超导体的临界温度从接近绝对零度,提升到了约 100K(零下 173 摄氏度),将超导现象的温度区间从液氦温度扩展到了液氮温度。
由于 HTS 在比传统超导体需要温度更高的情况下,可无阻力地进行电力输送,因而其有望在能源、电力、交通、医疗等领域带来一系列颠覆性的变革。
特别是,这项技术为实现备受期待的商业核聚变带来了新的希望,引发了全世界内的研究和开发热潮。
然而有必要了解的是,HTS 材料实现大规模商业化应用的前提是:不仅要达到现有商业用铜线的性能指标,还必须在成本上与其相当。
近期,美国纽约州立大学布法罗分校的研究团队宣布,已成功制备出迄今为止性能最高的 HTS 导线,并且各项指标均表现优异。
并且,工作时候的温度从 4.2K 到 77K,均表现出高的临界电流密度( J c )和钉扎力( F p ), 刷新了目前的报道记录。
纽约州立大学阿米特·戈亚尔(Amit Goyal)教授是第一作者兼通讯作者。
戈亚尔是美国国家工程院和美国国家发明家科学院院士。多年来,他的研究对高温超导领域产生了深远影响,无论是在基础材料科学领域,还是在推动科学发现从实验室向市场转化方面。
图丨阿米特·戈亚尔(Amit Goyal)(来源:纽约州立大学布法罗分校)
目前,全球 HTS 导线制造商主要是采用三种技术路线,来制造高性能的 HTS 导线,分别是:轧制辅助双轴织构基带技术、离子束辅助沉积氧化镁衬底技术和自组装纳米级柱状缺陷技术。
在这项研究中,HTS 导线也采用了离子束辅助沉积氧化镁衬底技术,并基于 REBCO 制备而成。
通过原位沉积的 REBCO 相,研究者在薄膜中实现纳米级间距的非超导纳米柱状缺陷,通过掺杂稀土金属位点,实现了通量钉扎增强。
戈亚尔对媒体表示:“高临界电流密度是通过稀土掺杂、氧点缺陷和绝缘锆酸钡纳米柱,及其形貌的钉扎效应共同实现的。”
图丨脉冲激光沉积法用于加热 HTS 导线,其中激光束烧蚀沉积在基板上的薄膜材料(来源:纽约州立大学布法罗分校)
该团队所开发的 HTS 导线的适用温度范围十分普遍。从具体数值来看,涵盖了从液氦温度(4.2K)到液氮温度(77K)。
值得一提的是,该 HTS 薄膜的厚度虽然仅有 0.2 微米,但它的电流承载能力和厚度接近其 10 倍的商用超导导线相当。
发电和能源传输方面,HTS 可以在一定程度上促进海上风力发电机的发电量翻倍,并可用于电网规模的超导磁能存储系统。
在电力传输中,HTS 能轻松实现大电流直流、交流输电线的无损电力传输,并提高超导变压器、电动机和电网故障电流限制器的能源效率。
清洁能源方面,HTS 在商业核聚变方向具有应用潜力。目前,全球的商业核聚变公司超过 40 家,而仅 HTS 导线开发的投入就超过数十亿美元。
此外,HTS 导线还可能在医学领域,如新一代核磁共振成像和波谱法,其潜在应用场景还包括高场磁体等众多物理应用、国防领域等。
戈亚尔认为,“要充分实现超导体大规模、理想的应用,重点是提高性价比。”
谈及该研究的影响,他对媒体表示:“(该研究的)这些结果将有利于指导行业逐步优化沉积和制造条件,从而明显提高商用涂层导体的性价比。”
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