Ленты в металлической оболочке.

Практически все рассмотренные выше ВТСП материалы являются композитами, в состав которых помимо сверхпроводящей матрицы входят несверхпроводящие фазы, определяющие специфические свойства и область применения конкретного композита. Так, высокодисперсные порошки, получаемые методами химической гомогенизации, обычно представляют собой смесь различных фаз и легирующих добавок, позволяющих использовать такой полупродукт в последующих стадиях получения материала. Очевидно, что пара "пленка-подложка" демонстрирует нерасторжимый симбиоз, и не имеет смысла рассматривать каждую из частей в отдельности из-за их сильного взаимного влияния друг на друга. Крупнокристаллическая керамика также представляет собой композит, содержащий вторичные фазы в качестве включений в сверхпроводящую матрицу. Как уже отмечалось, неоднофазность такого материала - не только следствие специфического механизма кристаллизации перитектического расплава, но и специально создаваемая структура, необходимая для улучшения электрофизических и механических свойств керамики.

Одним из наиболее типичных примеров промышленных сверхпроводящих композитов являются ВТСП-ленты в серебряной оболочке. Каждая такая лента состоит из сверхпроводящего стержня, окруженного металлической оболочкой. Для предотвращения терморезистивной неустойчивости лент стремятся создавать многожильные провода, в которых исчезновение сверхпроводимости из-за локального перегрева выше температуры перехода в сверхпроводящее состояние вызовет обтекание резистивного участка по соседним сверхпроводящим жилам.

В качестве материала сверхпроводящей жилы обычно используют висмут- или, реже, таллий-содержащие ВТСП, которые в значительно большей мере пластичней и гораздо легче образуют высокоориентированную микроструктуру, чем материалы на основе R 123-фаз. Кроме того, достаточно низкая температура плавления висмут-содержащих ВТСП позволяет использовать больший набор металлов и сплавов для создания внешней оболочки.

Один из наиболее распространенных материалов внешней оболочки – серебро, которое пластично, имеет высокую электро- и теплопроводность, относительно дешево, не вызывает понижения температуры перехода ВТСП в сверхпроводящее состояние и служит своеобразной мембраной, осушествляющей обмен кислородом между сверхпроводником внутри ленты и газовой атмосферой вне ее. В отношении массобмена оксидами висмута, кальция, стронция и меди система является закрытой. Дополнительно установлено, что стенки серебряной ленты могут способствовать зародышееобразованию и ориентированному росту зерен ВТСП на прилегающих к оболочке участках, чему также способствует планарная ("плоские" ленты) или псевдоодномерная (многожильные провода) геометрия. Для улучшения прочностных характеристик оболочки часто используют эффект дисперсионного упрочнения, например, за счет образования микрокристаллов MgO в матрице серебра в процессе окисления сплавов типа серебро-магний кислородом воздуха.

Основное требование к СП лентам в серебряной оболочке – высокая токонесущая способность. Для достижения этого необходимо, в первую очередь, добиться совершенной взаимной ориентации высокоанизотропных кристаллитов сверхпроводника, отсутствия слабых связей между ними, а также предотвратить негативное влияние вторичных фаз и газовыделение при перитектическом плавлении или просто при высокотемпературном отжиге, способных вызвать неоднородное протекание тока по сечению ленты, локально нарушить оптимальную ориентацию зерен ВТСП, и даже перекрыть устье жилы, типичный размер которого очень невелик – от 1 до 30 микрон.

Kazin P.E. et al., фаза Bi2212, высокодисперсные частицы MgO в композитном материале

Оптимальную микроструктуру обычно получают путем вариации состава, внешней газовой атмосферы, термического режима отжига, что требует детального знания фазовых диаграмм. Для достижения высоких транспортных характеристик в ВТСП-лентах целесообразно также использовать:
-методы химической гомогенизации при получении высокодисперсных, химически и гранулометрически однородных, свободных от углерода порошков для заполнения серебряных трубок, подвергающихся в дальнейшем пластической деформации,
-выбор способа создания композиционного материала (порошок-в-трубе, труба-в-трубе, стержень-в-трубе и т.д.),
-(термо)механическую обработку (многократную протяжку и прокатку), изменяющую длину серебряной трубки с порошком в несколько десятков раз и приводящую к существенному увеличению плотности сверхпроводящей жилы внутри ленты и вынужденной ориентации зерен ВТСП вдоль оси деформации,
-низкотемпературный вакуумный отжиг, оптимизирующий содержание кислорода внутри ленты и предотвращающий ее "пузырение".

Таким образом, в настоящее время существуют реальные технологии, позволяющие воспроизводимо получать ленты с микроструктурой, близкой к требуемой. Вместе с тем, по-прежнему остается нерешенной принципиальная проблема, связанная с резким уменьшением критических токов висмутовых ВТСП с повышением температуры или напряженности внешнего магнитного поля по сравнению с другими типами ВТСП (и, в первую очередь, R123-фазами). Это приводит к понижению температуры эксплуатации висмут-содержащих лент до температуры кипения жидкого водорода (20К), хотя Т_с(90-110К) лежит выше точки кипения дешевого хладогента - жидкого азота (77К), эффективно используемого для работы с другими типами ВТСП.

Наиболее перспективный путь улучшения плотности критического тока висмутовых ВТСП-материалов связан с созданием композитов с однородно распределенными микровключениями несверхпроводящих фаз, полученных из собственных компонентов системы или при введении совместимых с ВТСП чужеродных фаз. Наиболее заметный положительный эффект обнаруживается при использовании цирконатов и станнатов, хотя существует достаточно большой набор фаз, которые могут быть совместимы с ВТСП-матрицей, то есть не приводить к значительному ухудшению ее температуры перехода в сверхпроводящее состояние и не подавлять динамику образования из реагентов или перитектического расплава. Физические измерения при этом действительно свидетельствуют о некотором улучшениии стабильности сверхпроводящих характеристик. Очевидно, что это перспективное направление исследований будет продуктивно развиваться и в дальнейшем.

Общий вид промыщленного образца ленты, ГНЦ РФ ВНИИНМ им. акад. А.А.Бочвара (Москва)

ВТСП- кабель, PirelliCables & Systems North America