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

EUCAS – 2013 Сверхпроводники на основе MgB2

2013, Tом 10, выпуск 5
Тематика: Вести с конференций

Публикуем обзоры участников 11-ой Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости EUCAS - 2013

В настоящее время на Западе определились два основных лидера в производстве этих проводников – американская фирма Hypertech и итальянская Columbus. Обе фирмы достигли впечатляющих успехов. Так сегодняшние производственные мощности Hypertech составляют 10 000 км/год при длинах единичных кусков до 6 км, а Columbus – 5000 км/ год при длине единичного куска до 20 км. Правда запуск нового завода фирмы Columbus состоялся только этим летом, и сейчас ведется его освоение. Длины единичных кусков постоянно растут, Hypertech ведет речь уже о разработке проводников с длиной единичного куска до 60 км, которые планируется производить на только что введенной в эксплуатацию технологической площадке.

Эти две фирмы используют две различные технологии изготовления проводников: Hypertech - метод in-situ, а Columbus - ex-situ. Токонесущие характеристики проводников обоих этих производителей близки: Jc ~1,5 - 2 х 105 А/см2 в магнитном поле

4 Тл при 4,2 К и ~2 – 3 х 105 А/см2 в поле 1Тл при 20 К, хотя все-таки характеристики американских проводников несколько выше. Фирма Hypertech также развивает сейчас новую технологию изготовления проводников – IMD (Internal Magnesium Diffusion), являющуюся по сути вариантом метода “in-situ”. В этом методе в металлическую трубную заготовку засыпается не порошок, а вставляется магниевый стержень, вокруг которого помещается порошок бора. Впервые эту технологию начали применять в Японии. По явной аналогии с ВТСП лентами американцы называют теперь такие проводники MgB2 2–го поколения. На конференции отмечалось, что использование метода IMD позволяет значительно увеличить токонесущую способность. Фирмой Hypertech были получены образцы проводников с критической плотностью тока в поле 4 Тл при 4,2 К ~ 8 х 105 А/см2, что в ~ 4 раза больше, чем в аналогичных проводниках, изготовленных по традиционному методу ‘in-situ” (см. рис. 1). Причем разработчики считают даже такие свойства недостаточно высокими и надеются еще повысить токонесущую способность проводников по сравнению со старой технологией в 10 раз. Однако на пути промышленного внедрения технологии IMD оказалось много препятствий, и представитель фирмы Hypertech не ответил на вопрос, когда такие проводники поступят на рынок.

Рис. 1. Полевые зависимости проводника фирмы

Hypertech диаметром 0.83 мм.

В зависимости от назначения конструкция проводников может быть различной. Обе фирмы производят около 10 типов проводов каждая с числом жил от 7 до 54 и объемных долей керамики от 8 до 22 %. Для изготовления медицинских томографов фирма Hypertech производит проводники круглого поперечного сечения с 18 жилами (все жилы расположены по окружности поперечного сечения) и относительно небольшой объемной доли керамики – всего 8 %. Поскольку основное применение на сегодняшний день проводники на основе MgB2 нашли именно в медицинских томографах, то проводники такой конструкции занимают первое место по объемам выпуска. Для генераторов ветряных электростанций также применяют проводники круглого сечения, но с 24 или 30 жилами (рис. 2) и объемной долью керамики - 17 – 20 %. Распространенной является также конструкция с 36 жилами с объемной долью керамики 15 % (см. рис. 3). Такие проводники являются универсальными, то есть могут применяться во многих различных устройствах, но, прежде всего, идут на изготовление электрических кабелей. Производятся проводники круглого сечения диаметром от 0,5 до 1,5 мм, в зависимости от желания заказчика. Их стоимость составляет, в зависимости от диаметра и типа проводника, от 5 до 12 USD за 1 метр, что на сегодня, несколько выше, чем для низкотемпературных проводников. Проводники прямоугольного сечения также производятся этой фирмой, хотя и в небольшом объеме. Такие провода идут на изготовление портативных магнитов. В качестве материалов внешней оболочки Hypertech использует монель, в центре проводов всегда помещается медная вставка. В качестве барьера между керамикой и оболочкой используют ниобий.

Рис. 2. Типовые конструкции проводов для ветрогенератиров фирмы Hypertech. Число жил – 24 и 30, объемная доля керамики 17 и 20 % соответственно.

Рис. 3. Поперечное сечение «универсального» проводника фирмы Hypertech, объемная доля керамики – 15%

 Фирма Columbus производит провода двух основных типов:

- круглого поперечного сечения диаметрами 1,13 мм, 0,96 или 0,85 мм. Число жил – 37; внешняя металлическая оболочка – никель; барьер вокруг жил – железный. В центре проводника располагается медная вставка;

- прямоугольного поперечного сечения и так называемые «сэндвичи», то есть те же проводники прямоугольного сечения, но с одной или двух сторон ламинированные слоем меди. Проводники прямоугольного сечения, как правило, 19-ти жильные с никелевой внешней металлической оболочкой. Типовые размеры лент – 3,0 х 0,5 мм2, а с двухсторонним слоем меди – 3,0 х 0,9 мм2. Объемная доля керамики MgB2 у таких проводов довольно высокая – 21,5 %.

Среди перспективных разработок Columbus есть конструкция проводника с титановым барьером, но пока такие провода промышленно не выпускаются.

