ат.%W. На экспериментальных кусках длиной до 70 м они достигают тока 180А для 4 мм провода.

Рис. 3 Рекордные характеристики 4 мм ВТСП-провода производства American Superconductor.

Сегодня AMSC предлагает целый ряд продуктов на основе своего ВТСП-провода (Табл. 2), как промышленного, так и экспериментального характера.

Несколько оживленная инвестициями, активно выступает на конференциях компания Theva. Кажется, немцы снова планируют развивать собственное производство ВТСП-ленты 2-го поколения. Theva указывает на то, что в их проводе (технология изготовления которого основана на процессе осаждения на наклонную подложку (ISD), и ВТСП-пленка растет «наклоненной» на угол около 20о) не наблюдается проблемы образования а-ориентированных зерен. Это позволяет выращивать ВТСП-пленки необыкновенно большой толщины. Плотность критического тока в них не особенно высока, но большая толщина позволяет при 77 К взять планку в 1 кА на 1 см ширины ленты (Рис. 4). Характеристики ВТСП-ленты Theva во внешнем магнитном поле пока далеки от рекордных – Jc(77K, 1 Тл) = 0.2 МА/см2 – но, возможно, положение исправится, так как в компании начали исследовать введение в сверхпроводник наночастиц BaZrO3. Как можно было ожидать, вводимая примесная фаза в «наклонных» пленках ВТСП растет по-своему. В частности, исследователям из Theva не удалось обнаружить в них традиционных наноколонок, вместо этого BaZrO3 выделяется в виде наночастиц. Тем не менее, введение BaZrO3 позволило несколько снизить анизотропию зависимости критического тока от направления магнитного поля.

Таблица 2. Список продуктов American Superconductor на основе ВТСП-провода.

Тип провода

Описание

Минимальный критток при 77К, А

Длина куска

Применения

Стандартные продукты

Ламинированный латунью 4.4 мм ширины

4.4 мм, толщина латуни 150 мкм

80-100

до 1 км

AC и DC-силовые кабели, низковольтные DC кабели

Ламинированный медью 4.8 мм

4.8 мм, толщина меди 50 мкм

80-100

до 1 км

Магниты, СПИНЭ, индуктивные СОТ

Ламинированный медью 12 мм

12 мм, толщина меди 50 мкм

225-275

В разработке

Большие магниты, генераторы, моторы, большие СПИНЭ

Ламинированный сталью 12 мм

12 мм, толщина стали 75 мкм

225-275

Недоступно

Резистивные СОТ на среднее и высокое напряжение

Новые продукты – доступны образцы, производство начиная с 2013

Сильноточный Ламинированный латунью 4.4 мм

4.4 мм, толщина латуни 150 мкм

140-180

до 1 км

AC и DC-силовые кабели, низковольтные DC кабели

Двойной Ламинированный медью 12 мм

Две ВТСП-ленты, 12 мм, толщина меди 50 мкм

450-550

В разработке

Большие магниты, генераторы, моторы, большие СПИНЭ

Двойной Ламинированный сталью 12 мм

Две ВТСП-ленты, 12 мм, толщина стали 75 мкм

450-550

Недоступно

Резистивные СОТ на среднее и высокое напряжение

Будущий продукт – свойства подтверждены в опытных испытаниях

Ламинированный медью 12 мм с высоким током в поле

12 мм, толщина меди 50 мкм

350-400

В разработке

Большие магниты, генераторы, моторы, большие СПИНЭ

Рис. 4. Микроструктура ВТСП-слоя толщиной 7.5 мкм производства Theva и достигнутые значения критического тока.

