Bi-2223/Ag高温超导导线的主要问题分析与应对措施

尽管Bi-2223/Ag带材在形成最终成品带材之前经历了多步热处理和中间形变过程，仍不能完全形成Bi-2223纯相，通常最终带材的Bi-2223相含量在95%以上。剩下的即为其他不期望出现的第二相。第二相往往存在于Bi-2223晶粒连接处，阻碍了超导相的晶粒连接，不利于超导电流的导通。

Bi系超导体强烈的各向异性使得其晶粒具有强烈的片状特征，单个的Bi-2223相晶粒的宽度通常超过其厚度的100倍。通过TEM的观察发现，Bi-2223相晶粒还具有群聚的特征，即一个Bi-2223相晶粒实际上是由若干个具有相同c轴方向的单晶重叠而成，而这些单晶相互之间呈一定的扭转角度。Bi-2223相晶粒的排布方式直接影响到晶粒间超导电流的导通。一般认为，在单个晶粒内超导电流可以在Cu-O₂面内流动，但是对于上千千米由多晶构成的超导带材来说，晶粒间的超导电流需要跨越很多晶界。有人将Bi-2223相中非晶粒簇内的晶界分为两种：一种是倾侧晶界，另一种是共边晶界。倾侧晶界的界面是沿一侧晶粒的（00l）晶面，Cu-O₂面不通过晶界；而另一侧是晶粒的侧面，含有Cu-O₂面。对于这样的界面结构超导电流不易从一个晶粒传导到另一个晶粒，需要穿越（00l）晶面含有的绝缘层。共边晶界相比来说更容易导通超导电流，因为其晶界两侧的Cu-O₂面在界面上直接相连。

在Bi系超导体中，除了Bi-2223相超导相以外，通常还含有数量大小不均的第二相。它们的存在阻碍了超导相晶粒的连接，不利于超导电流的导通。非晶相本来是热处理过程中的液相，除了在降温过程中，液相会部分晶化以外，残余的液相通常会以非晶相的形式存在于晶粒之间，阻碍电流的导通。另外，带材中间还有可能有一些残留的气泡、孔洞和微裂纹等。所有这些因素都有可能阻碍超导电流的导通，他们是超导相晶粒间的弱连接产生的原因。正是这些弱连接的存在，直接限制了带材的J_c。从微观上来讲，只要不是超导的Cu-O₂面直接相连，都可以认为是弱连接。

实际带材中电流的导通，主要用两种模型来描述：砖墙模型和铁路岔道模型。砖墙模型认为超导电流不仅在Cu-O₂面内能直接导通，而且能在Cu-O₂面间导通。当两个晶粒沿着ab晶面以较大的面积接触时，超导电流就能穿透晶界进入临近的晶粒。铁路岔道模型认为电流仅能沿Cu-O₂面导通，不能穿透ab晶面；晶粒间的小角倾侧晶界是强耦合区，晶粒通过这些晶界连接在一起共同承载电流。实际上，除了共边晶界可以让Cu-O₂面直接相连以外，其他各种晶界都不免会阻挡Cu-O₂面的连接。晶界会阻碍超导电流的导通，起到了弱连接的作用。因此，如何改善Bi-2223/Ag带材中晶粒的弱连接问题，以及如何有效地消除第二相，净化Bi-2223晶界成为进一步提高带材J_c的关键。(www.xing528.com)

超导的直流零电阻特性使得其在通以稳恒直流情况下，可以无损耗地承载电流。然而，多数情况下高温超导导线被通以交流电或处在交变磁场中，此时超导体将出现交流损耗。超导体的交流损耗将导致其发热，如果热量不及时排出去，将会导致温度升高从而使载流能力下降。因此，交流损耗的产生对于实际超导体运行很不利，其冷媒或制冷机功率的消耗增加了其运行成本，因此在应用中要尽量减小交流损耗。

为了体现出高温超导体在电力系统应用方面的优势，就必须尽可能减小其交流损耗。国际上一般认为，当高温超导带材的交流损耗在0.3～0.5W/（kA·m）范围内，其节省能源方面的优势就可以很好地体现出来。基于交流损耗的各主要部分产生的原因，通常采用增大带材的宽厚比，增大基体电阻率、扭绞、细丝化、减小磁场垂直分量等手段来减小交流损耗。

由于组成Bi-2223/Ag导线的复合材料一部分为陶瓷性的Bi-2223超导材料，另一部分为强度不是很高的银或银合金，因此其机械强度并不高，通常其屈服强度在100MPa。为了适应对导线强度要求高的场合，Bi-2223/Ag导线生产厂商开发出了具有高强度金属或合金加强的Bi-2223/Ag加强型带材。生产加强带的工艺难点在于以下几个方面：①高强度金属/合金带与超导带的焊接。对焊料的选择，主要考虑Bi系高温超导体本身焊接时对温度的要求，减少焊接过程中可能对高温超导线材电性能带来的影响。对助焊剂选择，主要考虑铋系高温超导线材本身结构特点及内部陶瓷超导芯的要求，根据各种助焊剂的活性、腐蚀性以及酸性来选择与之相匹配的助焊剂。焊接参数包括焊接温度、焊接速度等。②焊接用金属线材的选择。可选用比银强度高的金属或合金作为加强带的加强材料，通常选取铜合金或不锈钢材料等。加强材料的选择直接决定加强带的机械性能。其参数主要包括：杨氏模量、屈服强度、材料的厚度等。③焊接实验装置和设备的搭建。根据以上对材料的要求需要设计相应的设备进行加强带长带的生产，以保证焊接过程的稳定性以及焊接的均匀性和一致性，实现线材的连续焊接。