Yüksek sıcaklık süper iletkenleri (HTS), mevcut (DC) elektrikleri, sıvı azotun (77 K veya -196°C) ısıtılmasının üzerinde önemli ölçüde ısıtılması gereken malzemelerdir. Bu özellik, onlara verilen bir uygulama için en uygun malzemeden ayrılır.

Yüksek yoğunluklu Superconductivity'ın temelleri

Superconductivity 1911 yılında Heike Kamerlingh Onnes tarafından ilk olarak geliştirilmiştir. $ 4.2 K. For on years, the most achievable critical temperature (Tc) was left 30 K, limit pratik kullanım 30 K. over 90 K in ytrium barium bakır oksit (Yrate superconductors) , Georg Bednorz and K. Alex Müller, kim 35 K. altında yüksek sıcaklıklı bir bileşik bulundu.

Kondesiyonel Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) teorisi, düşük sıcaklık malzemelerinde süper iletkenliği açıklayan, elektron-fonksiyon etkileşimleri ile tam olarak açıklanamaz, bakır-oksit düzlemlerinde sert ve sert olmayan yüzeylerde.Bu unconventional çiftleme, çok daha yüksek bir Tc'ye yol açar, ancak aynı zamanda anisotropik özellikleri de sunar.

Malzeme Seçme için kritik performans parametreleri

Herhangi bir süperconductoru değerlendirdiğinde, üç intrinsic özellikleri performans zarfını tanımlar: kritik sıcaklık (Tc), kritik manyetik alan (Hc2) ve kritik akım yoğunluğu (Jc) Bu, mekanik bütünlüğü, kimyasal stabilite ve üretim maliyeti gibi pratik düşünceler gerçek dünya kullanılabilirliği.

Eleştirel Sıcaklık (Tc)

Tc, malzemenin sıfır DC direncini sergileyen en yüksek sıcaklıktır. HTS için, 77 K'nin üzerinde bir Tc arzu edilir, çünkü sıvı azot ucuz, bol kriogen. Yüksek Tc değerleri soğutma gereksinimleri, sistem karmaşıklığı ve daha düşük operasyonel maliyetler gibi uygulamalar için uygun değildir. ancak, Tc sadece çok yüksek bir Tc ile bir malzeme garanti etmez; güç kabloları gibi uygulamalar için uygun olmayan bir malzeme.

Üst Eleştirel Manyetik Alan (Hc2)

Superconductivity, uygulanan manyetik alan bir materyale özel bir limit aştığında tahrip edilir.In type-II superconductors - tüm pratik HTS - iki kritik alan vardır: Hc1 (daha yüksek mıknatıslar ve Hc2 için tamamen ortadan kaldırılan manyetik floralar ve Hirr'in önemli olduğu malzemeler).

Eleştirel Current Influence (Jc)

Jc, süper iletkenlikli bir süperconductor direnç olmadan taşıyabilir. HTS'de Jc sıcaklık ve manyetik alana bağlı olarak, 77 K ve kendi kendine özgü, kondüktör Jc > 3 MA/cm2. Ancak, Jc degradları, malzemenin güçlü yapay pinning merkezleri olmadıkça - manyetik flux vortiklerini taklit eden sayısal hataların varlığına öncelik verir.

Mekanik ve Termal Özellikler

HTS seramikler, pratik kullanım için, genellikle metalik matrikslere (örneğin, gümüş veya nikel-t Morgan) monte edilir ve mekanik destek ve susağı sağlamak için substratı karşılaştırmak gerekir.

Kimyasal İstikrar ve Çevre Direnişi

Birçok panrate süperconductors, nem ve karbon dioksit ile tepki verir, zaman içinde süper iletken özelliklerini yükseltebilir. koruyucu kaplamalar veya enkapsülasyon genellikle gereklidir. Malzeme seçimi, işletim ortamı için dikkate almalıdır - örneğin, gömülü bir yeraltı, bir laboratuvarda bir mıknatıstan daha farklı nem ve sıcaklık aşırılıkları ile karşı karşıya kalabilir.

Manufacturability and Cost

En iyi HTS materyali bile, ekonomik olarak ölçeklenemeyecek kadar işe yaramaz. uzun uzunlukta teller veya kasetler oluşturmak, üretim sürecinin verimi ve ham materyallerin maliyeti (örneğin BSCCO) kritik. İkinci nesil HTS (YBCO'ya dayanan) - YBCO'ya dayanan paslanmaz çelikler, gelişmiş incefilm depozisyon teknikleri sayesinde ticari olarak uygulanabilir hale gelir, ancak bakır veya geleneksel LTS'ye kıyasla pahalı kalır.

Yüksek hacimli Superconductor Malzemelerin Büyük Aileleri

HTS materyallerinin birkaç ailesi keşfedildi, her biri farklı avantajları ve kısıtlamalarla. En olgun ve yaygın kullanılanlar kıvrımlardır, ancak demir bazlı süperkondüktörler ve diğer sistemler niş uygulamalar için dikkat çekiyor.