Как показывает опыт Theva, введение дополнительных компонентов в пленки, получаемые методом RCE (reactive coevaporation), может быть не таким простым делом. Так, американская компания Superconductor Technologies Inc для изменения токонесущих характеристик RCE-ВТСП в магнитном поле использует не внедрение наночастиц вторых фаз, а различные редкоземельные элементы и изменение стехиометрии. Анизотропия свойств и уровень тока во внешнем магнитном поле изменяются очень сильно даже при воздействии на эти два параметра. К сожалению, STI очень скупо докладывают о своих результатах, поэтому какой-либо анализ провести тут сложно. Можно только заключить, что потребуются ещё очень подробные исследования для выяснения всех закономерностей изменения тока в ВТСП-пленках. В целом, продвижение STI в части получения интересных по свойствам ВТСП-проводов 2-го поколения заметны: разработана простая архитектура (только 2 буферных слоя, один из которых – планаризующий SDP-слой), при 77К получен ток > 1 кА/см ширины для пленки 3,35 мкм толщиной, при 65К и 3 Тл минимальный ток экспериментального образца составил 257 А/см ширины. Однако, основной вопрос остается в том, удастся ли компании перенести эти достижения на больший масштаб, так как все результаты получены пока на коротких отрезках ленты. В феврале 2013 сообщалось, что STI закончила наладку производственного оборудования и готова выполнять заказы по поставке своего ВТСП-провода под маркой Conductus.

Российская компания СуперОкс докладывала о своем развитии в области создания российского ВТСП-провода на всех трех конференциях. Основное внимание в этих докладах было сконцентрировано на обзоре «химической» части, связанной с развитием процессов MOCVD, MOD, электрополирования, осаждения меди и планаризации. На настоящий момент, СуперОкс полностью освоил производство текстурированной немагнитной ленты-подложки на основе трехкомпонентного сплава Ni-Cr-W и всей архитектуры слоев на нем. Разработаны уникальные архитектуры буферных слоев, в т.ч., BaZrO3/MgO/NiCrW, значительно улучшающая текстуру ВТСП-слоя. Впервые в России, удалось получить ВТСП-ленты на RABiTS с критическим током до 150А/см, а на буферном слое, осажденном по технологии IBAD, - до 365 А/см. Сегодня компанией производятся MOCVD ВТСП-ленты длиной 15 м. MOCVD-образцы производства СуперОкс как на немагнитном RABiTS, так и на IBAD измерялись в высоких магнитных полях в лаборатории высоких магнитных полей в Талахасси в США (Рис. 5). В перпендикулярном поле 14 Тл измеренные образцы на RABiTS имеют вполне хорошие значения критического тока в интервале 350-400 А/см.

Рис. 5. Зависимость критического тока ВТСП-ленты YBCO/BaZrO3/MgO/NiCrW от магнитного поля (B//c, 4.2 К). Все слои на текстурированной подложке NiCrW получены методом MOCVD в лентопротяжке.

С недавних пор компания активно развивает растворные методы осаждения, в т.ч., для получения планаризующих слоев, являющихся альтернативой электрополированию металлических подложек для последующего осаждения текстурированного слоя методом IBAD. В 2012 г. получены планаризованные ленты с качеством, позволяющем получать хорошую текстуру IBAD-слоя (Рис. 6).

Традиционно о высоких характеристиках ВТСП-провода 2-го поколения, приготовленного по технологии PLD/IBAD, сообщают исследователи из Японии. Основное внимание уделяется улучшению свойств ВТСП во внешнем магнитном поле, для чего используется введение в сверхпроводник частиц BaHfO3. Результаты, представленные на Рис. 7, весьма убедительны. Пожалуй, ВТСП-провода с такой изотропной зависимостью критического тока от магнитного поля до сих удавалось получить только японским коллегам.

Рис. 6. Снижение шероховатости ленты-подложки посредством осаждения планаризующего слоя (SDP) в непрерывном режиме и текстура слоев IBAD-MgO, полученных на нем (результаты СуперОкс 2012 г.).

