מוליכי העל של טמפרטורות גבוהות (HTS) הם חומרים שיכולים לנהל חשמל נוכחי ישיר (DC) עם אפס התנגדות חשמלית בטמפרטורות באופן משמעותי מעל נקודת הרתיחה של חנקן נוזלי (77 K, או 196 ° C) הנכס הזה קובע אותם בנפרד ממהנדסים רגילים בעלי טמפרטורה נמוכה (LTS), הדורשים קירור נוזלי יקר לפעול.

יסודות של התעלות גבוהה של טמפרטורות גבוהות

מוליכות התגלה לראשונה בשנת 1911 על ידי Heike Kamerlingh Onnes בכספית קריר ל 4.2 K. במשך עשרות שנים, הטמפרטורה הביקורתית הגבוהה ביותר (Tc) נותרה מתחת ל-30 K, הגבלת השימוש המעשי ליישומים מיוחדים, בעלות גבוהה.ששינה דרמטית ב-1986 עם גילוי של מוליכים סופר על ידי גיאורג Bednorz ו-K. אלכס מילר, שמצאו תרכובת lant בגודל של 35 חודשים של קינטרול גבוה עם Kütro C.

המנגנון הבסיסי של גביעים אינו מוסבר במלואו על ידי ברדין-קופר-ס'ריפר (BCS) התיאוריה, המתארת מוליכות על חומרים בעלי-טמפרטורה נמוכה.בפלות, אלקטרונים זוג באמצעות אינטראקציות אלקטרוניות חזקות המסווגות על ידי חומרים אנטיפרומגנטיים ספינים במטוסים נחושת.

פרמטרים קריטיים לבחירה חומרית

כאשר בוחנים כל סופר-מוליכים, שלושה תכונות איטרנסיביות מגדירות את המעטפה הביצועית שלה: טמפרטורה קריטית (Tc), שדה מגנטי קריטי (Hc2), ואת הצפיפות הנוכחית הקריטית (Jc) מעבר לשיקולים המעשיים כגון יושרה מכנית, יציבות כימית ועלויות ייצור להשפיע על יכולת חיים אמיתית בעולם.

טמפרטורה קריטית (Tc)

Tc הוא הטמפרטורה הגבוהה ביותר שבה החומר מציג אפס התנגדות DC. עבור HTS, Tc מעל 77 K הוא רצוי כי חנקן נוזלי הוא זול, Cryogen בשפע ערכים Tc גבוה לפשט דרישות קירור, להפחית מורכבות מערכת, ועלויות תפעוליות נמוכות יותר. עם זאת, Tc לבד לא מבטיח תועלת; חומר עם צפיפות גבוהה מאוד, אבל צפיפות נוכחית גרועה או גלימה עלול להיות בלתי מתאים עבור יישומים כמו כבלים.

שדה מגנטי קריטי (Hc2)

מוליכות היא מושמדת כאשר השדה המגנטי החל עולה על גבול ספציפי בחומר.בסוג-II superconductors - הכולל את כל HTS המעשיים - ישנם שני שדות קריטיים: Hc1 (נמוך אשר נוזל מגנטי הוא גורשו לחלוטין) ו- Hc2 (מעל אשר החומר חוזר למצב התנגדות תקין).

הכחדת ההווה (Jc)

Jc הוא צפיפות נוכחית מקסימלית superconductor יכול לשאת ללא התנגדות. in HTS, Jc תלוי טמפרטורה ושדה מגנטי. at 77 K ו- self-field, מוליכים מצופים יכולים להשיג Jc > 3 MA / ס"מ2. עם זאת, Jc degrads בנוכחות שדות מגנטיים אלא אם החומר מכיל מרכזי סיכה מלאכותיים חזקים - פגמים חד-לא-ממדיים כי ממגנטים מגנטיים למהנדסים מתקדמים.

תכונות מכניות ו-Thermal Properties

קרמיקה HTS הם לשמצה שברירית. לשימוש מעשי, הם לעתים קרובות מוטבעים במככים מתכתיים (למשל, כסף או ניקל-טונגסטן) לספק תמיכה מכנית וסובלנות זנים.המקדם של התרחבות תרמית חייב להתאים את המצע כדי להימנע מדיכאון במהלך קירור-האטה. בנוסף, החומר חייב לעמוד על אופניים תרמיים ללא סדק.

עמידות כימית וסביבתית

רבים סופר-מוליכים סופר מתרעמים מגיבים עם לחות ופחמן דו-חמצני, מה שמפחית את התכונות הטפלות שלהם לאורך זמן. ציפויים מוגנים או capsulation נדרשים לעתים קרובות.בחירה חומרית חייבת לקחת בחשבון את הסביבה התפעולית - לדוגמה, כבל חשמל קבור מתחת לאדמה עלול לעמוד בפני לחות וטמפרטורות קיצוניות יותר מאשר מגנט במעבדה.

