FeAs-122超导线带材临界电流及磁通动力学研究

The discovery of iron-based superconductor not only is the breakthrough of material science, but also bring a new opportunity for the development of the superconducting application. After five years of research, the critical current density of the hot pressed FeAs-122 tapes reached 10^5 A/cm2. However, several pending issues about the material have not been settled, such as: the inhomogeneity of the superconducting phase, existence of the impurity phase, voids and cracks. On the other hand, the vortex motion and pinning mechanisms of the FeAs-122 tapes are still unclear. This project will prepare the precursor by a new process to improve the homogeneity of the superconducting phase. Through this method we expect to enhance the critical current density of the FeAs-122 tapes. On this basis, we will carry out a systematic study of the vortex pinning mechanism and the flux dynamics, conclude the vortex phase diagram of the FeAs-122 tapes; analyze the relationship between the current carrying ability under high magnetic field and the vortex pinning, explore the reasons for improving the critical current density by cold and hot pressing method. Through this research, we expect to provide theory support for the further improvement of the critical current density of the FeAs-122 wires and tapes.

铁基超导体的发现不仅是材料学上的重大突破，更为超导应用的发展带来新的契机。经过五年的研究，热压处理的FeAs-122线带材在4.2K，10T下的临界电流密度已经达到10^5 A/cm2。但是，铁基超导线带材中仍然存在不少材料方面的问题亟待解决，如：超导相不均匀，存在杂相、孔洞和微裂纹。另外，FeAs-122线带材中磁通运动及磁通钉扎机制尚不清楚。本项目拟通过新工艺制备FeAs-122先驱粉，改善超导相的均匀性，从而提高线带材临界电流密度。在此基础上针对线带材中磁通钉扎机制及磁通动力学展开系统研究，建立FeAs-122线带材的混合态相图；分析高场载流能力与磁通钉扎之间的关系，阐释热压、冷压法提高线带材临界电流密度的内在机制。通过上述研究，试图为进一步提高FeAs-122超导线带材临界电流密度提供理论支持。

铁基超导材料具有优异的高场性能，有望得到大规模应用。但由于其塑性加工困难，粉末装管法成为制备超导线带材的首选途径。经过多年研究，铁基超导线带材的高场载流能力逐步提升，但仍然存在许多问题尚未解决。本课题针对传统铁基前驱粉制备工艺中的不足，提出两步法，制备出高纯度、高均匀性的铁基超导前驱粉，极大提升了铁基超导线带材的载流能力。为了进一步研究影响线带材临界电流密度的内在因素，我们对高性能铁基线带材的磁通钉扎机制及磁通动力学行为进行了分析，发现晶界、位错等面缺陷为主要的钉扎来源，提供了较强的磁通钉扎力，使得线带材在低中温区具有较小的磁通弛豫率。但随着磁场、温度增加，磁通弛豫率突然增大，磁通进入塑性流动区域。根据以上结果，我们总结了铁基超导带材的磁通相图，提出减小晶粒以及引入点钉扎的方法有望进一步提高临界电流密度。我们还通过比热测量研究了铁基超导线带材中超导相的均匀性，发现了掺杂类超导体的临界电流随超导相均匀性变化的一般规律。在以上研究的基础上，我们不仅将热压工艺应用到铜包套铁基带材制备之中，降低了生产成本，还优化了铁基超导线带材的超导芯结构及冷加工工艺，制备出世界上首根百米级铁基超导长线。该项目的研究成果不仅为铁基超导线带材规模化制备奠定了基础，还为进一步提高铁基超导线带材临界电流密度提供了理论指导。