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

ВТСП проводники 2-го поколения. American Superconductor vs. SuperPower

2007, Tом 4, выпуск 6
Тематика: ВТСП материалы 2-го поколения

Уже стало привычным, что в последние годы в технологии ВТСП-лент 2-го поколения, чрезвычайно перспективных для СП-электроэнергетики и других областей техники, наиболее активно продвигаются вперёд двумя американскими компаниями: American Superconductor (AMSC) и SuperPower. Расскажем об их успехах. Данные для заметки взяты из докладов на Peer Review 2007 [1] и сайтов компаний [2],[3].

American Superconductor продолжает наращивать темп производства ВТСП-ленты. Напомним, что AMSC производит ленту на текстурированной подложке, в качестве буферных слоев используется гетероструктура CeO2/YSZ/Y2O3, а ВТСП слой толщиной 800 нм получают методом TFA-MOD из фторсодержащих прекурсоров. Эта неплохо зарекомендовавшая себя архитектура не менялась в течение последних лет, хотя компания в сотрудничестве с университетскими и национальными центрами усиленно работает над её модификацией: получение буферных слоев методом MOD, повышение критического тока ВТСП за счет внедрения наноразмерных дефектов, развитие новых материалов для подложки – например, биметаллических трёх-слойных ("композитных") с улучшенными механическими свойствами.

В настоящий момент компания производит проводники длиной 100 м на основе ленты шириной 4 см, которая потом режется вдоль. Объём производства составляет около 20 км в год (pre-pilot scale). Увеличение объёма годового производства до 720 км ожидается с введением в эксплуатацию новых мощностей в декабре этого года (pilot-scale, будет производиться лента длиной до 1000 м с переходом в перспективе на ширину ленты 10 см). Увеличения скорости производства ленты удалось достичь путем оптимизации процессов и – главное – увеличением реакционной зоны всех процессов. Неоднократно публиковалась фотография установки, включающей в себя печь длиной 10 метров (рис. 1). Такая печь рассчитана на ленту с максимальной шириной до 10 см.

Рис. 1. Установка для производства ВТСП-ленты в American Superconductor.

Наиболее популярным 2G-продуктом компании является так называемый 344-проводник (3 слоя – стабилизатор/ВТСП-лента/стабилизатор, ширина 4,4 мм). В качестве стабилизатора используется упрочненная медь (для применений в виде катушек и для кабелей) или нержавеющая сталь (провода для токоограничителей).

Рис. 2. Критический ток в ВТСП-лентах производства American Superconductor (77К, собственное магнитное поле).

Планы AMSC на 2008-й год включают введение в эксплуатацию новых мощностей (с потенциалом до 1000 км/год), производство лент длиной 250-500 м, увеличение толщины слоя ВТСП до 1,4 мкм, достижение порога 650 А на см ширины ленты на коротких образцах (сегодняшний рекорд фирмы – 560 А/см, рис. 2).

В презентации SuperPower отмечается, что сегодня, 16 лет после первой демонстрации (первый слой сверхпроводника на текстурированной подложке был получен в 1991 году японской компанией Fujikura), ленты 2-го поколения начинают активно конкурировать с проводами на основе висмутовых ВТСП. В 2007-м году компания сосредоточила свои усилия на выполнении требований третьей фазы программы Title III. Эта часть программы за-канчивается в июне 2008-го года. Напомним, что инициатива министерств обороны и энергетики США нацелена на целевое финансирование SuperPower и American Superconductor в размере от 5 до 10 миллионов долларов ежегодно с целью ускорения темпов создания технологии ВТСП 2-го поколения. Согласно плану, в июне 2008-го обе компании должны получить проводники длиной 1000 м, с криттоком 500 А/см ширины при 77К в собственном поле, инженерной плотностью тока 15000 А/см2 при 65 К в поле 3 Тл при объёме производства более 200000 кАЧм в год (например, 1000 км четырёхмиллиметровой ленты с током 200А).

Технология SuperPower также устоялась и основана на процессах IBAD MgO и MOCVD YBCO. Буферную функцию несёт пятислойная структура, а подложкой служит электрополированная лента из хастеллоя (сплав на основе никеля с добавками хрома, молибдена и ряда других элементов). Хастеллой прочен, немагнитен и имеет высокое удельное сопротивление; последние два аспекта уменьшают потери на переменном токе. Прочность сплава позволяет работать на ленте-подложке толщиной 50 мкм, конечная толщина проводника составляет, благодаря этому, всего 95 мкм.

Рис. 3. Критический ток в лентах производства SuperPower в зависимости от деформации. Измерено при температуре 76 К.

Пилотное оборудование большой производительности функционирует на SuperPower с 2006-го года. Повышения критического тока добиваются увеличением толщины MOCVD слоя. Толщину увеличивают за счет многократного прохождения ленты через реактор. На коротком образце при толщине YBCO 3,5 мкм (5 проходов) достигнуто рекордное значение 721 А/см ширины. 595 А/см получено на ленте длиной более метра, а 486 А/см – на ленте длиной 11,1 м. В последнем случае слой ВТСП толщиной 2,8 мкм получили за 4 прохода. Как показывают микроскопические исследования, в толстых слоях присутствуют зёрна нежелательной а-ориентации, что оставляет пространство для улучшения характеристик. Дальнейшее повышение криттока возможно при допировании YBCO другими редкоземельными элементами (сообщается о результатах с Sm и Gd). Провода обладают отличными механическими свойствами – 95% критического тока в слое 3 мкм толщиной сохраняется при деформации в 0,5% (рис. 3).

Прогресс последних 5 лет позволил SuperPower увеличить длину производимых лент с 1 до почти 800 метров. Кардинально увеличились скорости всех производственных этапов за счёт создания нового оборудования и активного использования принципа многократного прохода ленты через реактор. Успешно изготовлены ленты с 5-тислойной буферной структурой длиной по 1350 м. Разориентация в плоскости в таких лент составила всего

6-7° с разбросом по длине всего в 2%. В октябре компа-ния продемонстрировала ленту длиной 155 м, слой ВТСП в которой был осаждён со скоростью 70 м/ч (в пересчёте на ширину 4 мм). Минимальный критический ток составил 320 А/см с равномерностью 2,5%. По сравнению с прошлым годом свойства ленты улучшились, а скорость в новом оборудовании возросла в 5 раз. В сентябре компания установила новый рекорд для одиночной ВТСП ленты 2-го поколения: критический ток 190 А/см при длине ленты 790 м, что даёт 150100 АЧм – за год SuperPower удвоила своё же достижение.

Планы SuperPower на 2008-й год амбициозны: повышение криттока до 200 А в 4-мм проводнике при объёме производства 1000 км в год, повышение скорости электрополирования в 3 раза, осуществление осаждения второго слоя MgO и слоя LaMnO3 в едином технологическом этапе, увеличение скорости MOCVD-процесса и введение в эксплуатацию системы напыления серебра для объёма производства 1000 км ленты в год.

В таблице приведены сравнительные характеристики проводов и технологий их изготовления в компаниях AMSC и SuperPower.

* ЭЛИ - электролучевое испарение, РР - реакционное распыление

** в расчёте на 4 мм ширины

С.В. Самойленков

  1. http://amsuper.com.
  2. http://www.superpower-inc.com.
  3. Superconductivity for Electric Systems 2007 Annual Peer Review, USA, Virginia, Arlington.
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.