Утверждаю зам директора ниияф мгу профессор

Скачать 0.53 Mb.

Название	Утверждаю зам директора ниияф мгу профессор
страница	1/8
Дата публикации	06.01.2015
Размер	0.53 Mb.
Тип	Анализ

100-bal.ru > Физика > Анализ

1 2 3 4 5 6 7 8

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М.В.Ломоносова
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Д.В.Скобельцына

УТВЕРЖДАЮ

Зам.директора НИИЯФ МГУ

профессор
Архивный номер 2007/2-2
В.В.Радченко

июня 2007г.

отчет № 01-242/07

О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ
“ Разработка метода лазерного напыления YBCO на специальные подложки малой площади с целью выработки рекомендаций для развития технологии производства высокотемпературных длинномерных сверхпроводников 2-го поколения”
по теме:

Анализ литературных данных с целью определения требований к процессу эпитаксиального нанесения Y-Ba-Cu-O слоя на подложки из никелевой ленты методом лазерного напыления.

ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ

ПЕРВЫЙ ЭТАП НИР

ДОГОВОР № 242/07 от 26 апреля 2007

на выполнение научно-исследовательской работы
Руководитель НИР,
доктор.физ.-мат. наук, г.н.с. М.Ю.Куприянов

Москва 2007

Список исполнителей

Руководитель работ – главный научный сотрудник НИИЯФ МГУ, профессор, д.ф.-м.н.	М.Ю.Куприянов	Реферат, введение, заключение, разделы 1.1, 1.3, 1.4
ГНС, МГУ, профессор, д.ф.-м.н.	О.В.Снигирев	Разделы 2,3,4
МНС, МГУ	М.Л.Чухаркин	Разделы 2,3,4

РЕФЕРАТ

Отчет: 40 с., 1 кн., 4 табл., 25 рис., 7 источников.
Анализ литературных данных с целью определения требований к процессу эпитаксиального нанесения Y-Ba-Cu-O слоя на подложки из никелевой ленты методом лазерного напыления..

Работы проведены в соответствии с планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Министерства атомной промышленности РФ в рамках входящих в ТАКТИЧЕСКУЮ ЗАДАЧУ 4 «Развитие научного и инновационного потенциала в области использования атомной энергии, атомной энергетики и промышленности, топливного цикла», ПРОГРАММ 4.1. АПВ и 4.2. АПВ «Развитие фундаментальных проблемно-ориентированных исследований в области использования атомной энергии» и «Научно-исследовательские и технологические работы в обеспечение создания реакторов нового поколения, перспективных технологий ЯТЦ и материалов атомной энергетике» соответственно.

На данном этапе работы проведены по следующим направлениям:

анализ данных по лазерному напылению ВТСП на металлические подложки малой площади;
определение состава и основных технических требований к оборудованию экспериментального стенда для напыления ВТСП на неподвижные металлические подложки малой площади;
разработка оптической схемы формирования и транспортировки лазерного излучения на мишень в установке для напыления ВТСП на неподвижные металлические подложки малой площади;
определение основных требований к мишеням для процессов напыления ВТСП на неподвижные металлические подложки малой площади.

СОДЕРЖАНИЕ

ЧАСТЬ I. Анализ литературных данных с целью определения требований к процессу эпитаксиального нанесения Y-Ba-Cu-O слоя на подложки из никелевой ленты методом лазерного напыления.

Анализ данных по лазерному напылению ВТСП на металлические подложки малой площади. Механические свойства подложек из никеля и его сплавов, применяемых для лазерного напыления ВТСП проводов второго поколения. Влияние параметров отжига на степень текстурированности подложек. Окисление поверхности подложек. Технология лазерного напыления ВТСП проводов второго поколения в IFW Dresden, Department of Physics, Dresden University of Technology, и Institute for Physics of Solids, Dresden, Germany. Подложки. Процесс нанесения слоев. Исследование структуры слоев. Исследование сверхпроводящих параметров. Технология лазерного напыления ВТСП проводов второго поколения в National Renewable Energy Laboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401, USA[48-53]. Установка для лазерного напыления ВТСП проводов второго поколения. Электрообработка. Нанесение буферных слоев. Технология лазерного напыления ВТСП проводов второго поколения в Department of Metallurgy and Materials, The University of Birmingham, Birmingham B15 2TT, UK и Coated Conductors Cylinders Ltd, Malvern Science Park, Worcester WR14 3SZ, UK [54-57]. Установка для нанесения пленок. Нанесение буферных и сверхпроводниковых слоев. Структурные и сверхпроводящие характеристики слоев.	6 9 16 18 19 19 19 19 21 23 23 23 23 25 25 25 26
Состав и основные технические требования к оборудованию экспериментального стенда для напыления ВТСП на неподвижные металлические подложки малой площади	32
3. Оптическая схема формирования и транспортировки лазерного излучения на мишень в установке для напыления ВТСП на неподвижные металлические подложки малой площади.	35
Требования к мишеням для процессов напыления ВТСП на неподвижные металлические подложки малой площади.	37
5. Подложки для ВТСП проводов	38

_{СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 40}

ЧАСТЬ I.