Интересные планы по расширению производства текстурированной подложки представлены немецкой компанией EVICO. Недавно в компании была установлена новая вертикальная печь для текстурирования высотой 6 м, позволяющая производить 900 км десятимиллиметрового RABiTSа в год. Сегодня компания работает только с узкой лентой (10 мм), но имеет планы по переходу на новые форматы 40 и 100 мм, новая печь это позволяет. В среднесрочной перспективе компания собирается нарастить свои производственные возможности до 2 тысяч километров в год с длиной единичного куска до 1 км. Компания продолжает поиски путей снижения ферромагнитных свойств текстурированной подложки. Как и AMSC, EVICO движется по направлению увеличения количества вольфрама в ленте, и вполне успешно (Рис. 8). Во всяком случае, можно считать, что процесс изготовления ленты с 7.5% вольфрама в режиме перемотки немцами в 2012 году освоен. Отмечается, что особое значение в достижении хорошей текстуры играют промежуточные отжиги.

Бывшая компания Zenergy Power, пережив плохие времена в конце 2011, c 2012 года продолжает свое существование в виде Deutsche Nanoschicht. Они, как и раньше, развивают метод растворного осаждения оксидных слоев на текстурированной подложке типа RABiTS. Для нанесения раствора используется принтерная технология. Утверждается, что это обеспечивает большую равномерность, хотя пленки все равно имеют краевые эффекты. Уровень результатов на сегодня такой: 160 А/см ширины на рекордном образце, около 100 А/см для стандартно получаемых образцов длиной 10 м при толщине пленки ВТСП около 800 нм. Можно в целом заключить, что пока немецкая компания отстает по результатам от AMSC, использующей тот же растворный процесс получения слоя и подложку Ni-W RABiTS.

Компания Bruker традиционно рапортует о соз-дании большого оборудования, предназначенного для широкомасштабного производства ВТСП-ленты по технологии ABAD/PLD. Несомненно интересным продуктом этой компании является широкая ВТСП-лента шириной 40 мм. В 2012 году компания произвела 150 метров такой ленты, пред-назначенной для индуктивного токоограничителя. Также Bruker сообщает интересные данные о выходе годного продукта, который по всей технологической цепочке у них сейчас составляет 30% для 4 мм ленты и 52% для 40 мм. Наихудшим с этой точки зрения процессом является механо-химическое полирование стальной подложки – выход этой стадии оценивается всего в 75%.

Рис. 7. Зависимость плотности критического тока в PLD/IBAD лентах ВТСП 2-го поколения от направления и напряженности внешнего магнитного поля при 77 и 65 К (Kiss et al.).

Рис. 8. Прогресс немецкой компании EVICO в оптимизации кубической текстуры ленты из никелевого сплава с различным содержанием вольфрама. Представлены данные EBSD (Electron Backscatter Diffraction).

Рис. 9. 2.5 метра ВТСП-ленты шириной 40 мм (Bruker).

Очень солидный рост продемонстрировала в 2012 году компания SuNAM из Южной Кореи. Исследователям из этой компании удалось при-ручить не самый простой процесс, основанный на трансформации пленки-прекурсора, осаждаемой методом RCE, в текстурированный сверхпро-водник. Для приготовления подложки корейцы используют стандартный IBAD процесс, похожий на технологию, используемую в SuperPower. Много внимания уделяется автоматизации процессов и интеграции в них обратной связи. В итоге, год назад корейцам удалось вплотную приблизиться к мировым рекордам, продемонстрировав критический ток 422А на длине 1 км. Сегодня компания умеет делать ленту с очень высокими характеристиками, для 4 мм ленты получен ток выше 300А при 77К. Есть все основания полагать, что на этом корейцы не остановятся.

В целом можно с удовлетворением констатировать, что развитие технологий производства ВТСП-лент 2-го поколения идет полным ходом, в т.ч. и в нашей стране. Появляются новые результаты, которые демонстрируют, что потенциал этих материалов далеко не исчерпан. Нет ничего невозможного в том, что через несколько лет стандартные ВТСП-ленты 2-го поколения будут иметь ток порядка 2 кА на см ширины при температуре жидкого азота, а токоограничители, кабели и магниты из ВТСП-лент превратятся в коммерческий продукт.

 

С.В.Самойленков

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.