2G. Последние новости 2006
2006, Tом 3, выпуск 3
Тематика: ВТСП провода и кабели
Похоже, пленочные ВТСП проводники (принятая аббревиатура – СС от coated conductor) – это тот кончик, ухватившись за который удастся раскрутить клубок прототипов ВТСП устройств в длиную полосу реальных применений. Процесс раскрутки особенно ускорился с выходом в коммерческую продажу ВТСП пленочных проводников 2-го поколения (2G CC).
3-5 июля с.г. в Германии прошла организованная SCENET специальная конференция, посвященная разработке ВТСП лент второго поколения, пригодных для применения - International Workshop on Coated Conductors for Applications (http://www.cca2006.com/). На ней собрались многие активные участники разработок 2G ВТСП из США, Юго-Восточной Азии и Европы. С обзорными докладами выступили Dean Peterson (LANL), Amit Goyal (ORNL), Teruo Izumi (SRL ISTEC), Sang-Soo Oh (KERI, Корея) и Xavier Obradors из Барселоны (ICMAB). Настоящая заметка написана на основе этих презентаций, дающих представление о развитии 2G-технологии в мире.
Как известно, в США наибольшее распространение получили технологии производства 2G ВТСП лент, разработанные в национальных лабораториях LANL и ORNL (рис. 1). Они «взяты на вооружение» крупнейшими фирмами, SuperPower и American Superconductor, уже успешно начавшими коммерческую реализацию первых партий лент. Обращает на себя внимание сложность буферных слоёв в этих архитектурах: на хастеллое используют пять различных покрытий, на текстурированном никелевом сплаве – три. Почти все слои получают различными методами (IBAD, sputtering, MOCVD, MOD). С использованием структуры на хастеллое с MOCVD YBCO SuperPower уже не в первый раз ставит рекорд по параметру «длина·ток»: 219 А/см на ленте длиной 322 м (май 2006). Улучшается также равномерность свойств 2G-лент: SuperPower сообщает о вариации криттока лишь 5% величины на длине более 300 м и 3% на длине 200 м. Для метровой длины получен ток 470 А на см ширины ленты, а на лентах шириной 4 см, очень равномерных по ширине, достигнута интегральная величина 962 А. Для «стандартного» 4 мм проводника взят рубеж в 100 А на длине 270 м, что в пересчёте на инженерную плотность тока (26000 А/см2) превышает характеристики проводов первого поколе-ния почти в 2 раза.
Рис.1. Структура 2G CC в LANL и ORLN.
В LANL и ORNL продолжаются разработки по повышению критического тока в YBCO посредством внедрения в эпитаксиальную матрицу сверхпроводника центров пиннинга – нановключений BaZrO3 и путём использования многослойных покрытий (YBCO/CeO2/YBCO…). Первый подход позволяет улучшить критток в 1,5-5 раз в поле 1 Т, особенно хороший результат получен при H//c (рис. 2). Заметим, что такое поведение неоднократно на-блюдали еще в 90-х годах для включений Y2O3, которые также имели наноразмеры. Этот эффект сейчас, похоже, «переоткрывают» в применении к 2G-технологии (рис. 3). Второй подход позволяет преодолеть падение токонесущей способности YBCO при увеличении толщины покрытия и достичь в многослойном проводнике фантастическую величину криттока: 1400 А на см ширины (см. 5 выпуск этого бюллетеня за 2005 г.). Похоже, в ближайшем будущем нас ждёт увлекательная погоня за высокими характеристиками слоя YBCO, в которой нановключения в матрице плёнки будут играть очень важную роль.
Рис. 2. Влияние нановключений BaZrO3 в пленке YBCO на поведение критического тока в магнитном поле..
