Вопрос 22

Технология получения высокотемпературных сверхпроводников;Перспективы практического применения в сильноточной и слаботочной

электронике.

Высокотемпературные сверхпроводники (Высокие T_c) — семейство материалов (сверхпроводящихкерамик) с общей структурной особенностью, относительно хорошо разделёнными медно-кислородными плоскостями. Их также называют сверхпроводниками на основе купратов. Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах в этом семействе, является самой высокой среди всех известных сверхпроводников. Нормальное (и сверхпроводящие) состояния показывают много общих особенностей между различными составами купратов; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамкахтеории БКШ. Последовательной теории сверхпроводимости в купратах в настоящее время не существует; однако, проблема привела ко многим экспериментальным и теоретическим результатам, и интерес в этой области — не только в достижении сверхпроводимости при комнатной температуре. За экспериментальное открытие первого высокотемпературного сверхпроводника в 1987 была немедленно присужденаНобелевская премия.

А что касается получения - основной путь один: твердофазный синтез (сплавление оксидов, например).

Получение ВТСП-материалов с заданными характеристиками является важнейшей целью, сформулированной практически сразу же после открытия этого класса сложных купратов. Несмотря на все разнообразие форм и типов ВТСП-материалов, лишь некоторые их виды смогут в обозримом будущем выиграть конкурентную борьбу с уже существующим устройствами в энергетике, электронике и медицине, в частности: высокогомогенные порошки,

• тонкие пленки и пленочные гетероструктуры,

• крупнокристаллическая керамика

• монокристаллы

• длинномерные композитные материалы.

На первых порах при исследовании ВТСП-материалов активно использовали так называемый "керамический метод" - тщательное механическое смешение оксидов (в ряде случаев - оксидов и карбонатов щелочноземельных металлов) и многократно повторяющиеся для достижения полного твердофазного взаимодействия реагентов циклы "обжиг-помол".

Этот традиционный при получении многих видов конструкционной и функциональной керамики метод имеет ряд существенных недостатков, главный из которых - длительность термической обработки вследствие достаточно больших размеров зерен и неоднородности смешения реагентов. При этом часто имеет место неконтролируемый рост кристаллитов и как следствие, помимо химической возникает также и гранулометрическая неоднородность, что в совокупности с анизотропией кристаллитов ВТСП приводит к невоспроизводимости электрических и магнитных свойств. Кроме того, почти все открытые к настоящему времени оксидные сверхпроводники являются химически сложными фазами, поэтому различие свойств их компонентов, обусловленное их положением в таблице Менделеева, делает невозможным существование унифицированной схемы синтеза керамическим методом.

С 1987 г. и по настоящее время большое число исследований в области ВТСП связано с разработкой и применением так называемых "химических методов" получения порошков, которые позволяют повысить гомогенность продукта за счет практически молекулярного уровня смешения компонентов в растворе и его сохранения на последующих стадиях синтеза. Получаемые оксидные порошки характеризуются, как правило, достаточно высокой удельной поверхностью и, как следствие, активны в процессах твердофазного взаимодействия и спекания. Кроме того, эффективность химических методов синтеза проявляется в повышении химической однородности керамики. Использование химических методов целесообразно и при реализации наиболее популярных расплавных методов получения керамики, несмотря на существенное нивелирование морфологических различий порошков с отличающейся предысторией в результате полного или частичного плавления. Из химических методов получения ВТСП (химических методов гомогенизации) следует выделить: метод соосаждения, золь-гель методы, распылительную сушку и пиролиз аэрозолей, криохимическую технологию и ее модификации (методы криопропитки, криоосаждения, криозоль метод и т.д.), RESS -технологию, основанную на быстром расширении сверхкритических растворов. Методы соосаждения получили широкое распространение для синтеза разнообразных видов керамики, поэтому неудивительно, что они были одними из первых химических методов, посредством которых стали синтезировать ВТСП-порошки.

