今年年初，電工所應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任馬衍偉帶領(lǐng)研究組，采用粉末裝管法（Powder-in-tube，簡稱PIT法），在國際上率先制備出高性能的122型鐵基超導(dǎo)多芯線帶材。
在電工所“一三五”戰(zhàn)略規(guī)劃中，“超導(dǎo)與電工新材料及其應(yīng)用”是五個(gè)重點(diǎn)培育方向之一，馬衍偉帶領(lǐng)研究組在鐵基超導(dǎo)線帶材的制備及性能研究中取得重要進(jìn)展。
長年的科研積累讓馬衍偉獲得了多項(xiàng)殊榮，包括國家杰出青年基金獲得者、中科院“百人計(jì)劃”入選者、“新世紀(jì)百千萬人才工程”國家級(jí)人選等，他告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者：“雖然我們的鐵基超導(dǎo)材料實(shí)用化研究領(lǐng)先了一步，如何不被超越還需要付出更多的努力。”
首根超導(dǎo)線材問世
2008年，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種鐵基超導(dǎo)材料，該材料目前最高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到55 K，上臨界場(chǎng)超過100 T，在高場(chǎng)磁體中具有廣闊的應(yīng)用前景。
在鐵基超導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)后，馬衍偉領(lǐng)導(dǎo)研究小組采用PIT法，首次成功研制出轉(zhuǎn)變溫度達(dá)25 K的鐵基鑭氧鐵砷線材，這是世界上第一個(gè)將鐵基新超導(dǎo)材料加工成超導(dǎo)線材的工作。
隨后，馬衍偉研究小組采用銀包套材料—摻雜改性—先位燒結(jié)等新工藝，解決了包套管與超導(dǎo)芯易反應(yīng)、雜相多、密度低等難題，進(jìn)一步提高了鐵基超導(dǎo)線帶材的臨界電流密度。
2011年，研究小組將軋制織構(gòu)和化學(xué)摻雜相結(jié)合，有效抑制了鐵基超導(dǎo)體的弱連接問題，顯著提高了鐵基超導(dǎo)線帶材的載流能力，測(cè)得鐵基超導(dǎo)線帶材的臨界傳輸電流達(dá)到180安培，相應(yīng)臨界電流密度超過25000安培每平方厘米，處于當(dāng)時(shí)世界領(lǐng)先水平。
從第一根鐵基超導(dǎo)線材的傳輸電流零安培提高到180安培，馬衍偉研究小組只用了不到3年時(shí)間。
而在實(shí)際應(yīng)用中，為了防止磁通跳躍，增強(qiáng)超導(dǎo)線載流穩(wěn)定性，必須使用具有多芯結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)線材。不久前，馬衍偉研究小組在不斷提高單芯鐵基超導(dǎo)線帶材性能的基礎(chǔ)上，開展了多芯鐵基超導(dǎo)線帶材的研制工作。
今年年初，馬衍偉研究小組以制備單芯線材所采用的PIT法為基礎(chǔ)，將單芯銀包套的線材進(jìn)行二次裝管，克服了復(fù)合包套多芯結(jié)構(gòu)在成型加工中的諸多困難，最終成功制備出了高性能鐵銀復(fù)合包套的七芯122型超導(dǎo)線帶材。“這是鐵基超導(dǎo)線帶材研制方面的一個(gè)重大突破，對(duì)于強(qiáng)電應(yīng)用具有重要意義。”
一路走來，馬衍偉研究小組讓鐵基超導(dǎo)材料距離應(yīng)用又近了一步，并且打敗了眾多的國際同行，取得了領(lǐng)先的地位。
從領(lǐng)先到精益求精
馬衍偉至今還記得研究小組于2008年研制出第一根鐵基超導(dǎo)線材，雖然得到國內(nèi)外同行的關(guān)注，但當(dāng)時(shí)測(cè)得傳輸電流為0，這讓馬衍偉心里很清楚，這根鐵基超導(dǎo)線材并不合格。
2009年，馬衍偉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在鐵基超導(dǎo)材料中加入銀作為添加劑，增強(qiáng)了超導(dǎo)材料的晶粒連接性，從而使鐵基超導(dǎo)線帶材的電流密度得到很大提升，首次測(cè)得每平方厘米1300安培的超導(dǎo)電流。
“雖然電流還是很小，但這說明我們?cè)谇斑M(jìn)。”馬衍偉肯定地表示。隨后，團(tuán)隊(duì)又陸續(xù)摻入新的添加劑，并進(jìn)一步改進(jìn)制備工藝，采用機(jī)械軋制方法使鐵基超導(dǎo)體晶粒有序排列，進(jìn)一步提高了晶粒之間的耦合。
2011年，通過高分辨透射電子顯微術(shù)和電子能量損失譜等先進(jìn)表征手段，研究小組首次直接觀測(cè)到122型鐵基超導(dǎo)體晶界中存在的富氧非晶層，并深入分析了其形成機(jī)理，為進(jìn)一步提高鐵基超導(dǎo)線帶材的性能奠定了基礎(chǔ)。
繼2011年該團(tuán)隊(duì)在線帶材臨界電流獲得重大突破后，2012年他們通過進(jìn)一步優(yōu)化織構(gòu)化鐵基超導(dǎo)帶材的制備工藝，再一次大幅度提高了超導(dǎo)電流，其臨界電流密度在10T的強(qiáng)磁場(chǎng)下達(dá)到17000安培，進(jìn)一步證明了鐵基超導(dǎo)材料在強(qiáng)電應(yīng)用上的巨大潛力。
如何保持不被超越
采訪中，馬衍偉多次提及鐵基超導(dǎo)材料的實(shí)用化研究在國際上炙手可熱，處于你追我趕的態(tài)勢(shì)，研究成果隨時(shí)可能被超越。雖然目前團(tuán)隊(duì)的研究成果處于世界領(lǐng)先的地位，但競爭對(duì)手虎視眈眈，如果不抓緊下一步的研發(fā)，遲早將會(huì)落后于人。
在馬衍偉研究小組的實(shí)驗(yàn)室里，記者仔細(xì)觀察了一根不到一米的金屬管通過軋制后逐漸變長的過程，雖然使用的是替代金屬管，而不是超導(dǎo)材料，但實(shí)驗(yàn)室工作人員還是為記者很好地呈現(xiàn)了一幅鐵基超導(dǎo)線帶材料工藝的現(xiàn)場(chǎng)。
記者還發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室很多設(shè)備都是國產(chǎn)常見機(jī)器，原來這也是PIT法價(jià)格低廉的部分原因。
馬衍偉告訴記者，鐵基超導(dǎo)芯中存在的空洞、微裂紋、雜相、晶界處的非晶相和其他的一些晶體缺陷等，極大限制了材料中電流的傳輸，因此必須開發(fā)新方法和優(yōu)化熱處理的工藝，進(jìn)一步減少雜相，提高超導(dǎo)相的純度，同時(shí)也可以使用冷壓法提高超導(dǎo)芯的致密度。
為此，研究小組下一步的工作重點(diǎn)是改進(jìn)熱處理和軋制組織工藝，優(yōu)化長線的均勻性和整體性能、降低制作成本、提高熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能，希望獲取具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的鐵基超導(dǎo)線帶材料。
這些均需要新的實(shí)驗(yàn)來完成，馬衍偉向記者介紹，不久實(shí)驗(yàn)室還將添置新的設(shè)備，以保證實(shí)驗(yàn)的下一步工作進(jìn)展順利。
