Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения конструкционных наноматериалов для ВТСП проводов 3-го поколения

Докладчик: Кленов Николай Викторович

Должность: доцент, к. ф.-м. н.

Цель проекта:
Разработка физических основ и развитие новых способов получения конструкционных наноматериалов на гибких диэлектрических нитях, обладающих функциональными свойствами, необходимыми для создания высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) проводов третьего поколения, обладающих сверхмалыми потерями при передаче электроэнергии.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научные и научно-технические результаты:
- Физические закономерности формирования многослойных конструкционных наномате-риалов.
- Методика нанесения текстурированных буферных слоев методом импульсного лазерного осаждения на поверхность плоских кристаллических кварцевых подложек.
- Методика нанесения сверхпроводящего слоя на плоские кристаллические кварцевые подложки с буферными слоями.
- Экспериментальные образцы конструкционного наноматериала с ВТСП слоем на плоских кристаллических кварцевых подложках.
- Методика нанесения текстурированных буферных слоев методом импульсного лазерного осаждения на поверхность плоских аморфных кварцевых подложек.
- Методика нанесения сверхпроводящего слоя на плоские аморфные кварцевые подложки с буферными слоями.
- Экспериментальные образцы конструкционного наноматериала с ВТСП слоем на плоских аморфных кварцевых подложках.
- Методика нанесения буферных слоев на поверхность гибких нитевидных аморфных кварцевых подложек.
- Методика нанесения сверхпроводящего слоя на гибкие нитевидные аморфные кварцевые подложки с буферными слоями.
- Экспериментальные образцы конструкционного наноматериала с ВТСП слоем на гибких нитевидных аморфных кварцевых подложках.
- Предложения и рекомендации по использованию результатов ПНИ.
- Проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка технологии получения ВТСП проводов 3-го поколения».

В настоящее время в коллективе, выполняющем данный проект, хорошо отработаны методики получения наноматериала для коротких образцов ВТСП проводов 2-го поколения на текстурированных металлических подложках с площадью порядка 1 квадратного сантиметра и исследованы основные проблемы, связанные с получением коротких образцов ВТСП проводов 3-го поколения на плоских и нитевидных диэлектрических подложках, обладающих кристаллической структурой.
Выполненные работы показали, что изготовление длинномерных кристаллических нитей-подложек, сохраняющих свою фасетированную структуру на длинах, существенно больших 1 см, в обозримые сроки является практически неразрешимой задачей . Переход на длинные
диэлектрические подложки типа кварцевого оптического волокна, производимого километрами и доступного коммерчески, представляется нам более перспективным, однако, требует разработки технологии получения высококачественных ВТСП пленок на аморфных кварцевых нитевидных подложках. Это направление исследований представляется нам более перспективным, поскольку в коллективе уже имеется опыт напыления ВТСП пленок на нетекстурированные (аморфные) подложки.
В рамках настоящего проекта, в общих чертах, предлагается следующий подход. На начальной стадии исследований получить качественные ВТСП пленки на маломерных 10 мм на 10 мм подложках из кристаллического кварца. Как известно, кристаллический кварц является полиморфной модификацией оксида кремния SiO2 с гексагональной решёткой (параметрами элементарной ячейки a = 4.91344(4) Å, c = 5.40524(8) Å) и коэффициентом линейного расширения 1.324*10^(-6) /°C . Наиболее распространенный ВТСП материал – YBCO – кристаллизуется в орторомбической сингонии (параметры элементарной ячейки a=3.8274(5) Å, b=3.8777(6) Å, c=11.688(2) Å) и обладает на порядок большим коэффициентом термического расширения. Поэтому необходим подбор двух или трех буферных слоев, позволяющих снять напряжения, возникающие при охлаждении пленок от температуры кристаллизации до температуры жидкого азота, а также обеспечить эпитаксиальный рост YBCO пленки.
Следующий этап, по нашему мнению, должен заключаться в получении качественного наноматериала на маломерных 10 мм ×10 мм подложках из аморфного кварца (кварцевое стекло), обладающего сверхпроводящими свойствами. Однако, аморфный кварц имеет еще меньшие значения коэффициента термического расширения, чем кристаллический кварц - 5.5×10^(-7)/°C, со всеми вытекающими отсюда проблемами снятия термических напряжений подбором буферных слоев и необходимостью исследований получающихся результатов на каждом шаге. Безусловно, параллельно с данной работой будет проводиться поиск других возможных материалов диэлектрических гибких подложек, способных выдерживать высокие температуры нанесения буферных слоев и ВТСП (порядка 800 °С) и существующих в длинномерном
варианте.
Третий этап будет заключаться в получении конструкционного наноматериала на коротких ( 5 - 10 мм) нитевидных, фактически, одномерных кварцевых или других подложках типа световодных волокон и потребует решения задач фиксации таких образцов подложек, контроля их температуры, контроля кристаллографической структуры как нитей подложек так и напыляемых буферных и сверхпроводящего слоев, измерения электрофизических характеристик полученного материала.

