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领跑铁基超导,超凡脱俗

日期:2019-09-26编辑作者:科技之门

必赢亚州官网 1 马衍伟手持世界首根百米量级铁基超导长线。徐小傑摄

必赢亚州官网,中国科学院电工研究所马衍伟研究组在科技部“973”、北京市科技计划等项目的支持下,采用传统的粉末装管法,成功研制出国际第一根10米量级的高性能122型铁基超导长线,实现了铁基超导线带材领域的新突破。这一成果在新型铁基超导材料规模化制备中具有里程碑式的意义。

不久前,我国科学家在铁基超导体统一相图研究上取得进展,人们对铁基超导的物理特性认识更进一步。而在3年前,中科院物理所和中国科技大学的研究团队以在铁基超导研究上的突破,获得国家自然科学一等奖,结束了该奖项连续3年的空缺。超导为何如此重要?

条纹衬衫,普通框架眼镜,中科院电工研究所陈设简单的办公室里,正在埋头工作的马衍伟似乎已将几天前被媒体广泛报道的成果淡忘了。

铁基超导体是2008年发现的新型超导材料,是继发现于1986年的铜氧化物超导体之后的第二个高温超导体系,其上临界磁场最大能够超过100特斯拉,并具有较小的各向异性,在高场领域具有独特的应用优势,被《科学》杂志认为是目前最具有发展前景的新型高温超导体之一。在实际应用中,需要将超导体制备成线带材进行电流传输或磁体绕制,因此,研发高载流性能的超导线材及其规模化制备技术,是实现铁基超导材料强电应用的关键。

如果采用超导输电线,我国每年节省的电量相当于数十个发电厂的发电量

但聊到工作,他还是掩饰不住科研人员获得梦寐以求成果时的兴奋:“我们可以很自豪地说,这确实是有象征意义的成果。”

马衍伟课题组在国际上研制出首根铁基超导线材,继而又攻克了系列关键工艺难题,不断提高铁基超导线带材的传输载流性能。2014年制备的122型铁基超导带材传输电流性能在4.2K/14T下,达到十万安培每平方厘米,标示着我国已率先迈入实用化门槛,这也是目前各类铁基超导线带材中传输电流性能的最高纪录[Scientific Reports必赢亚州网址, 4 6944 ]。最近,该研究组在铁基超导线带材的低成本制备方面也取得了新进展,开发出采用纯铜作为包套材料的高性能122型超导带材,该工作发表于近期的Scientific Reports 5 11506 。与传统的铜导线相比,相同横截面积超导带材的载流能力是铜导线的几百倍。

把材料置于零下两三百摄氏度的温度下,将会怎样?超导材料的表现是:电阻突然消失了。这可不是简单的变化,零电阻的超导体被认为有望给电力工业带来革新。

不久前,马衍伟带领科研团队成功研制出世界首根百米量级铁基超导长线。业界和媒体普遍评价:这一成果创造了铁基超导材料从实验室走向产业化的里程碑,标志着我国在铁基超导材料技术领域的研发走在世界前沿。

在获得优质短样的基础上,实现高性能长线的制备是新型铁基超导材料走向大规模应用的必由之路,也是其重大技术难点之一。该课题组通过对制备过程中涉及的相组分与微结构控制、界面复合体均匀加工等关键技术的系统研究,最终成功研制出长度达11米的高性能122型铁基超导长线,其传输电流性能在10特斯拉的磁场下超过18400安培每平方厘米,从而为后续的产业化生产奠定了坚实基础。这一成果在美国应用超导大会、日本国际超导会议等多个国际会议上报道后引起了广泛关注,被誉为是铁基超导材料实用化进程中的里程碑,并于近日在超导专业期刊Physica C上关于铁基超导线带材的综述文章“Development of high-performance iron-based superconducting wires and tapes”中进行了详细阐述[Physica C 516 17]。

日常生活中,电器、电线会发热,是因为电流和电器、电线发生了“摩擦”,这种“摩擦”就是电阻的来源,电阻产生的热量实际是电能浪费。事实上,电在从发电厂“赶往”工厂、住宅、学校的路上,就已经被输电线的电阻消耗了不少。

事实上,从2008年制备出世界首根铁基超导线材,到目前将其载流性能提高到10T的强磁场下10万安培每平方厘米的国际最高纪录,再到研制出世界首根百米量级铁基超导长线,马衍伟团队始终在高性能铁基超导材料的研制中保持国际领先水平。