Как и в ведущих странах мира, в результате развития фундаментальных и прикладных исследований по сверхпроводимости в России разработаны многочисленные конструкции сверхпроводящих токонесущих элементов для гелиевого и азотного уровней температур. В промышленности переход от низкотемпературных сверхпроводников к высокотемпературным несет в себе возможность повышения рабочих температур сверхпроводящих устройств вплоть до азотных, замены жидкого гелия на жидкий азот, очевидное упрощение системы криостатирования и сокращение в сотни раз связанных с этим эксплуатационных расходов. Кроме того, ВТСП - устройство более устойчиво к внешним возмущениям, а криогенная система азотного уровня более надежна в эксплуатации. Важным положительным фактором, позволяющим существенно упростить конструкцию высоковольтной изоляции, является высокая диэлектрическая прочность жидкого азота, сравнимая с диэлектрической прочностью трансформаторного масла.

Необходимость криостатирования сверхпроводникового оборудования создает благоприятные возможности для повышения его надежности. При криогенных температурах не возникают температурные градиенты, и соответствующие термомеханические напряжения (в медных обмотках градиенты температуры достигают 80 – 100К), практически отсутствует старение высоковольтной изоляции. Поскольку сверхпроводниковые устройства часто функционируют в сочетании с полупроводниковыми преобразователями, то можно улучшить рабочие параметры последних при температурах, близких к азотным, расположив оба устройства в едином криостатируемом объеме.

Таковы многообещающие перспективы практического использования сильноточных сверхпроводниковых технологий, связанные с изменением одной из основных составляющих этой технологии – переходом от низкотемпературных к высокотемпературным сверхпроводникам. Но за прошедшие годы и вторая их составляющая – криогенная техника не стояла на месте. Может быть, наиболее яркой демонстрацией этого прогресса служат системы (локальные или автономные) криостатирования с широким спектром температур, начиная с гелиевых. Разработаны компактные микроохладители, обладающие большим ресурсом безостановочной работы, их надежность приближается к надежности домашнего холодильника. Именно успехи в криогенной технике сделали возможным широкое (около 15 тыс. установок) распространение в клиниках магниторезонансных томографов с магнитами гелиевого уровня температур, привели к созданию первых промышленных сверхпроводниковых магнитных сепараторов и малых сверхпроводниковых накопителей энергии для бесперебойного снабжения ответственных потребителей.

Сильноточные сверхпроводниковые технологии ныне вышли на уровень, который дает возможность создания нового поколения электроэнергетического оборудования, существенно превосходящего оборудование традиционного (резистивного) исполнения за счет более высокой эффективности. Вполне реально уменьшить в два-три раза массогабаритные показатели и, соответственно, материалоемкость и энергозатраты на изготовление, повысить надежность и срок службы, создать энергосистемы с качественно новыми характеристиками, приемлемыми для электроэнергетики XXI столетия. Необходимо отметить экологическую безупречность сверхпроводникового электрооборудования, при меньшей капитальной стоимости в массовом производстве и цене сверхпроводника, не превышающей 20 долл. за 1 кА×м.

Основными задачами исследований и разработок по сильноточной сверхпроводимости являются:

а) развитие научных основ технологии ВТСП-материалов с высокими эксплуатационными параметрами;

б) исследования и разработки по совершенствованию конструкций, параметров и технологии длинномерных промышленных проводов и массивных изделий из сверхпроводников с высокими токонесущими способностями;

в) изучение электродинамики материалов и устройств и развитие принципов их конструирования для расширения областей их применения;

г) исследования и разработки по созданию сверхпроводящих магнитных систем и сверхпроводникового оборудования нового поколения, превышающего по своим техническим и экологическим показателям оборудование традиционного исполнения для нужд различных отраслей промышленности, военной техники, медицины и науки, включающих в себя разработку конструкций ВТСП электромоторов мощностью десятки кВт, токоограничителей, линий электропередач, токовводов и накопителей энергии.

Исследования в области слаботочной сверхпроводимости имеют как фундаментальный, так и прикладной аспект и концентрируются, в основном, в следующих направлениях:

а) пассивные элементы для СВЧ электроники (фильтры, резонаторы, переключатели, ограничители, фазовращатели и т.д.);

б) пассивные приемные устройства (болометры);

в) эффект Джозефсона и активные сверхпроводящие устройства на основе джозефсоновских контактов.

Существенный прорыв в использовании сверхпроводниковых технологий возможен в результате использования сверхпроводниковых усилителей для базовых станций мобильной телефонной связи.