Недавно в литературе появились сообщения о разработке в США ВТСП проводников 3-го поколения, в которых вместо металлической подложки используются фасетированные сапфировые волокна http://www.htspeerreview.com (strategic research section), http://www.rdmag.com (сообщение «RD100-Awards-Rounding-The-Edges-On-Superconductor-Wires»), см. также [1]. Развитие технологии создания ВТСП проводов на гибких сапфировых волокнах-нитях с фасетированной поверхностью объявлено в настоящее время стратегической национальной программой в США в связи с планируемым применением их в целях энергосбережения.
Кроме сапфира, в качестве возможной диэлектрической гибкой подложки в наноматериале для сверхпроводящих проводов может быть использован, например, диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ). Гибкость поликристаллической YSZ подложки в виде тонких листов толщиной 50 мкм хорошо известна [2] и на таких подложках, имеющих длину до 10 см, также были получены качественные пленки MgB2.
В 2011 году коллективом, заявляющим данную тематику была выполнена НИР «Оптимизация режимов лазерного напыления YBCO на специальные подложки с целью развития технологии производства высокотемпературных длинномерных сверхпроводников второго поколения» по проекту Росатома №Н4в. 44.90.10.1104.
В 2013 году нами был выполнен проект Минобрнаукипо подготовке специалистов по выращиванию ВТСП пленок на кристаллических циркониевых и металлических подложках и специалистов по выращиванию сапфировых волокон. В рамках этого проекта был накоплен первоначальный объем знаний в данной области науки и получены первые экспериментальные результаты как по диагностике кристаллической структуры подложек так и по напылению и характеризации напыленных пленок буферных слоев и ВТСП. Результаты работы опубликованы в [3-5], и представлены на международной конференции по прикладной сверхпроводимости [6].
Развитие данной тематики в рамках формируемой программы позволит получить уникальную ситуацию по опережению работ европейских и японских ученых в данном направлении при относительно небольшом запаздывании по сравнению с работами в США.
1. Xu Y., Djeu N., Quian Z., Xu Z., He P., Bhattacharya R. “YBCO films grown of faceted sapphire fiber”, -IEEE Trans. Appl. Supercond. vol. 21, 3281-3284, 2011. IF 1.199.
2. Yang C. S., Moeckly B., “Magnesium Diboride Flexible Flat Cables for Cryogenic Electronics”,- IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 21, pp. 107-110, 2010. IF 1.199.
2. Н.В. Порохов, Э.Е. Левин, М.Л. Чухаркин, Д.Н. Раков, А.Е. Воробьева, А.В. Варлашкин, О.В. Снигирев. “Высокотемпературные сверхпроводящие пленки на гибких подложках для трансформатора магнитного потока”,- Радиотехника и электроника, т. 57, №7, с. 1-9. 2012. IF 0.77. DOI: 10.1134/S1063783413080246
3. Т.П. Криницына, С.В. Сударева, Ю.В. Блинова, Е.И. Кузнецова, Е.П. Романов, М.В. Дегтярев, О.В. Снигирев, Н.В. Порохов, Д.Н. Раков, Ю.Н. Белотелова. “Структурное состояние образцов ВТСП-проводников второго поколения, полученных методом лазерной абляции”, - ФТТ, т. 55, вып. 2, стр. 227-233, 2013. IF 0.77. DOI: 10.1134/S1063783413020170
4. М.Л. Чухаркин, Н.В. Порохов, А.С. Кадабухов, О.В. Снигирев, С.Ю. Русанов, В.В. Кашин, В.Б. Цветков, Д. Винклер.”Высокотемпературные сверхпроводящие пленки на фасетированных монокристаллических нитях”, - Журнал радиоэлектроники, №2, 2013.
5. M. Chukharkin, N. Porokhov, A. Kalabukhov, O. Snigirev, S.Y. Rusanov, V.V. Kashin, V.B. Tsvetkov, and D. Winkler. “YBCO films grown on faceted YSZ single crystal fibers”, -in Proceedings of European Applied Superconductovity Conference, 15 -18 September 2013, Genova, Italy.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты проведенной ПНИ будут использованы для проведения научно-исследовательских, научно-технологических или опытно-конструкторских работ, направленных на создание высокоэффективногопроизводства длинномерных сверхпроводящих проводников 3 поколения для устройств широкого круганазначения для применения в электроэнергетике и электротехнике в качестве трансформаторов, генераторов, электродвигателей, ограничителей тока и др.
Результаты проведенных ПНИ предназначены для использования научными и промышленнымипредприятиями, создающими в настоящее время высокоэффективные сверхпроводящие материалы 2-го поколения и изделия из них.
К работе будут привлечены молодые исследователи-кандидаты наук, а также аспиранты и студенты, что позволит использовать имеющуюся приборную и научную базу в образовательном процессе для подготовки кадров.
На следующем этапе исследований будет начаты работы по переносу разработанной технологии на длинномерные образцы. Наиболее подходящим местом для этого является НИЦ «Курчатовский институт» с которым у исполнителей проекта установлены устойчивые научные связи, и в котором имеется установка для создания предпромышленной технологии производства ВТСП проводов с длиной до 100 метров.
При оптимистическом сценарии развития проекта после получения отрезков нитей с длинами порядка 100 метров процесс будет перенесен во Всероссийский научно-исследовательский институт кабельной промышленности (ВНИИКП) для создания пилотного образца кабеля и исследования его свойств.
Как показывает анализ современной ситуации рынка ВТСП проводов, его максимальным и быстроразвивающимся фрагментом является производство генераторов для ветряных электростанций. Здесь использование сверхпроводящих ВТСП обмоток в роторах генераторов позволяет в 3 -5 раз уменьшить диаметр ротора при той же мощности генератора, тем самым существенно сократить металлозатраты и размеры конструкции. По оценкам, для этого рынка на ближайшие годы необходимо около 80 тысяч километров ВТСП проводов (см., например: http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/14821.pdf).