专家介绍,因为电阻为零,超导材料在传输电的过程中就没有损耗。此外,采用超导输电还能简化变压器、电动机和发电机等热绝缘,并保证输电的稳定性,提高输电的安全性。

敏感抓住铁基超导课题

有专家测算,目前采用铜或铝导线的输电损耗约为15%,我国每年的输电损耗就达1000亿度左右;如果采用超导输电线,每年节省的电量相当于数十个发电厂的发电量。

2008年,日本东京工业大学发现了临界转变温度为26K的铁基超导体,随后中国科学家发现了临界温度超过40K的铁基超导体,突破了麦克米兰极限温度,并进一步将临界温度提高至50K以上,表明铁基超导材料是继1986年发现的铜氧化物超导体之后的新型高温超导材料。

超导材料另一个特性是完全抗磁性,即超导体一旦进入超导态,就如同练就了“金钟罩、铁布衫”一样。这是因为超导体在靠近磁场时会在其表面感应出超导电流,这个超导电流会在超导体内部产生一个与外磁场方向相反大小相等的磁场,外界磁场根本进不去,两种磁场相互抵消,从而体内的磁感应强度为零。

“超导材料因为没有电阻,也就没有损耗,可以节省大量能源,所以一直是材料领域研究的重点。”马衍伟说,前些年超导研究非常热,虽然高温超导、低温超导材料都有些应用,但总体而言,由于制备技术、工艺和成本等原因,超导材料的应用还比较少。

专家表示,无论是先置入外磁场中后降温到超导态,还是先降温到超导态再放入外磁场中,外磁场的磁力线都无法穿透到超导体内部。超导磁体具有体积小、稳定度高、耗能少等多种优势,因此临床上采用的高分辨核磁共振成像技术,很多依靠的是超导磁体。

由于铁基超导上临界磁场最大可超过100特斯拉,并且在高磁场下仍能保持超导无损传输和高载流密度的特性,使它迅速成为国际超导领域争相竞逐的研究热点。铁基超导材料在工业、医学、国防等诸多领域具有广阔的应用前景,被《科学》认为是目前最具发展前景的新型高温超导体之一。

抗磁性还让超导体能在交通领域大展身手。由于磁力线几乎无法进入超导体的体内,将超导体置于普通磁体产生的磁场中时,会达到悬浮的效果,高速超导磁悬浮列车设想应用的正是这一原理。超导磁悬浮列车将为人们提供更高速、稳定和安全的轨道运输。

正因如此,2008年后,国际材料学界掀起一股铁基超导研究热潮。马衍伟敏感地捕捉到这一机会。

超导大规模应用的难点是,缺乏适合应用的、临界温度更高的超导体。1911年,荷兰物理学家昂内斯等人测量金属汞的电阻时,惊奇地发现温度降至极低后,汞的电阻突然消失。金属汞也成为人类发现的第一个超导体。

“我在留学期间是做硼化镁超导材料的,2004年回国后继续做这方面研究,而且电工所有非常好的超导材料研究平台,所以我们能迅速在铁基超导材料的研发上做出成绩。”马衍伟说。

不过,汞要冷却到4.2K(0K等于零下273摄氏度,4.2K约为零下269摄氏度)才有超导现象。这是一个极低的温度,需要依靠昂贵的液氮来维持,推广应用几乎不可能。因此,从超导现象发现第一天起,科学家一直在寻找有应用价值的高温超导体。

“实际意义不大”的第一根超导线诞生

在铁基高温超导体基础研究上,我国处于世界前列

他们的速度很快。开始研究仅两个月后,马衍伟团队就首次成功研制出转变温度达25K的铁基镧氧铁砷线材,这是世界首次将铁基超导材料加工成超导线材。

超导研究在科学上的重要性及其巨大的应用前景,吸引了许多科学家的目光。超导研究百年历史上,有10人获得诺贝尔奖。

但随后的实验证明这根线材其实并没有太大意义。“它的传输电流为零,说明它是不及格的。”马衍伟至今还记得,虽然当时得到国内外同行的关注,但他心里很清楚这一成果的分量。

1968年,物理学家麦克米兰根据传统理论计算推断,超导体的转变温度一般不能超过40K(约零下233摄氏度),这个温度也被称为麦克米兰极限温度。

此后又做出一些传输电流仅为几安培的线材。“2009年我在欧洲的一个国际会议上作报告,国际应用超导权威专家、美国国家高场实验室的Larbalestier教授听完扭头就走,会后我又找到他交流,他说这么小的电流有什么意义?”马衍伟说,权威的评价给他极大压力。