К сожалению, на этой европейской конференции было мало японских работ, в частности по методу IMD. Тем не менее, все же можно отметить доклад представителя японского Национального института материаловедения, в котором рассказывалось о проблемах этой технологии. В основном они связаны с недостаточно хорошим синтезом соединения MgB2 в проводе, ведь в этом методе магний и бор изначально не смешиваются друг с другом, а помещаются в трубную заготовку по отдельности. Проблемы синтеза связаны с большим расстоянием диффузии магния в порошке бора. Для решения этой проблемы в порошок бора вводят порошок магния (в соотношении, меньшем стехиометрии) и уменьшают толщину центрального магниевого стержня. Как отмечалось в докладе, в результате исчезает четкое различие между методом IMD и традиционным «порошок в трубе». Полнота синтеза  MgB2 и. соответственно, свойства проводника зависят от диаметра жил, диаметра центрального магниевого стержня, соотношения магния и бора в порошке, засыпанном вокруг магниевого стержня. Вначале японцам удалось подобрать оптимальные соотношения компонентов в смеси магния и бора и оптимальный диаметр магниевого стержня. Были изготовлены проводники с рекордными свойствами в высоких магнитных полях – Jc до 5 х 104 А/см2 в поле 10 Тл при Т= 4,2 К (MgB2 был с добавками SiC для создания искусственных центров пиннинга), тогда как у других производителей применение проводников MgB2 предусматривается только до 8 Тл. Далее была проведена оптимизация конструкции проводника с целью поиска оптимального диаметра и числа жил. В результате на проводнике с 37 жилами было достигнуто значение плотности критического тока до 7,6 х 104 А/см2 (10 Тл, 4,2 К).

Для повышения токонесущей способности большое внимание уделяется подготовке исходных реактивов магния и бора. Аморфный или мелкокристаллический бор является распространенным и дешевым реактивом, однако для достижения высоких свойств проводников оказалось, что бор необходимо дополнительно очищать от кислорода и хлора, а размер частиц должен быть как можно меньше, до нескольких десятков нанометров и, в любом случае, быть не более 1 мкм. Существкет проблема выбора поставщика сырья. Например, по словам представителя японского Национального института материаловедения, после опробования ряда поставщиков, лучший порошковый бор теперь закупается в Турции. По словам главы фирмы Columbus Грассо, достижение высокого уровня свойств стало возможным только после создания на этой фирме специального производства порошкового бора из оксида бора. Еще одной новинкой является применение специально синтезированного в плазме нанодисперсного порошка бора, частицы которого покрыты тончайшим слоем углерода. Благодаря применению такого порошка японцам удалось добиться двукратного роста критического тока.

Также все производители стремятся на всех стадиях процесса изготовления проводника избегать контакта керамики с воздухом. Подготовку порошка, синтез (в случае “ex-situ”), засыпку в металлические ампулы и даже волочение стараются вести в боксах с атмосферой чистого осушенного аргона. Несмотря на простоту и, казалось бы, достаточную изученность процесса синтеза соединения MgB2, работы в этом направлении продолжаются. Можно отметить, например, предложение австралийской группой из университета Воллонгонга проводить синтез MgB2 в две стадии: сначала синтезировать соединение MgB4 и засыпать в металлическую заготовку смесь MgB4 и магния. Далее процесс ведется по технологии “in-situ”, но использование вместо бора соединения MgB4, по словам австралийцев, позволяет существенно увеличить плотность керамики в проводе и, соответственно, улучшить токонесущие характеристики.

Как всегда интересным было сообщение от группы Словацкого института электротехники о технологии изготовления проводников ‘in-situ”. Основное внимание эта группа в последнее время уделяла поиску оптимальных конструкций проводника. В качестве внешних оболочек и внутренних слоев исследовались различные материалы: Nb, NbTi, Ti, Fe, монель (Ni-Cu), инконель (Ni-Cr), Glidcop (сплав меди, армированной частицами Al2O3). Именно эта группа исследователей ранее предложила использовать в качестве барьера между керамикой и металлической оболочкой титан. В итоге лучшими признаны конструкции проводников, в которых одножильные провода изготавливаются с использованием биметаллических трубных заготовок Ti-Cu или Ti–Glidcop. В качестве внешних оболочек многожильных сборок используется тот же Glidcop или нержавеющая сталь. С точки зрения токонесущей способности, предпочтительнее использование нержавеющей стали, однако, при этом возникают проблемы с переходным сопротивлением. Поэтому работы по оптимизации состава внешней оболочки еще продолжаются, но в качестве лучшего материала внутреннего барьера окончательно признан титан. Разработаны две типовые конструкции с числом жил 19 и 30.

С целью улучшения токонесущих свойств продолжаются работы по термообработке проводников, получаемых методами “in-situ” и IMD, в аргоне под высоким давлением (Hypertech, словацкий институт электротехники, несколько японских институтов, польский институт физики высоких давлений). Диапазон применяемых давлений широк, вплоть до 2 ГПа. Везде отмечается, что этот технологический прием является весьма эффективным, поскольку позволяет существенно уплотнить керамику. В совместной работе фирмы Hypertech и польского института физики высоких давлений отмечалось, что  высокое давление (до 1,4 ГПа) способствует не только простому уплотнению керамики, но и искажает кристаллическую решетку MgB2 таким образом, что в ней появляются дополнительные центры пиннинга. Это позволило даже для чистого MgB2, без использования каких-либо допирующих добавок, получить рекордно большое значение плотности критического тока в высоких магнитных полях – 3.7 х 104 А/см2 в поле 14 Тл (4,2 К).

В целом, по итогам конференции хочется отметить необычайную географическую широту разработок этого типа проводников. Помимо уже упоминавшихся США, Италии, Словакии, Польше, Австралии и Японии, работы ведутся также в Англии, Швейцарии, Хорватии, Германии, Испании, Украине, Турции (где специально для синтеза MgB2 производится едва ли не лучший в мире порошок бора), а так же Саудовской Аравии, Южной Корее, Аргентине, Бразилии, Перу.

Д.Н.Раков

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.