Yttrium Barium Copper Hoffman (YBCO)

YBCO (YBa2Cu3O7 ⁇ ) yaklaşık 92 K'ye sahip bir Tc'ye sahiptir, ayrıca HTS'yi bilinen ve yoğun olarak ince bir YBCO katmanında (-2 μm) esnek metal substratı ile kristalize eder (genellikle bir ikinci nesil (2G) HTS telleri kullanılarak, o zaman metalik bir tabaka için beton tabakaya kadar sert bir pompalanır.

YBCO kasetleri, zirkonat nanorodnasyonları veya ytrium oksit nanoparçacıkları gibi yüksek sıcaklıklarda 30 T'u aşan alanlarda önemli akım boşlukları koruyor.

Anahtar zorluklar: YBCO oksijen stoichiometri, tahıl sınırları (yüksek boks tahıl sınırları ciddi şekilde Jc'i ağır bir şekilde azaltır) ve mekanik sustur. Kaplamalı üretim, maliyetleri yüksek tutmak için sofistike, vakum bazlı süreçler gerektirir.

Bismuth Strontium Macau Copper Hoffman (BSCCO)

BSCCO iki ana aşamada var: Bi-2212 (Tc ⁇ 85 K) ve Bi-2223 (Tc ⁇ 108 K) İkincisi, ticari olarak mevcut HTS telleri arasında en yüksek Tc var. BSCCO, uzun bir sürede üretilecek ilk HTS materyali, ilk sıra dışı fazı olarak bilinen.

Bi-2223 kasetleri 77 K'de iyi Jc sunuyor (yaklaşık 1 MA/cm2) ve AC kayıpları azaltan kablolar, dönüştürücüler ve motorlar. Bi-2212, daha esnekken ve yuvarlak teller olarak dikilebilirken, AC kayıpları azaltan kablolar için kapıyı açıyor.

Zorluklar: BSCCO, 30 K.S sınırları altında serinlenen yüksek tarlalarda kullanımını hızla artıran telli bir bakır yapısına sahip olduğu için, yüksek çözünürlükte kullanımlarını sınırlandırır.

ThalliumBased Cuprates

Thallium bazlı HTS bileşikleri, Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (Tc ⁇ 125 K) ve Tl-1223 (Tc ⁇ 120 K), çevre basıncındaki en yüksek bilinen kritik sıcaklıklar arasında bulundular ve şimdi BSCCO ile kıyaslanmadaki üst düzeye ilgi gösterdiler.

MerkürBased Cuprates

Merkür barium kalsiyum bakır oksit (HgBa2Ca2Cu3O8+ ⁇ ) Ortam basıncının en yüksek Tc için rekor tutar - yaklaşık 135 K - ve hatta baskı altında daha yüksek.

IronBased Superconductors

2008 yılında iron temelli süperconductors (e.g., SmFeAsO1-xFx, Tc ⁇ 55 K; BaFe2As2 Tc ile 38 K) yoğun araştırma gerektirir. Demir-hidrojen tabakalar ve yüksek eleştirel alanları sergileyebilirler, düşük anisotropy ve orta derecede mekanik kanallarını gösterir.

Diğer Notable Malzemeler

Magnezyum diboride (MgB2), 39 K'dan bir Tc'e sahiptir - ancak HTS eşiğiyle karşı karşıya kalır - ancak bunun için ucuz, tel mıknatıslarında ve endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. Düşük sıcaklık ve yüksek sıcaklık süper iletkenleri arasında oturur ve sıvı hidrojen veya kriyoğu ile serinlenebilir. Bazı araştırmacılar bunu “orta sıcaklık” süperconduktör olarak sınıflandırır.

Uygulama ile malzeme seçimi

En iyi HTS materyali seçmek uygulamanın özel taleplerine bağlıdır. Aşağıda büyük kullanım vakalarının temel dikkate alınmasıdır.

Güç İletim Kabloları

HTS güç kabloları, aynı haç bölümünün geleneksel bakır kablolarının mevcutlarını taşıyabilir, kayıpları ve ayak izlerini azaltır. yeraltı kabloları için Bi-2223 kasetleri, yüksek Tc, olgun üretimleri ve kabul edilebilir Jc'leri 77 K. ancak, ikinci nesil YBCO kondüktörleri artık yaygın olarak kabul edilen yoğunluk, daha iyi mekanik güç ve daha düşük AC kayıplarına sahiptir.

MRG ve NMR için Magnetler

Manyetik rezonans görüntüleme (MRI) ve nükleer manyetik rezonans (NMR) sistemleri güçlü, istikrarlı manyetik alanlara güveniyor. Konvansiyonel düşük sıcaklık NbTi ve Nb3Sn mıknatıslar 4.2 K. HTS'de çalışabilir, yüksek sıcaklıklarda çalışabilir, soğutma gücünü azaltır veya daha yüksek alanları azaltır.

