C轴织构铁基超导材料载流性能的计算模拟研究

Recently, a cold rolling process was employed to obtain c-axis texture in iron-pnictide polycrystalline materials, and a high transport Jc value of 25 kA/cm2 was achieved.This progress would give further encouragement to the development of iron-based superconducting wires & tapes for potential high current applications. However, the transport Jc in high fields is still low, and it is unclear yet whether these uniaxial textured polycrystalline iron pnictides can support such a high transport Jc that meets the demands for industrial applications. This problem would bother experimental researchers quite a few years, due to the dependence of transport Jc on the complex experimental factors, such as impurity phases at grain boundaries, filling factor, degree of texture, and so on. .This study aimed to build mathematical models for superconducting currents flowing in grains and across grain boundaries, and to calculate the theoretical value of transport Jc，as well as its dependence on temperature and magnetic field in c-axis textured K doped 122-type and F doped 1111-type iron pnictides, providing a theoretical basis for potential applications of iron-based superconducting wires & tapes. Subsequently, some experimental factors (such as impurity phases at grain boundaries, filling factor, and degree of texture ) will be considered in the models, and the dependence of transport Jc on these factors will be studied, which would be much beneficial to the fabrication of iron-based superconducting wires & tapes with high critical current density.

采用轧制方法制备的C轴织构铁基超导带材，自场下临界电流密度已突破25kA/cm2，展现出较好的应用前景。然而，高场下的临界电流密度仍然较低，材料中的传导电流受到晶界杂相、填充率、织构度等诸多试验因素限制，临界电流密度的理论上限是多少，随磁场的变化规律如何，能否满足应用上的要求，目前仍不清楚。而该问题短时间内也无法在试验中予以解决。本研究以122型和1111型C轴织构铁基超导材料为对象，分析其基本结构和电流通路所形成的拓扑网络，结合各类晶界的分布和相应的载流能力，建立数学模型，模拟超导电流在材料晶粒内和晶界处的传输过程，最后计算出单抽织构铁基超导材料临界电流密度的理论上限，以及其随温度和磁场的变化规律，为铁基超导线带材的制备和应用提供理论基础。另一方面，在模型中考虑晶界杂相、填充率、织构度等试验因素，模拟这些因素对载流性能的影响，这对试验中制备高性能铁基超导线带材具有指导意义。

122型和1111型铁基高温超导体的上临界场较高，大角晶界的载流能力相对较强，在制冷机温度（20 K）下具有良好的应用前景。实验证明，c轴织构可以极大提高122型铁基超导线代材的晶粒连接性和载流能力，但是受制备工艺不成熟的限制，当时并不清楚其临界电流密度是否能够满足工业应用的基本要求。基于此，本项目分析了c 轴织构铁基超导材料的基本结构和电流通路所形成的拓扑网络，结合已有的各角度晶界载流性能的实验数据，建立数学模型，模拟超导电流在材料晶粒内和晶界处的传输过程，计算出c轴织构的122型和1111型铁基超导材料临界电流密度的理论上限，以及其随温度和磁场的变化规律。另一方面，在模型中考虑晶界杂相、孔隙率等实验因素，模拟这些因素对载流性能的影响，同时探讨了提高铁基超导线带材临界电流密度的方法。研究结果表明：1. 理想情况下，c 轴织构122型铁基超导材料的临界电流密度可以达到100 kA/cm2（4 K，0 T）以上，当磁场增加到10 T时，临界电流密度衰减低于一个数量级，基本满足工业应用的基本要求；2. 在20 K温度下，c 轴织构122型铁基超导材料的临界电流密度仍可达到10 kA/cm2（0 T）以上，当磁场增加到10 T时，临界电流密度衰减小于一个数量级；3. 孔隙率和晶界杂相对材料载流能力至关重要，当孔隙率或晶界杂相的比例达到50%左右时，临界电流密度降低约一个数量级；4. 控制晶粒的形貌，提高晶粒的扁平度（宽度/厚度），可以有效提高临界电流密度。5. c 轴织构1111型铁基超导材料的载流能力普遍优于c 轴织构122型铁基超导材料。其中，结果1、3、4与后来的实验数据基本一致，而目前仍未有实验数据与结果2、5相对应。这些结果为铁基超导体材料的应用提供了一定的理论依据，并为进一步调高铁基超导线代材的临界电流密度提供了参考。