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每平方毫米能通电5000安的电线是如何制造出来的?

时间:2019-02-18 阅读:
1平方毫米是什么概念?一个小米粒大小;5000安电流又是什么概念呢?通电瞬间可以将一把扳手熔化。现实中有可能制造出这样的电线么?

生活中,我们都知道,人体安全电压是36伏,电压低于这一这个值便不会导致人伤残或死亡,但许多人也都会有疑问,为什么家用电电压却是220伏呢?

其实,这实属无奈之举,铜在室温条件下通电的安全电流密度只有每平方毫米几安,如果使用安全电压,入户的电线需要粗得跟钢筋似的。那么,能不能发明没有电阻的材料呢?这样家里的电线可以细得跟毛线一样,并且还不会有触电的危险。

幸运的是,没有电阻的材料确实有,这就是“超导材料”。

(一)我们需要什么样的超导?

人类发现超导现象已经有一百多年,但超导依然无法得到普遍的应用,这是因为,尽管超导体的种类繁多,但还没有一种能完全满足以下要求:可以规模化且廉价的制造、拥有类似于铜铝导体的机械特性、廉价的运行维护成本。

低温超导体,例如NbTi合金超导拥有接近于铜导线的机械特性,可以规模化生产、价格相对低廉、可以被制造成细线如一般铜线使用,但4.2K的运行温度需要使用昂贵的液氦和功率巨大的制冷机组,运行成本高昂。

而高温超导体在液氮条件具备优异的临界特性,加上液氮很廉价,可能成为第一种被大规模广泛应用的超导材料。

不过,第一代高温超导体在规模化生产和大幅降低生产成本上难以取得突破,直到2004年第二代高温超导带材的出现,才带来了一些变化。

第二代高温超导本身属于陶瓷材料,具有天然的脆性,作为超导体又是一种各向异性材料(不同方向的磁场下临界电流也不同),只能在特定的场景使用,比如制作超导微电子器件、超导磁悬浮浮子。要真正使第二代高温超导材料得到广泛应用,就必须优化超导材料配方减弱其各项异性,就必须想办法把第二代高温超导制造成长线材或带材,并具备优异的弯曲、拉伸等机械性能。

(二)怎样制造第二代高温超导带材?

为了实现第二代高温超导带材的实用化,解决其脆性问题,研究人员为带材设计了复杂的多层结构。

这种多层结构中,各层材料实现不同的作用:占整个带材厚度约一半的是金属基带,一般是表面极其光洁的哈氏合金,用于支撑超导层为带材提供机械性能;往上是缓冲层,目的是让超导层更好的生长在基带上;再往上是超导层,是整个带材的核心,提供了我们所需要的超导电性,所有层都为它而存在,它的厚度仅有1um左右,约占整个带材厚度的1%;最后再用银层和铜层包裹带材,保护好整个带材,带材整体的厚度仅约0.1mm。

如此结构的第二代高温超导带材,其机械性能已完全满足实际使用要求。

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高温超导带材的多层结构与实物图

制造第二代高温超导带材的关键技术是超导层制备技术,目前使用的主流技术包括金属有机化学气相沉积法(简称MOCVD)、金属有机物沉积法(简称MOD)、反应共蒸发法(简称REC)和脉冲激光沉积技术(简称PLD)。

MOCVD沉积速率快、面积大、薄膜质量高,但工艺技术和化学源合成技术难度都比较大;MOD生产成本低,易于规模化,但沉积薄膜厚度受限,带材临界电流相对较低;REC沉积速率快、面积大,低磁场下临界电流较高,但控制难度较高,由于难以实现钉扎导致高磁场下临界电流偏低;PLD沉积工艺简单,但沉积面积有限,生产成本偏高。

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第二代高温超导带材生产工艺

制造第二代高温超导带材的工艺流程:

(1)准备基带

选用晶体结构、表面化学稳定性、耐高温特性、机械性能和抗氧化能力优异,热膨胀系数与超导层材料匹配的基带材料,经过反复试验与研究,最终发现哈氏合金是最优选择。使用电解抛光对基带反复进行抛光处理,直到基带表面粗糙度小于1纳米。

(2)制备缓冲层

利用磁控溅射沉积技术(其他可选技术包括蒸发沉积法、脉冲激光沉积法和化学溶液沉积法等),在基带上制备由氧化铝、氧化钇、氧化镁、二氧化铈等材料组成的、表面形貌平整光滑、微观结构致密、具有双轴取向的多层薄膜缓冲层。

(3)生长超导层

利用机化学气相沉积法(其他可选技术包括金属有机物沉积法、反应共蒸发法和脉冲激光沉积技术等),在缓冲层上生长表面平整、结构致密、厚度约为1um的REBCO超导层。

(4)沉积银膜层

利用磁控溅射沉积等技术,在已经完成超导层生长的带材上下表面继续沉积约2um厚度的银稳定层,然后对超导带材进行氧化热处理,根据实际宽度需求对带材进行分条处理。

(5)包覆金属稳定层

利用电镀技术,在完成分条的超导带材四周镀上一定厚度的铜稳定层(典型值为20um厚)。根据具体应用需要,利用不同封装技术,再次对完成基本包覆的超导带材进行进一步封装处理,如包覆不锈钢带,增加机械强度;包覆聚酰亚胺绝缘带,实现带间绝缘等。

(三)如何做好质量检测?

经过上述工艺流程,我们已经获得第二代高温超导带材的成品,但是由于制造过程非常精细、存在一些不可控因素,任何微小的工艺参数偏差都可能导致带材性能完全达不到设计参数,因此制造完成后的带材必须要进行质量检测,包括临界性能检测和机械性能检测。

必须进行的临界性能检测是液氮温度下、无外磁场、全长度的临界电流测试,以确定带材是否存在坏点、临界电流均匀性是否符合要求(比如全长度最高临界电流与最低临界电流相差不超过10%),并根据测试数据将带材进行分段处理。除此之外,还需要根据超导带材的将要使用的环境,测试带材在相应温度和背景磁场下的临界电流。

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国产第二代高温超导带材的临界性能

高温超导带材在使用过程中,一般会受到弯曲、拉伸和扭转三种容易使超导失效的受力情况,其中扭转可看做是弯曲和拉伸同时作用的情形,因此我们一般只需要做带面方向的临界弯曲半径和带材长度方向的临界拉伸应力应变的检测。

所谓临界弯曲半径或临界拉伸应力应变,是指在该条件下,带材没有发生脱层现象,带材的临界电流降低到平直状态下的一定百分比(如95%)。

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临界弯曲半径测试(左)临界拉伸应力应变测试(右)

至此,我们便获得了机械性能合格、在20K温度下每平方毫米能够通入五千安培直流电的高温超导带,电流在超导带上不会产生任何欧姆损耗。

虽然目前这样的超导带还不能进入寻常百姓家,但是已经逐步在大科学装置、医疗、通信、电力、交通等领域获得尝试性的应用,随着超导带性能的进一步提升,高温超导必将获得更加深入和广泛的应用,超导时代就要来临。

(来源:网易号了不起的中国制造,作者:苏普康德,超导应用研究人员)

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