אחריות ועלויות

אפילו החומר הטוב ביותר של HTS הוא חסר תועלת אם זה לא יכול להיות מיוצר מבחינה כלכלית בקנה מידה.הקל של הקמת חוטים ארוכים או קלטות, התשואה של תהליך ההבראה, ואת העלות של חומרי גלם (למשל, כסף ב BSCCO) הם קריטיים.דור שני HTS (מוליכים ממונעים המבוססים על YBCO) הפכו להיות מעשי הודות למתקדמים דיפרזה, אך יקר, לעומת טכניקות נחושת או סטנדרטיות.

משפחות גדולות של חומרים סופר-מוליכים מתח גבוה

כמה משפחות של חומרי HTS התגלו, כל אחת עם יתרונות ומגבלות נפרדים.המבוגרים והשימוש בהם הם ספלים, אבל מוליכי העל המבוססים על ברזל ומערכות אחרות צוברות תשומת לב ליישומים נישה.

Ytrium Barium Copper Oxide (YBCO)

YBCO (YBa2Cu3O7 ⁇ ) יש Tc של כ-92 K, מה שהופך אותו הידוע ביותר ולמד נרחב HTS. זה קריסטלים במבנה perovskite עם מטוסים נחושת-oxygen האחראים על מוליכות העל. YBCO הוא הבסיס של הדור השני (2G) חוטי HTS, הנקרא גם מוליכים מצופים.

קלטות YBCO להשיג גבוה מאוד Jc (עד 10 MA / ס"מ ב 77 K, שדה עצמי) ולשמור על נטיות נוכחיות משמעותיות בתחומים מעל 30 T בטמפרטורות נמוכות יותר (למשל, 4.2 K) מרכזי סיכה מלאכותיים - כגון barium zirconate ננוrods או ytrium oxideparticles - מוצגים להגביר את הביצועים YB הוא עבור מגבלות גבוהות של חומרים, ו-הווה, עבור מגנטים רבים, חומרים הנוכחי.

אתגרים מרכזיים: YBCO רגיש לחמצן סטויצ'ימטריה, גבולות דגנים (גבולות דגנים סבך גבוה להפחית באופן חמור את Jc), ומאמץ מכני. ייצור מנצח קוונד דורש תהליכים מתוחכמות, המבוססים על ואקום, אשר שומרים על עלויות גבוהות.

ביסמוט סטרנטיום Calcium Copper Oxide (BSCCO)

BSCCO קיים בשני שלבים עיקריים: B-2212 (Tc ⁇ 85 K) ו-B-2223 (Tc ⁇ 108 K) האחרון יש את ה-Tc הגבוה ביותר בין חוטי HTS הזמינים מסחרית. BSCCO היה החומר הראשון HTS להיות מיוצר באורךים ארוכים כמו מנצחי טייפ בצורת קלטת, הידוע בשם הדור הראשון (1G) חוטים אלה מיוצרים באמצעות כבל, לתוך כבל, והוא לתוך בצורת מתכת, לתוך בצורת מתכת, לתוך בצורת מתכת, לתוך בצורת מתכת, לתוך בצורת מתכת, לתוך בצורת מתכת, לתוך בצורת מתכת, לתוך כבל, הוא ארוז לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, הוא ארוז לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל, לתוך כבל לתוך כבל מצופה לתוך כבל מצופה לתוך כבל מוליכים לתוך כבל מצופה לתוך כבל מצופה לתוך כבל מצופה לתוך כבל מצופה לתוך כבל, לתוך כבל מצופה לתוך כבל מצופה לתוך כבל, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000,

B-2223 Tapes מציעים Jc טוב ב 77 K (כ 1 MA / ס"מ2) והם בשימוש נרחב בכבלי כוח ההפגנה, מהפךים ומנועים. B-2212, בעוד שיש להם Tc נמוך יותר, הוא גמיש יותר, ניתן למרקם כמו חוטים עגולים, פתח את הדלת עבור כבלים מטופחים מפרופילים המפחיתים את הפסדי ה-AC.

אתגרים: BSCCO דורש חלקיק גדול של כסף (עד 40% על ידי סעיף צלב) עבור תמיכה מכנית ושיתוף נוכחי, מה שהופך את החוט יקר.ה Jc טיפות במהירות בתחומים מגנטיים בינוניים ב 77 K, הגבלת השימוש שלו במגנטים שדה גבוה אלא אם כן קריר מתחת 30 K. Grain גבולות פחות בעייתי מאשר YBSCCO כי יש גרגר דומה יותר כי יש מבנה גרגר כי טוב יותר כי תחת התאמות מכנית תחת מעוותת.