人类对超导的应用是否只能被限制在40K以下?40K的极限温度能否被突破?为了探索这个问题,科学家们做了无数次尝试。1986年,两名欧洲科学家发现以铜为关键超导元素的铜氧化物超导体。铜基超导成为高温超导家族中的一员,在很长一段时间内成为科学家的主要研究方向。

但是开弓没有回头箭。2010年,马衍伟带领团队在铁基超导材料中采用金属添加剂掺杂工艺,增强了超导材料的晶粒连接性,从而使铁基超导线带材的电流密度得到很大提升。

我国科学家在铜基超导研究上也做出了重要贡献。比如,1987年初,中科院物理所团队在钡—钇—铜—氧中发现了临界温度93K(约零下180摄氏度)的液氮温区超导体,并在世界上首次公布了元素组成,刮起了一阵研究液氮温区超导体的旋风。

2011年,通过高分辨透射电子显微术和电子能量损失谱等先进表征手段,研究小组首次直接观测到122型铁基超导体晶界中存在的富氧非晶层,并深入分析了其形成机理,为进一步提高铁基超导线带材的性能奠定了基础。

经过科学家的努力,虽然铜基高温超导材料的质量和性能不断提高,但它有两个致命的缺陷。第一,作为一种金属陶瓷材料,它在柔韧性和延展性上远远不如金属材料,加工工艺也严苛,在材料机械加工等方面存在巨大的困难;第二,它可以负载的最大电流相对较低,无法在一些需要高电流强磁场的领域应用。

随后,研究小组将轧制织构和化学掺杂相结合,有效抑制了铁基超导体的弱连接问题,显著提高了铁基超导线带材的载流能力,测得铁基超导线带材的临界传输电流达到180安培,相应临界电流密度超过25000安培每平方厘米,处于当时世界领先水平。

铁元素作为典型的磁性元素,曾一度被认为是探索高温超导体的禁区。2008年3月,日本的一位科学家无意中发现了铁基高温超导材料。但由于日本科学家最早发现的铁基超导样品转变温度只有26K(约零下247摄氏度)——因为没有突破麦克米兰极限温度,还不能确定是铁基高温超导体。

从第一根铁基超导线材的传输电流零安培提高到180安培,马衍伟研究小组只用了不到3年时间。

随后不久,我国科学家发现了临界温度超过40K的铁基超导体,突破了麦克米兰极限温度,证明铁基超导材料是继铜氧化物超导体之后的新型高温超导材料。其中,中国科学院院士赵忠贤领导的研究小组利用高压合成技术高效地制备了一大批不同元素构成的铁基超导材料,转变温度很多达到50K(约零下223摄氏度)以上,并创造了55K(约零下218摄氏度)的铁基超导体转变温度纪录。

取得重大突破的第一根十米线材

我国科学家还对铁基超导体若干基本物理性质进行了深入研究,确认了它的非常规性。铁基超导被确认为新一类高温超导体,引起了国际物理学界的极大关注,成为科学家研究的热点。铁基超导材料也因其在交通运输、医学、国防等领域有广泛的应用前景,被《科学》杂志称为是目前最具有发展前景的新型高温超导体之一。

2014年,马衍伟团队再次取得重要突破。

目前,我国科学家在铁基高温超导体基础研究上处于世界前列。

在铁基超导带材短样性能不断获得提高的基础上,马衍伟团队在国际上率先开展了多芯线带材制备工艺和线带材规模化制备工艺的研究。

我国已率先研制出首根百米量级铁基超导长线

“在高场强电应用中,为了防止磁通跳动,减少交流损耗,必须使用复合在金属基体中的多芯丝超导线带材。”马衍伟说。2013年初,研究小组将单芯线材进行二次装管,克服了复合包套多芯结构在成型加工中的诸多困难,最终成功制备出了国际首根高性能铁银复合包套的七芯超导线带材。

超导体要实现规模化的商业应用,将实验室的优势转化为产业优势,还少不了工程方面的工作。值得欣慰的是,自2008年科学家发现铁基超导体以来,我国在铁基超导材料研究和制备上同样做到了领跑。

在此基础上,他们迈出了在铁基超导长线制备的第一步,2014年研制出世界上第一根10米铁基超导线材。“我们当时很激动,因为这毕竟是第一根10米量级的线带材,但是我们也清醒地知道,作为一种新型材料,要达到实用级别,10米远远不足以满足规模化制备需要,它只是一个开始,”马衍伟说。“对于铁基超导线材的产业化应用,突破百米量级的长线制备是其中的关键点,也是该领域应用研究的重大技术难点。”