Текущие результаты проекта:
1. Выполнен аналитический обзор, содержащий 55 ссылок на современную научно-техническую, нормативную, методическую литературы по созданию конструкционных наноматериалов для ВТСП проводов.
2. Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96: проанализировано более 500 источников информации и не выявлено сведений о наличии завершенных исследований и конструктивных реализаций, которые могли бы быть составить основу для технологии получения конструкционных наноматериалов для ВТСП проводов 3-го поколения.
3. Обоснованно выбраны направления исследований, методов и средств проведения исследований физических основ создания конструкционных наноматериалов для ВТСП проводов 3-го поколения.
4. Разработаны физические основы способов получения конструкционных наноматериалов на основе тонкопленочных оксидных буферных слоев и оксидного сверхпроводящего слоя на гибкой диэлектрической нитевидной подложке, обладающих требуемыми для изготовления ВТСП проводов 3-го поколения значениями плотности критического тока (не менее 1,5*10^(4) ампер на квадратный сантиметр).
5. Проведено теоретическое исследование электрофизических характеристик одномерных сверхпроводящих пленок на многослойных буферных структурах на основе модели цепочки туннельных джозефсоновских переходов.
6. Исследованы физические закономерности формирования многослойных конструкционных наноматериалов, в том числе и включающих буферные слои из диоксида церия и диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.
7. Разработана методика исследования электрофизических характеристик (характеризации) экспериментальных образцов многослойных конструкционных наноматериалов с ВТСП слоями для ВТСП проводников 3-го поколения.
8. Разработана методика нанесения текстурированных буферных слоев методом импульсного лазерного осаждения на поверхность плоских кристаллических кварцевых подложек.
9. Разработана методика нанесения сверхпроводящего слоя на плоские кристаллические кварцевые подложки с буферными слоями.
10. Изготовлены и характеризованы экспериментальных образцов конструкционного наноматериала с ВТСП слоем на плоских кристаллических кварцевых подложках с температурой перехода в сверхпроводящее состояние (ТС) не менее 40 К и шириной температурного перехода в сверхпроводящее состояние не более 5 К.
За счет внебюджетных источников (в том числе за счет средств Индустриального партнера):
11. Проведены маркетинговые исследования.
12. Ведущие исполнители проекта приняли участие в международных семинарах, направленных на освещение и популяризацию результатов ПНИ.
13. Выполнена характеризация ориентации и качества кристаллических и аморфных плоских кварцевых подложек; в ходе рентгенофазового анализа кристаллических плоских кварцевых подложек было установлено наличие следующих высокоориентированных кристаллических фаз: YBa2Cu3O7-x (YBCO), YBa2Cu5O8, CeO2, кубической фазы YSZ, SiO2, Au.