Mevcut Sınırlayıcılar (FCL)

FCL'ler elektrik şebekelerini kısa süreli mevcutlardan korurlar. Bir hata gerçekleştiğinde, süperconductor giderleri (belirli direnici) milisaniyeler içinde, mevcut dalgalanmaları sınırlandırmak için malzeme normal bir geçişe sahip olmalıdır. önemli seçim kriterlerine sahip olmak için daha fazla gümüş gerekir Jc homojen, n-state dirençli (şarpness of VI), ve hızlı bir şekilde iyileşmeye karşı, çünkü yerel ısıtmaları hızlı bir direnir.

Rotating Machines ( Motorlar ve Jeneratörler)

HTS motorları ve jeneratörler verimliliği geliştirirken büyüklüğü ve ağırlığı azaltır. Rotor tipik olarak yüksek manyetik alan oluşturan HTS bantları içerir. Mekanik kuvvetler ve sentrifugal stres, sağlam iletken mimari gerektirir. Sert metal substratlar üzerinde kaplamalar tercih edilir BSCCO kasetleri, çünkü daha iyi ısıtılırlar. 2G YB telleri bakır laminat ile birkaç kW ila 10+ MW arasında kullanılmaktadır.

Manyetik Levitation (Maglev)

Maglev trenleri ve ulaşım sistemleri HTS yığınlarını veya kasetleri kullanarak flux pinning ile stabil bir şekilde oluşturmak için kullanabilir. Bulk YBCO (single domain veya multigrain) büyüme ile işlenebilir. malzeme dinamik yükleri işlemek için mekanik olarak sağlam olmalıdır.

Üretim ve Scale-Up Challenges

HTS materyallerini yeterli uzunlukta, kaliteli ve maliyeti geniş ticarileştirmenin en büyük engeli olmuştur. Cuprate seramikler doğal olarak çok fazla ovuşturuyor; onları esnek iletkenlere dönüştürmek ayrıntılı kompozit tasarımları gerektirir.

  • [FONT:0) İlk nesil (1G) teller[Dönetici:0)[Dönetici:0)) - toz-in-tüp BSCCO kasetleri, mekanik zayıf noktalar ve gümüş maliyetle sınırlı.
  • [FONT:0)İkinci nesil (2G) teller[DÜT:1) - YBCO kaplı iletkenler, dokulanmış şablonlar üzerinde epit aksiyel olarak büyülenmiş kalıplar üzerinde sürekli uzunluklar ve şimdi yerel ısıtma ve giderim.

Diğer üretim engelleri: oksijen içeriğinin kontrolü ( YBCO'da kritik), tahıl sınır zayıf bağlantılarının bastırılması ve süper iletken performans olmadan stabilizatörlerin entegrasyonu. kA·m başına maliyet bir miktar daha yüksek kalır, ancak üretim hacmi yükselir.

Future Outlook ve Gelişen Malzemeler

Araştırma HTS performans sınırlarını zorlamaya devam ediyor. Yaklaşımlar şunları içerir:

  • [FONT:0]Artificial pinning merkezleri[[Döneticiler) - nanopartiküller veya yüksek manyetik alanlarda Jc'i artırmak için YBCO matrisine dahil olmak üzere, bu zaten ekinleri tarla performansında rekorla elde etti.
  • [FONT:0]Iron-based superconductors[Dönetici:0)[[Dönetici:0)Iron-based superconductors[[Dönetici:0)[[Dönetici ve yüksek tahıl sınır toleransı ile, sonunda 77 K'nin üzerindeki daha ucuz polikristal telleri etkinleştirebilir, ancak teorik çalışmalar mümkün olduğunu ileri sürer.
  • [FONT:0]Hydrides yüksek basınç altında) – oda sıcaklığı süper iletkenlik hidrojen zengin bileşiklerde (örneğin, H3S, Tc ⁇ 203 K 155 GPa altında; LaH10, Tc ⁇ 250 K, 170 GPa altında).
  • [FONT:0]Flux büyüme ve büyük süper iletkenler[DÜT:1) - maglev ve dönen makineler için sıkı sıkı alanlarda sıkı bir alanda çalışır.

Verilen bir görev için en iyi HTS materyali her zaman ticarete dahil olacaktır. YBCOk kondüktörleri şu anda Tc, Jc ve mekanik esnekliğin en iyi kombinasyonunu sağlar, ancak bir prim fiyatına kılavuzluk eder. BSCCO, daha düşük enerji ve mıknatıs sistemleri için rekabetçi kalır, bu parametrelerin ve materyal ailelerin ayrıntılı bir anlayış, performansa ulaşmak için gerekli olan temel kriterlerdir.

Daha fazla okuma için, bkz.Üye Tarihi:0)Wikipedia Yüksek Sıcaklık Süper iletkenliği)[DKDKDK:2) YBCO) ve kaplamalı iletkenlerde son gelişmeler üzerine kurulu.).