Thallium - מבוסס Cuprates

תרכובות HTS מבוססות Thallium, כגון Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (Tc ⁇ 125 K) ו-Tl-1223 (Tc ⁇ 120 K), יש בין הטמפרטורות הקריטיות הידועות ביותר בלחץ הסביבה.הם התגלו זמן קצר לאחר ה-packates הראשון ומושך את הריבית עבור ה-Jc העליון שלהם בהשוואה ל- BSCCO עם זאת, את הקיצוניות של השימוש ב-Cremeleicium, יש השפעה מסוכנת יותר, עכשיו, יש צורך ב-Climatesquaremelemelemelemelemeronicial של טיפול יעיל יותר ויותר.

מרקיורי - מבוסס Cuprates

מרקורי בריום סידן נחושת תחמוצת (HgBa2Ca2Cu3O8+ ⁇ ) מחזיקה את השיא עבור ה-Tc הגבוה ביותר תחת לחץ מרתיע - כ-135 K - ואפילו גבוה יותר תחת לחץ.כמו thallium, כספית היא רעילה מאוד, והחומר קשה לסנתז בצורה טהורה.

ארכיון תגיות: Iron Based Superconductors

התגלה בשנת 2008, superconductors מבוסס ברזל (למשל, SmFeAsO1-xxFx, Tc ⁇ 55 K; BaFe2As2 עם Tc עד 38 K) עורר מחקר אינטנסיבי.הם מכילים ברזל-arsenide או ברזל-selenide שכבות ולהציג שדות קריטיים גבוהים, אנטרופיות נמוכה, ומדיקות מכנית בהשוואה ל-Turoxo, אך הם עשויים לדרוש יותר מרוקנים או לטבוליים.

חומרים נוספים

מגנזיום diboride (MgB2) יש Tc של 39 K -להלו את סף HTS - אבל ראוי לציין כי זה זול, קל לייצר חוטים, בשימוש נרחב במגנטי MRI ויישומים תעשייתיים.זה יושב בין טמפרטורות נמוכות ומוליכים על-טבעיים גבוהים ניתן מגניב עם מימן או Cryocers.

בחירה חומרית לפי יישום

בחירת החומר הטוב ביותר HTS תלויה בדרישות ספציפיות של היישום. להלן הם שיקולים מרכזיים עבור מקרים עיקריים.

Power Transmission Cables

כבלי כוח HTS יכולים לשאת שלוש עד חמש פעמים את זרם כבלי נחושת קונבנציונליים של אותו קטע צלב, צמצום הפסד וטביעה רגל. עבור כבלים תת-קרקעיים, B-2223 קלטות היו הקטורות בגלל ה- Tc הגבוה שלהם, ייצור בוגר, ומקובל Jcogenic ב 77 K. עם זאת, הדור השני של YB מצופים כעת עבור מתקנים חדשים כי הם מציעים צפיפות גבוהה יותר, מכנית, טוב יותר, ולהפחית את הסגולות הנוכחית, ולהפחית את הסגולות (אופטימיות) כאשר הם דורשים חומרים מצופה יותר, ולהפחית את הגדלים (מכחול) כאשר הם עדיין נמוך יותר, כאשר הם דורשים חומרים מלמטה יותר, כאשר הם דורשים חומרים מלמטה יותר, כאשר הם דורשים מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה קיבולת גבוהה יותר מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה מצופה

מגנטיות ל-MRI ו-NMR

הדמיה מגנטית (MRI) ו-Nb3Sn מגנטית מערכות מסתמכות על שדות מגנטיים חזקים ויציבים.טמפרטורה נמוכה NbTi ו מגנטים מגנטיים גרעיניים לפעול ב-4.2 K. HTS יכול לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר, צמצום כוח קירור של 32 שדות C גבוה יותר, או מאפשר מגנט גבוה יותר. עבור תקן אנושי (-1.5 T3), BSCCO קריר עד 30 C-T.

מגבלות נוכחיות (FCL)

FCLs להגן על רשתות חשמל מפני זרמי קצר-כימות.כאשר מתרחשת תקלה, הדלפק העל (becomes התנגדות) בתוך מילימטרים, הגבלת הזרם הגמג'.החומר חייב להיות מעבר חד ממוליכים למצב נורמלי, עמידות במצב נורמלי, ושיקום מהיר. YBs מתאימים היטב כי הסיבות המקומיות שלהם להפחתה מהירה יותר של תפקוד לקויה, אך גם יעילות גבוהה של JCODicial, הם דורשים יציבות חוזרת יותר.

