國際首根百米量級鐵基超長線的研製

2008 年，日本東京工業大學Hosono 研究組發現了臨界轉變溫度為26 K 的鐵基超導體LaFeAsO[1]，隨後中國科學家發現了臨界溫度超過40 K的SmFeAsO 和CeFeAsO 超導體，均突破了麥克米蘭極限溫度，表明鐵基超導材料是繼1986 年發現的銅氧化物超導體之後的新型高溫超導材料。根據母體化合物的組成比和晶體結構的不同，鐵基超導材料包含若干不同的類型，除了上述首先發現的1111 體系鐵基超導體，還包括122 體系(Ba1-xKxFe2As2， Sr1-xKxFe2As2)， 111 體系(LiFeAs)，以及11 體系(FeSe)。各類鐵基超導體

在結構上都含有由鐵元素(Fe)和氮族(P，As)或硫族(S，Se，Te)元素按1:1 的原子比組成的導電層，以及不同的載流子庫層[2]。其中，1111 和122 體系的鐵基超導體具有較高的超導轉變溫度(目前最高分別為58 K和38 K)，並且二者的上臨界場都可超過100 T，同時具有較小的各向異性，其單晶體的晶內臨界電流密度均超過106A/cm2，這些優異的物理特性表明，鐵基超導體在高場強電領域有獨特的應用優勢，因此在工業、醫學、國防等諸多領域具有廣闊的應用前景，如核磁共振成像儀、高場磁體、電機、變壓器、限流器、儲能等[3，4]。

在強電應用中，製造超導電纜、繞制超導磁體等都需要使用超導線帶材。由於鐵基超導材料本身硬度較高並且具有脆性，無法對其直接進行塑性加工，因此粉末裝管法成為製備鐵基超導線帶材的首選技術途徑。粉末裝管法工藝成本較低，易於規模化生產，並且已在Nb3Sn，Bi-2223和MgB2超導線帶材中實現了商業化生產。本研究組採用粉末裝管法於2008 年和2009 年分別製備出國際首根1111 型和122 型鐵基超導線材[5，6]，其製備流程主要包括粉末裝管—線材成型加工—線材熱處理三個部分。由於線材金屬包套中的超導芯是多晶體，其中超導相的均勻性和相純度，線材製備過程中產生的孔洞和微裂紋等缺陷，以及晶粒間的大角度晶界，都會影響整個超導線的傳輸臨界電流的大小。因此，提高鐵基超導線的載流性能是實現其應用的首要任務。本研究組通過採用前驅粉先位燒結提高超導相質量，採用化學元素摻雜提高晶粒連接性，並結合晶粒軋制織構化、超導相加壓緻密化等一系列製備工藝上的創新，使鐵基超導線帶材的電流傳輸性能不斷得到提升，並始終保持領先水平[4，7，8]。2014 年在熱壓製備的Sr1-xKxFe2As2(Sr-122)帶材中，我們首次將鐵基超導帶材的臨界電流密度提高至105A/cm2(4.2 K, 10 T)的實用化水平，如圖1 所示。由於鐵基超導材料本身有極高的上臨界場，帶材的超導臨界電流表現出極弱的磁場衰減特性，顯示出其在高場範圍下的應用潛力[9]。

圖1 Sr-122 鐵基超導單芯、7 芯和19 芯帶材短樣，以及Nb-Ti，Nb3Sn，MgB2等實用化超導線材的傳輸臨界電流密度與磁場的關係[8]

在鐵基超導帶材短樣性能不斷獲得提高的基礎上，為了進一步推動其實用化進程，本研究組在國際上率先開展了多芯線帶材製備工藝和線帶材規模化製備工藝的研究。在高場強電應用中，為了防止磁通跳動，減少交流損耗，必須使用複合在金屬基體中的多芯絲超導線帶材。本研究組以粉末裝管法製備的單芯鐵基超導線材為基礎，將單芯線進行複合二次裝管，通過對複合包套多芯結構在線材成型加工工藝路線的探索和優化，於2013 年製備出國際首根高性能122型鐵基超導多芯線帶材(圖2)[10]。經熱壓工藝處理的7 芯和19 芯鐵基超導帶材在4.2 K，10 T 下同樣展示出6.1×104A/cm2和3.5×104A/cm2的高電流傳輸性能(圖1)，為目前國際已報道的最高值。另一方面，線帶材的規模化製備需要我們探索高緻密度線材連續成型工藝。2014 年，通過對製備過程中涉及的相組分與微結構控制、界面複合體均勻加工等關鍵技術的系統研究，本研究組採用連續軋制工藝成功研製出長度達11 m的高性能Sr-122 鐵基超導長線(圖3)，線材的電流傳輸表現出良好的均勻性，其性能波動小於5%，整根線材的臨界電流的平均值為1.84×104A/cm2(4.2 K，10 T)[11]。這是國際上首根10 m量級的鐵基超導線材，標誌著線材規模化製備走出的第一步。

圖2 Sr-122 鐵基超導多芯線帶材的製備流程[10]

圖3 國際首根10 m量級鐵基超導線[11]

對於鐵基超導線材的產業化應用，突破百米量級的長線製備是其中的關鍵點，也是該領域應用研究的重大技術難點。目前，除了本研究組所在的中國科學院電工研究所，國際上在鐵基超導線材的研製領域還有美國佛羅里達國家強磁場實驗室、日本國立材料研究所、日本東京大學、義大利熱那亞大學等[12—15]，它們的相關研究還處於線材短樣性能研究階段，尚未開展線材規模化製備研究。在充分掌握高性能短樣製備技術及對規模化製備工藝進行初步研究的基礎上，本研究組通過對超導長線的結構設計和加工技術的試驗優化，成功解決了鐵基超導線規模化製備中的均勻性、穩定性和重複性等技術難點，於近日製備出了長度達到115 m的Sr-122 鐵基超導長線[16]，如圖4 所示，經測試其載流性能表現出良好的均勻性和較弱的磁場衰減特性，在10 T高磁場下的臨界電流密度超過1.2×104A/cm2(4.2 K, 10 T)，如圖5所示。

圖4 國際首根100 m量級鐵基超導線

國際首根100 m量級鐵基超導長線的成功研製，開創了鐵基超導材料從實驗室研究走向產業化進程的里程碑，奠定了鐵基超導材料在工業、醫學、國防等諸多領域的應用基礎。目前，鐵基超導長線的電流傳輸性能還有很大的提升空間，本研究組未來將進一步優化長線的製備工藝，繼續提高超導芯的載流性能，從而不斷降低超導線的成本，最終為我國超導產業鏈的創新發展和產業升級提供新的動力。

圖5 國際首根100 m量級鐵基超導線的電流傳輸性能

參考文獻

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[14] Pyon S，Yamasaki Y，Kajitani H et al. Sci. Technol.，2015，28：125014

[15] Malagoni A，Wiesenmayer E，Marchner S et al. Sci. Technol.，2015，28：095015

[16] Zhang X P，Oguro H，Yao C et al. Oral Presentation at the Applied SuperconductivityConference，September 4—9，2016，Denver，USA

本文選自《物理》2016年第10期

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