Усилиями ORNL и AMSC продолжается интенсивное развитие химического метода MOD в применении к производству 2G-ленты. Созданы проходные печи двухметровой длины, на которых продемонстрирована скорость процесса в 2 м/мин и больше. Следует отметить, однако, что за один „проход“ методом MOD можно нанести только относительно тонкое покрытие порядка 100 нм толщиной. Нерешённой проблемой до сих пор остаётся качество слоя CeO2 (для коммерческого провода в AMSC наносят оксид церия физическим методом) и получение высококачественного MOD YBCO с толщиной более 0,1-0,3 мкм. Помимо этого, производственный процесс включает образование малоприят-ного побочного продукта (HF) и основан на использовании текстурированных подложек из сплавов никеля с 5 или 3 ат. % вольфрама, которые, как из-вестно, являются ферромагнитными при 77 К. Тем не менее, вот уже несколько месяцев AMSC и SuperPower продают первые километры 2G-ленты собственного производства, и они первые в мире.
В Японии Sumitomo развивает собственную 2G технологию на структуре Ag (3-5 мкм)/HoBCO(1-4 мкм)/ CeO2(0.1 мкм)/YSZ(0.8 мкм)/CeO2(0.15 мкм)/Ni-сплав. Используются методы rf-, dc-sputtering и PLD. Для уменьшения потерь на переменном токе в SRL разработана технология лазерного «разрезания» ВТСП на отдельные жилы шириной в 1 мм (в США для этого применяется фотолитографический способ). Показано, что потери при амплитуде переменного поля 1 Т сокращаются на треть величины. Дайджест остальных достижений японских исследователей можно найти в выпуске 2 этого бюллетеня за 2006 г.
Рис. 3. Влияние нановключений Y2O3 в пленке YBCO на поведение критического тока в магнитном поле.
В Корее с 2004 года действует программа DAPAS (Dream of Applied Power Systems by Applied Superconductivity Technology), ставящая целью создание ВТСП кабеля, мотора, токоограничителя и трансформатора к 2011 году. Главным исполнителем является KERI (Korea Electrotechnology Research Institute), а объем финансирования проекта в текущем году только для KERI составляет 4,2 млн. долл. Для производства ленты используются технологии IBAD, PLD, sputtering, e-beam evaporation и другие. Как и в японском проекте, развитие более доступных технологий ведётся при этом параллельно другими организациями. Архитектура корейских буферных слоёв вплоть до деталей повторяет американские разработки, представленные на рис. 1. В качестве сверхпроводящего слоя у корейцев выступает SmBCO. Для лент на IBAD-подслое получены величины криттока более 200 А (на образцах сантиметровой длины). Конечной целью этого года является достижение 250 А на ленте стометровой длины. Удастся ли корейцам выполнить столь амбициозный план?
Представленные европейские усилия, как всегда, весьма разнородны и включают в себя по большей части уже известные разработки EHTS, Theva, Nexans и ряда университетских центров. Фактически, высокие токовые характеристики на европейских лентах достигнуты лишь на «дорогих» лентах, полученных с применением высоковакуумных методов. Theva демонстрирует ленты длиной 10 м с криттоком 200 А на см ширины (ISD+evaporation). EHTS (European High Temperature Superconductors Gmbh, Геттинген) в 2005 году продемонстрировала критток 235 А на см для лент сорокаметровой длины (IBAD+PLD), всего получено 4 таких образца. EHTS также продемонстрировала свои способности в приготовлении широких лент (5 см шириной и длиной 1 метр, критток 212 А на см ширины) и получила текстурированный подслой на ленте длиной 106 м. Интересные результаты по увеличению критического тока были представлены группой из дрезденского Inst. Festkorper Werkstofforschung (IFW). Специальные условия прокатки и термообработки ленты из никеля, микролегированного серебром (0,01-0,05 ат. %) позволяют получить текстурированые ленты с удлинённым в направлении прокатки зерном, при этом отношение длины зерна к ширине достигает 3-6. Таким образом, количество малоугловых границ в сверхпроводнике вдоль ленты, т.е. в направлении протекания тока, уменьшается в 3-6 раз. Это приводит к значительному росту криттока в магнитном поле от 0 до 2 Тл (рис. 4).
Дополнительная информация в виде двухстранич-ных презентаций доступна на сайте конференции http://www.cca2006.com/ (см. раздел Program).