研制铁基超导线的技术难点是找到均匀、稳定、可重复性的制备方法。2008年,中科院电工所研究员马衍伟带领团队采用粉末装管法,率先制备出世界首根铁基超导线带材。虽然其后验证发现其传输电流为零,说明这根线材没有太大意义,但团队由此找到了制备铁基超导线材的路径。

从10米到100米有多难?铁基超导线材的制备采用的是粉末装管法。简单来说,就是将超导粉装到金属管里,然后将这个根管子不断拉长、拉细,直到成为横截面积直径为1毫米左右的细管。

2010年,马衍伟团队首创铁基超导前驱粉先位烧结工艺,为线材载流性能显著提升奠定了基础;2011年,研究团队解决铁基超导体的弱连接问题,提升了载流能力,并测得其临界传输电流达到180安培,相应临界电流密度超过25000安培/平方厘米。

“这么细的管子里,超导芯只要有一丁点不均匀,导电性能就会变差,而且线带材越长,均匀性越难控制,这对超导线制备中的各项工艺技术都提出了很高的要求。”马衍伟解释说。

2012年,马衍伟团队进一步优化织构化铁基超导带材的制备工艺,大幅度提高了超导电流,其临界电流密度在10特斯拉的强磁场下达到17000安培,证明了铁基超导材料在强电应用上的巨大潜力。

不停地改进工艺—失败—再改进,成功终于到来。“我们通过对超导长线的结构设计和加工技术的试验优化,解决了铁基超导线规模化制备中的均匀性、稳定性和重复性等技术难点,最终成功研制出国际上第一根百米量级铁基超导线。”说到这,马衍伟掩饰不住的兴奋,“这一成果在圈内影响非常大,大家评价很高,认为我们迈出了铁基超导材料产业化的关键一步。今年Larbalestier教授专程来到我们实验室参观,这说明我们的工作受到了国际权威专家的肯定。”

米级的铁基超导线性能不断提高,但铁基超导材料要走向大规模应用,还要制备出高性能长线。

执着和勤奋是成功的不二法则

2015年,马衍伟团队成功研制出国际上第一根10米量级的高性能122型铁基超导长线,实现了铁基超导线带材制备的新突破。不过,要达到实用级别,10米量级的铁基超导线还远远满足不了规模化制备需求。

如今云淡风轻笑谈的背后是十几年如一日的执着与辛苦。家与单位只有步行15分钟的距离,马衍伟泡在单位的时间要远远多于在家的时间。

长线线材制备难点在哪里?“线带材越长,均匀性越难控制,这对超导线制备中的各项工艺技术都提出了很高的要求。”马衍伟说。

目前,铁基超导线材研制已成为国际范围内相互竞争的领域,对于铁基超导线材的产业化应用,突破百米量级的长线制备是其中的关键点,也是该领域应用研究的重大技术难点。美国佛罗里达国家强磁场实验室、日本国立材料研究所、日本东京大学、意大利热那亚大学等均有所布局。

2016年9月,马衍伟团队优化了设计和加工方案,成功研制国际上首根100米量级铁基超导长线。经测试,该超导线载流性能表现良好,10特斯拉高磁场下的临界电流密度超过12000安培/平方厘米,初步具备了应用的价值。

“它们的相关研究还处于线材短样性能研究阶段,还没有开展线材规模化制备研究。可以说目前我们处于领先阶段,但学术就是逆水行舟,不进则退,我们不能放松。”马衍伟说。

目前,世界上其他国家的铁基超导线制备仍处于米级水平。专家表示,百米量级铁基超导线的成功研制,表明我国已率先掌握了具有自主知识产权的铁基超导长线制备技术,巩固了我国在铁基超导相关研究上的领先地位,有利于我国占领新型超导材料及其应用发展的制高点。

他介绍道,接下来的目标是将7芯做到19个芯,最后要实现上千芯,“已经在应用的超导材料都有上千个芯,这是我们的目标”。

(原载于《人民日报》2017-12-2220版)

至于什么时候能最终产业化,马衍伟满怀期待同时审慎严谨:“我们必须脚踏实地做好眼前。认准目标后就要坚持,不言放弃。对于任何人而言,执着和勤奋是成功的不二法则。”

(原载于《科技日报》2016-09-26 05版)

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