Анализ литературных данных с целью определения требований к процессу эпитаксиального нанесения Y-Ba-Cu-O слоя на подложки из никелевой ленты методом лазерного напыления.

Сверхпроводящие ВТСП провода второго поколения весьма привлекательны для целого ряда коммерческих приложений. К ним относятся проекты по разработке передачи электроэнергии по кабельным сетям, разработке провода для электромагнитов и различного рода моторов, а также других применений, в которых использование ВТСП материалов приводит к уменьшению веса, габаритов, шумов и поглощаемой мощности по сравнению с аналогичными параметрами своих несверхпроводящих аналогов.

В настоящее время ВТСП провода второго поколения разрабатываются в целом ряде научно-исследовательских центров. На рис 1. сведены данные, отражающие современное состояние разработок в данном направлении, адаптированные с http://www.lanl.gov/orgs/mpa/stc/docs/Ic_Length%20Feb%202007.pdf.

В настоящее время ВТСП провода 2-го поколения (2G) постепенно превратились из объекта для отработки ВТСП технологии в коммерческий продукт. К январю 2007 г. целый ряд компаний уже перешел (либо перейдет в ближайшие месяцы) от отработки технологии в лабораторных условиях к опытному производству 2G ВТСП. Полупромышленные установки способные производить за сутки, от 800 до 1200 метров ВТСП ленты шириной 4,4 мм уже существуют в American Superconductor (далее AMSC, http://www.amsuper.com/) и SuperPower (http://www.igc.com/SuperPower/About%20Us.aspx).

В Европе компания EHTS производит заметные объемы ВТСП ленты в лабораторных условиях. Для европейского кабельного проекта Super 3C эта компания изготовила 4 км ВТСП ленты, что соизмеримо с объемом производства AMSC. Лидирующие позиции в Японии занимает компания Fujikura. Информация о производственных возможностях крупнейших компаний и свойствах их ВТСП лент отображена в таблице.

Видно, что рекордно высокие величины критических токов получены независимо друг от друга разными компаниями за счет принципиально различных технологических приемов. В кусках короче 10 м удается достичь критических токов порядка 400 А/см. В кусках длинной 100 м критические токи пока находятся на уровне 250 А/см. На сегодняшний день ленту с критическим током 250 А/см и выше в кусках по 100 м способны производить все отображенные в таблице компании.

Среди всех производителей ВТСП проводов 2-го поколения стоит выделить компании AMSC и Super-Power. Разработанный AMSC специально для токоограничителей ламинированный проводник 344S не имеет аналогов, покрытие из нержавеющей фольги надежно защищает ВТСП слой от механических воздействий и влаги. В 2006 г. SuperPower успешно перешла на подложки толщиной 50 мкм вместо обычных 100 мкм, что позволяет в 1,5 раза поднять конструктивную плотность тока в обмотках и в 2 раза сократить расход ВТСП ленты в токоограничителях. Компания SuperPower до сих пор остается единственным производителем длинномерных (500 м и более) ВТСП проводов 2-го поколения.

На январь 2007 г. цены на ВТСП провода 2-го поколения составляют от 600 до 1200 долл. за кА·м в зависимости от исполнения ленты, производителя и объема поставки.

Рис.1. Статус работ по ВТСП 2-го поколения в мире на февраль 2007 года. На рисунке использованы следующие принятые сокращения:

Способ осаждения ВТСП

IBAD – Ion Beam Assisted Deposition (осаждение с помощью ионных пучков)

MOCVD - Metal-Оrganic Chemical Vapor Deposition (осаждение металлорганических соединений из газообразной фазы)

PLD – Pulsed Laser Deposition (импульсное лазерное осаждение)

MOD - Metal-Оrganic Deposition (осаждение металлорганических соединений)

RABITS - Rolling-Assisted Biaxially Textured Substrates (биаксиальное текстурирование подложки с помощью прокатки)

Evap – evaporation (испарение осаждаемого материала)

COEVAP BaF – coevaporation BaF (совместное испарение нескольких материалов)

ISD - Inclined substrate deposition (осаждение на подложку, расположенную под углом к направлению осаждения)

Научные организации:

SuperPower - Intermagnetics General Corp Super-Power Inc USA

LANL - Los Alamos National Lab USA

ZFW-Goe/EHTS - Zentrum Funktionswerkstoffe ZFW GmbH; EHTS - European High Temperature Superconductors GERMANY

