电工所在铁基超导多芯线材的研制中取得进展

在科技部、北京市科委、国家自然科学基金委的大力支持下，中科院电工研究所应用超导重点实验室马衍伟研究组在铁基超导多芯线带材的制备及性能研究中取得重要进展，采用粉末装管法（Powder-in-tube）在国际上率先制备出高性能的122型铁基超导多芯线带材。该成果于今年2月发表在美国物理学会主办的《应用物理快报》【Appl.Phys.Lett.102 (2013) 082602】，对进一步推动铁基超导体在强电领域的实际应用具有重要意义。

铁基超导体是2008年由日本科学家发现的一种新型超导材料，该体系超导体目前最高的超导转变温度达到55K，上临界场超过100T，在高场磁体中具有广阔的应用前景。在铁基超材料发现后不久，该研究组分别于2008年和2009年使用粉末装管法率先在国际上研制出1111型（SmO1-xFxFeAs）和122型（SrxK1-xFe2As2）铁基超导线材。接着采用银包套材料－掺杂改性－先位烧结等新工艺，解决了包套管与超导芯易反应、杂相多、密度低等难题，进一步提高了铁基超导线带材的临界传输电流；另一方面，采用STEM和EELS等先进表征手段，首次直接观测到122型铁基超导体晶界存在的富氧非晶层，并深入分析了富氧层的形成机制，为通过改善晶粒连接性提高其传输电流密度提供了理论依据【Appl. Phys. Lett. 98 (2011) 222504】；在搞清上述晶界性质的基础上，采用轧制织构和锡掺杂相结合的方法大幅度提高了122型单芯超导线带材的载流能力，其传输临界电流密度在4.2K和10T的磁场下高达17000安培每平方厘米，为目前已报道铁基超导线带材性能中的最高值【Scientific Reports 2 (2012) 998】。由于在铁基超导线带材研制领域做出的系统性工作和突出贡献，该研究组应国际超导主流期刊《超导科技》编辑的专门邀请发表了关于铁基超导线带材制备进展的综述文章【Supercond. Sci. Technol. 25 (2012) 113001】，详细而全面的评述了铁基超导线带材的发展历程、研究现状和各项关键技术，并对其未来的发展做了展望（图1）。

为了防止磁通跳跃，增强超导线载流稳定性，实际应用中必须使用具有多芯结构的超导线材。因此，该组在不断提高单芯铁基超导线带材性能的基础上，为了进一步推进其实际应用，同时开展了多芯铁基超导线带材的研制工作。由于粉末装管法制备线带材具有成本较低且易于未来规模化制备的优点，此工作以制备单芯线材所采用的粉末装管法为基础，将单芯银包套的线材进行二次装管，克服了复合包套多芯结构在成型加工中的诸多困难，最终成功制备出了铁银复合包套的七芯122型超导线带材（图2）。对多芯线带材拉拔和轧制等不同工艺路线的系统研究发现，轧制加工能有效提高此多芯超导线超导芯的致密度，进而提高其传输临界电流，而且临界电流随着轧制厚度的减小而提高，临界传输电流密度在4.2K下可达21100安培每平方厘米，并且在最高达到10T的强磁场下仍保持较高的性能（图3）。这一结果进一步表明了铁基超导线材的独特优势和在未来实际应用中的巨大潜力。

图1 各类实用化超导线带材的的传输临界电流密度（Transport Jc）的磁场特性比较（Supercond. Sci. Technol. 25 (2012) 113001），其中的Sr-122 PIT wire（Scientific Reports 2 (2012) 998）为粉末装管法制备的122型铁基超导线材。

图2 铁银复合包套的七芯122型超导圆线及带材的冷加工制备流程。（Appl. Phys. Lett.102 (2013) 082602）

图3 不同轧制厚度的单芯及七芯122型超导带材的传输临界电流密度的磁场特性。（Appl. Phys. Lett.102 (2013) 082602）