מכונות רוטינג (Motors and Generators)

מנועים וגנרטורים HTS להפחית את הגודל והמשקל תוך שיפור היעילות.המסתובב מכיל בדרך כלל סלילים HTS שיוצרים שדה מגנטי גבוה. כוחות מכניים ולחצים צנטריפוגיים דורשים ארכיטקטורת מנצח חזקה.מוליכים ממומשים על תת-שכבות מתכת גמישות מועדפים על קלטות BSCCO כי הם סובלים טוב יותר. 2Gending YBCO חוטים עם נחושת משמשים אב-טיפוס החל מ טמפרטורות 10+ חייב לעתים קרובות תחת .

המונחים: Magic

רכבות מגבת ומערכות תחבורה להשתמש ב- HTS או קלטות כדי ליצור לויטציה יציבה באמצעות פלוקס pinning. Bulk YBCO (תחום המתפתל או רב-גרינה) יכול מלכודות שדות מגנטיים של כמה tesla, המאפשרים לעומס פסיבי. לחלופין, מנועים ליניאריים עם HTS coils יכול להניע כלי רכב.

ייצור ואתגרי Scale-Up

הפחתת חומרי HTS באורך מספיק, איכות, ועלויות היו המכשול הגדול ביותר למסחר נרחב. קרמיקה גביעית הם בשפע מטבעם; מה שהופך אותם למוליכים גמישים דורש עיצובים מורכבים.

  • (FLT:0) הדור הראשון (1G) חוטים של LT:1) - אבקת BSCCO קלטות, מוגבל על ידי נקודות חלשות מכניות ועלות כסף.
  • (FLT:0 Second-דור (2G) חוטים של מעל 1 ק"מ - YBCO מדביקים את המוליכים, גדל באופן אפיטקסי על תבניות מרקמות.אורך רציף של מעל 1 ק"מ ניתן כעת עם ion-beam בסיוע לפירוק (IBAD) או גלגול מפוסל מחלחל (RATS) את האתגר הוא לשמור על אורכו ולהפחית פגמים מקומיים.

אחרים בייצור hurdles: שליטה על תוכן חמצן (קריטי ב YBCO), דיכוי של קישורים חלשים של גבולות דגנים, ושילוב של ייצוב ללא ביצועים סופר-מוליכים למחצה.עלויות ל kAm נשאר סדר גודל גבוה יותר מאשר נחושת עבור יישומים רבים, אם כי זה ממשיך לרדת ככל שהיבולים של ייצור עולה.

עתיד Outlook וחומרים מתעוררים

המחקר ממשיך לדחוף את הגבולות של ביצועי HTS.גישות כוללות:

  • (FLT:0) מרכזי סיכה מלאכותיים (FLT:1) - שילוב חלקיקים או שלבים שאינם מוליכים לתוך מטריקס YBCO כדי להגדיל את Jc בתחומים מגנטיים גבוהים.זה כבר הביא מוליכים עם שיא בביצוע שדה.
  • (FLT:0) מוליכים העל מבוססי Iron מבוסס על מוליכים מן ה-1:1) - עם סובלנות נמוכה יותר של גבול דגנים גבוה יותר, הם עשויים בסופו של דבר לאפשר חוטים פוליקריסטלליין זולים יותר. ערכים Tc מעל 77 K נשאר אלסטי, אבל מחקרים תיאורטיים מציעים כי זה אפשרי.
  • (FLT:0)Hydrides תחת לחץ גבוה FIRLT:1 ; מוליכים על-טבעית חדר דווח בתרכובות עשירות מימן (למשל, H3S, Tc ⁇ 203 K מתחת 155 GPa; LaH10, Tc ⁇ 250 K תחת GPa 170) אלה דורשים לחצים קיצוניים ועדיין לא מעשי, אבל הם מחפשים אחר חדר סופר-זמנית.
  • גידול של FLT:0 (Flux Growth and Many SuperconductorsFIRLT:1) - שיפור שדה לכוד ברובים עבור מכונות מגבריות ומסתובבות.

חומר HTS אופטימלי למשימה נתונה תמיד יהיה כרוך במוליכים מצופים YBCO לספק את השילוב הכללי הטוב ביותר של Tc, Jc, גמישות מכנית, אם כי במחיר פרימיום BSCCO נשאר תחרותי עבור שדות נמוכים ספציפיים, יישומים עתירי זמן גבוהים יותר. כמו קשקשים ייצור וחומרים חדשים עולה, הנוף מתפתח, אבל הקריטריונים הבסיסיים של Hcc2ccability, Jלמעשה, אלה הם להמשיך את מטרות בחירה חומרית חיוני, ולהשיג ביצועים חיוניים, וקידום.

(ב) ראו את המאמר (ב) על מוליכים עתיריים (ב) ב[[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]