Fujikura - Fujikura Ltd JAPAN

Chubu - Chubu Electric Power Co Inc JAPAN

SRL-ISTEC - SRL - Superconductivity Research Lab - ISTEC - International Superconductivity Technology Center JAPAN

AMSC - American Superconductor Corporation USA

ORNL - Oak Ridge National Lab USA

BNL - Lawrence Berkeley National Lab LBNL USA

Sumitomo - Sumitomo Electric Industries Ltd JAPAN

Edison-EMS – Edison Emergency Medical Services USA

Korea

Theva - THEVA Dunnschichttechnik GmbH GERMANY
Таблица 1.

Информация о производственных возможностях крупнейших инлостранных компаний (по материалам http://www.energetics.com/wire07/agenda.html, http://www.amsuper.com/, http://www.igc.com/SuperPower/About%20Us.aspx, http://www.bruker-ehts.com/, см. также Бюллетень «Сверхпроводники в энергетике 2007, Tом 4, выпуск 1, http://perst.isssph.kiae.ru/supercond/bulletein.php?menu=bull_subj&id=98&subject_id=1).

Подложки	AmSC Сплав Ni-5%W	SuperPower Hastelloy	EHTS Нержавеющая сталь	Fujikura Hastenalloy
Технология буферного слоя	RABiTS	IBAD	IBAD	IBAD
Технология ВТСП слоя	MOD	MOCVD	PLD	PLD
Производительность установки за одну загрузку (в пересчете на ленту шириной 4,4 мм)	100 м х 40 мм (600 м ленты 4,4 мм)	600 м х 12,7 мм (1200 м ленты 4,4 мм)	100 м х 4,4 мм.	Нет данных
Критический ток при 77 К в пересчете на ленту шириной 1 см
Короткие образцы	500 А	721 А	574 А	735 А
Короткие куски (1-10 м)	390 А	485 А	480 А	409 А
Длинные куски (70-100 м)	265 А	295 А	253 А	245 А
Длинные куски (600 м)	Нет данных	173 А	Нет данных	Нет данных
Произведено ленты за 2006 год (в пересчете на ленту шириной 4,4 мм.	6,8 км	Более 45 км	Более 4 км	Нет данных

ВТСП провода 2-го поколения представляют собой «бутерброд», в котором на достаточно толстую (от 50 до 120 мкм) подложку нанесена тонкая (менее 3 мкм) пленка ВТСП на основе YBCO. Плотность тока в таких проводах можно поднять, как за счет улучшения свойств ВТСП пленок, так и путем простого увеличения их толщины. Уменьшение толщины подложки также чрезвычайно важно, как для увеличения конструктивной плотности тока в обмотках, так и для достижения высокого удельного сопротивления при минимуме расхода проводника в токоограничителях.
Технология изготовления ВТСП покрытий второго поколения для сильноточных применений сложна и включает много этапов.

Первый этап включает в себя изготовление металлической ленты и подготовку ее поверхности для последующего нанесения буферных слоев, толстой (1-2 мкм) пленки из ВТСП материала (обычно YBCO) и защитного покрытия.

В настоящее время в качестве основы для изготовления ВТСП провода используются два типа ленты носителя:

исходный носитель не обладает собственной текстурой, пригодной для осаждения YBCO пленки (подложки типа Hastelloy);

исходный носитель – текстурированная лента RABITS (аббревиатура англ.- Rolling Assisted Biaxial Textured Substrate). Принципиальное отличие этого носителя состоит в наличии биаксиальной (кубической) текстуры, образующейся в металлах при сильной деформации (96-99%), возникающей в процессе прокатки и последующей рекристаллизации при отжиге.

Ниже мы будем, в основном, анализировать данные в технологии RABITS.

Получившаяся лента подвергается процессу электрополировки с целью уменьшения степени шероховатости ее поверхности до 3 нм.

На третьем этапе на поверхность ленты наносится буферный слой, обеспечивающий необходимую для последующего нанесения ВТСП материала степень текстуры. В технологии RABITS такая структура уже имеется в исходной ленте. Задача буфера состоит в обострении текстуры от зародышевого к ВТСП слою с целью обеспечения согласования типа и размера кристаллической решетки зародышевого и YBCO слоев, а также в защите ВТСП материала от диффузии в него материала ленты.

На конечном этапе изделие покрывается защитным слоем Ag толщиной порядка нескольких десятков микрон.

Ниже мы остановимся подробнее на механических свойствах исходных металлических лент и обсудим подробнее технические параметры и процессы, использующиеся в различных научных центрах для производства ВТСП проводов второго поколения.