我国铁基超导材料向高磁场应用迈进

时间:2021-02-25

  超导材料要实现强电高磁场应用,必须解决限制线材性能的微观机理问题,突破其关键制备技术,从而获得高磁场下高临界电流、高机械强度以及较好的电磁稳定性等特性。

  ——马衍伟 中国科学院电工研究所研究员

  2月22日,科技日报记者从中国科学院高能物理研究所(以下简称高能所)获悉,国际学术期刊《超导科技》发表我国科研人员的一项有关铁基高温超导的最新成果。

  来自高能所和中国科学院电工研究所(以下简称电工所)的研究人员,基于百米铁基超导带材研制的长尺度跑道型线圈,在10特斯拉二极磁场下,实现超过零场环境80%的高载流性能,首次验证了大尺寸铁基超导线圈在高磁场领域应用的可行性,及其载流性能对背景场强相对不敏感的高场应用优越性。

  这是继2016年研制出首根百米级铁基超导带材、2019年完成小尺寸铁基超导螺线管线圈24特斯拉性能验证后,该团队取得的又一重要进展。

  中国科学家走在铁基高温超导研究最前沿

  所谓超导,是指某些材料在温度降低到某一临界温度以下时,电阻突然消失的现象。具备这种特性的材料称为超导材料。超导材料的两个基本性质是零电阻和完全抗磁性,这些不寻常的特性使其在科学研究、信息通讯、能源存储、交通运输、生物医学等领域均有重大的应用前景。

  1968年,美国物理学家麦克米兰根据传统理论计算推断,超导材料的转变温度一般不能超过40开尔文(1开尔文约为-273℃),这个温度也被称为麦克米兰极限温度。1986年,两名欧洲科学家发现了以铜为关键组成元素的铜氧化物超导体,很快包括中国科学家在内的研究团队将铜氧化物超导体的临界转变温度提高到液氮温区以上,突破了麦克米兰极限温度,学界将其称为铜基高温超导材料。

  铜基高温超导材料作为一类金属陶瓷材料,加工工艺严苛,综合成本相对较高。2008年2月,日本化学家细野在四方层状的铁砷化合物中发现存在转变温度为26开尔文的超导性,但因为没有突破麦克米兰极限温度,还不能确定该材料是否为高温超导材料。

  我国科学家基于在此领域长期的研究经验,敏锐地意识到,类似结构的铁砷化合物中很可能存在更高超导转变温度。2008年3月,中国科学技术大学陈仙辉研究组和中国科学院物理研究所(以下简称物理所)王楠林研究组同时在铁基中观测到了43开尔文和41开尔文的超导转变温度,突破了麦克米兰极限温度,证明了铁基超导材料为高温超导材料;随后,物理所赵忠贤研究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,并创造了55开尔文的铁基超导体转变温度纪录。

  目前,我国科学家走在了铁基超导材料研究国际最前沿。“之前的超导理论认为超导性和铁磁性不能共存,而铁基超导材料的发现表明高温超导机理研究还存在巨大的未知空间。”高能所研究员徐庆金说。

  铁基超导材料实用化正“爬坡过坎”

  经国际物理学界认可,铁基超导材料正式成为新一类高温超导材料。更重要的是,铁基超导材料还具有临界磁场高、各向异性小、晶界临界角大等一系列有利于实用化的优点。

  从铁基超导材料具有的优点看,它在中低温高磁场领域具有较大的应用潜力,可充分发挥其临界磁场高、各向异性小、制备成本低等优势。比如,基于铁基超导材料制备的高场超导磁体,有望大幅度提升磁体性能,降低目前高场磁体高昂的造价,在医疗核磁共振谱仪、先进能源、基础科学研究装置,以及电力及交通等领域具有重要的应用前景。

  然而,“超导材料要实现强电高磁场应用,必须解决限制线材性能的微观机理问题,突破其关键制备技术,从而获得高磁场下高临界电流、高机械强度以及较好的电磁稳定性等特性。”电工所研究员马衍伟说。

  2016年,电工所率先制备了百米量级的铁基超导线材,为铁基超导材料的实用化开启了大门。2018年,高能所和电工所合作,基于超导带材短样研制出铁基超导内插螺线管线圈,成功在24特斯拉的强磁场下获得较高临界电流,用实验验证了铁基超导材料高场应用的可行性,2020年中国科学院强磁场中心在高达30特斯拉的强磁场背景下的测试进一步验证了此结果。

  与此同时,高能所和电工所合作团队也开始了基于百米级铁基超导带材大尺寸超导线圈的研制及高场性能测试,目前最高10特斯拉二极背景场下的测试结果表明:铁基超导线圈载流性能相对零磁场下损失小于20%,在高场下应用具有其独特的优越性。

  可应用于下一代粒子加速器

  “目前我们已经在高性能铁基超导线材方面获得较大进展,但相对来说,实用化铁基超导线材研究时间还很短,线材性能上还存在较大提升空间,制备工艺上也需要时间来进一步摸索优化的结构及参数。”徐庆金说。“本次成功验证大尺寸铁基超导线圈在高场领域应用的可行性,及其载流性能对背景场强相对不敏感的高场应用优越性,确实是一个很鼓舞人心的结果,证明研究团队从几年前开始推动的这项研究大方向没有错,也是科研团队通力合作的结果。”

  同时,这项研究得到了国际同行的高度评价。审稿人如此评价此项工作的重要意义:“这一新成果将对超导材料及磁体技术领域产生重要影响”“证明了铁基超导材料用于发展下一代粒子加速器的巨大潜力”。

  “未来进展顺利的话,铁基超导材料有望对下一代粒子加速器的发展产生重要影响,让新一代高性能、低成本的高场超导磁体从理想变为现实,助力相关的基础科学、高科技产业及人民健康的高质量发展。但是,目前的结果还只是阶段性进展。”马衍伟强调。

  徐庆金表示,研究团队未来将在此基础上,继续大幅度提升铁基超导线带材的载流及机械性能,推进高性能铁基超导高场磁体技术的进一步探索及示范验证。性价比大幅度提升的新一代高场超导磁体技术,不仅可以推动高性能粒子加速器及可控核聚变等大科学装置的建设及相关基础科学的发展,在能源、医疗、电力、交通等民生领域也将有着广泛的应用。(记者 陆成宽)


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