新策略助力REBCO带材场载流力大幅提升，促进强磁场应用技术革新！
新策略助力REBCO带材场载流力大幅提升，促进强磁场应用技术革新！
随着超导技术的发展， REBa2Cu3O7-δ（REBCO）超导带材因其高临界温度和强场载流能力，成为制造高场磁体的理想选择。然而，如何解决强磁场环境下其载流能力急剧下降的问题一直是本领域的重大挑战。为此，本研究团队提出了“原位”多相掺杂和“非原位”预应力热处理方法，不仅提升了带材的磁通钉扎能力和载流能力，还保持了生产效率，适合大规模工业生产。
图1 REBCO带材的原位和非原位方法及其应用
（A）典型的REBCO带材结构和REBCO晶体结构。
（B）两种方法的细节：（a）原位生长过程；（b）通过原位生长得到REBCO层的微观结构示意图；（c）非原位处理方法；（d）通过非原位处理REBCO层的微观结构示意图；（e）相关缺陷和非相关缺陷的涡旋钉扎示意图；（f）通过两种方法得到的超导层的横截面微观结构对比；（g）缺陷工程前后带材的Jc-B曲线。
（C）性能优越的REBCO带材的典型应用。
REBa2Cu3O7-δ（REBCO）超导带材，如图1A所示，具有高临界温度和出色的电学性能，在高场磁体、核聚变反应堆和超导电机等领域具有广泛的应用前景。然而，此材料的载流能力随着磁场增加急剧下降，如图1B（g）中的红色曲线所示。研究表明，带材内部的磁通运动是导致这一现象的根本原因，因此，如何有效钉扎磁通成为提升超导带材性能的关键。尽管现有引入人工缺陷的方法在实验室中取得了良好效果，但极低的生产效率限制了其在工业领域的应用。
为同时实现带材性能提升和高效生产，研究团队提出了 “原位”多相掺杂技术和“非原位”预应力热处理技术，为REBCO带材的产业化应用提供了新的思路。
“原位”多相掺杂技术
团队开发了一种新型原位掺杂方法(ZL202011120751.9)，如图1B（a）所示。该方法通过将REBCO与特定比例的钙钛矿（BaMO3）和双钙钛矿（Ba2(RE)NO6）混合制成多相靶材，再利用卷对卷脉冲激光沉积技术，成功实现了具有高密度柱状第二相（图1B（g））的REBCO超导层（图1B（b））。结果表明，这种纳米复合结构作为有效的相关钉扎中心（图1B（e）），在磁场下可有效钉扎磁通，显著提升载流能力，提升幅度可达40%（图1B（g））。
“非原位”外部应力热处理技术
团队提出了一种新型预应力热处理方法(ZL201811578088.X和US11600408B2)，如图 1B（c）所示。该技术通过在高温条件下施加应力，诱导带材内部的晶体结构发生变化，形成更多的位错、层错和空位（图1B（f））等纳米尺度缺陷，从而作为非相关钉扎中心（图1B（e））增强强场钉扎效应。这一处理方式特别适用于大规模生产，相比原始带材，经热处理后的带材载流能力提升了10%至20%，尤其在9 T以上的磁场中，带材载流能力提升显著，如图1B（g）所示。
总结与展望
“原位”多相掺杂和“非原位”外部应力热处理技术同时实现REBCO带材在高场下的高性能和可规模化生产能力有望在磁悬浮列车、核聚变反应堆、粒子加速器和高性能电机等领域得到广泛应用，如图1C所示。
本文内容来自The Innovation Materials 第2卷第4期发表的TRANSLATIONAL PATENT文章“Highly effective methods for enhancement of in-field current-carrying capacity of REBCO tapes” (投稿: 2024-04-11；接收: 2024-09-19；在线刊出: 2024-09-29)。
DOI：10.59717/j.xinn-mater.2024.100093
引用格式：Wu Y., Chu J.,and Zhao Y.,et al. (2024). Highly effective methods for enhancement of in-field current-carrying capacity of REBCO tapes.The InnovationMaterials2:100093.