面向高場(chǎng)應(yīng)用的鐵基超導(dǎo)材料

馬衍偉

1中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京1001902中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

面向高場(chǎng)應(yīng)用的鐵基超導(dǎo)材料

馬衍偉

1中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京1001902中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

鐵基超導(dǎo)體的上臨界磁場(chǎng)可達(dá)100 T以上，并具有較小的各向異性、簡(jiǎn)單的制備工藝等突出優(yōu)點(diǎn)，在核磁共振成像(MRI)、核磁共振譜儀(NMR)及高場(chǎng)超導(dǎo)磁體等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。目前鐵基超導(dǎo)材料正處于快速發(fā)展的研發(fā)階段，低成本的粉末裝管法已廣泛應(yīng)用于鐵基超導(dǎo)線帶材的制備，臨界傳輸電流密度在4.2 K和10 T下超過105A/cm2；最近世界首根百米量級(jí)鐵基超導(dǎo)長(zhǎng)線的成功研制進(jìn)一步奠定了鐵基超導(dǎo)材料在強(qiáng)電領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)。本文首先介紹了鐵基超導(dǎo)材料的典型結(jié)構(gòu)與基本超導(dǎo)特性，接著以粉末裝管工藝流程為主線，從影響鐵基線帶材臨界電流密度的關(guān)鍵因素：相純度、晶界弱連接以及致密度等方面入手，詳細(xì)評(píng)述了國(guó)內(nèi)外鐵基超導(dǎo)線帶材制備的最新研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，分析當(dāng)前研究中存在的問題，并提出進(jìn)一步改善傳輸性能的可能對(duì)策，最后對(duì)鐵基超導(dǎo)材料的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

線帶材；上臨界磁場(chǎng)；臨界電流密度；轉(zhuǎn)變溫度；各向異性；弱連接效應(yīng)；致密度；粉末裝管法；高場(chǎng)應(yīng)用

目錄

I.前言 1

II.鐵基超導(dǎo)體的基本性質(zhì) 2

A.臨界轉(zhuǎn)變溫度 2

B.上臨界磁場(chǎng) 2

C.臨界電流密度 3

III.鐵基超導(dǎo)線帶材研究進(jìn)展 4

A.粉末裝管法 4

B.載流性能提高研究 5

1.122線帶材 5

2.1111線帶材 6

3.11線帶材 7

C.線帶材實(shí)用化制備研究 7

D.涂層導(dǎo)體 8

IV.結(jié)語(yǔ)與展望 8

致謝 9

9

I.前言

2008年2月，日本東京工業(yè)大學(xué)的Hosono研究小組在LaFeAsO1?xFx化合物中發(fā)現(xiàn)了高達(dá)26 K的超導(dǎo)電性[1]，隨后一系列不同結(jié)構(gòu)的鐵基超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度迅速被提高到55 K[2?7]。國(guó)際超導(dǎo)界認(rèn)為這是繼1986年的銅氧化物超導(dǎo)體、2001年的二硼化鎂超導(dǎo)體之后的又一類重要超導(dǎo)體系。由于其具有臨界轉(zhuǎn)變溫度高、各向異性較小以及上臨界場(chǎng)極高等優(yōu)點(diǎn)，被美國(guó)《科學(xué)》雜志譽(yù)為目前最有發(fā)展前景的新型高溫超導(dǎo)體之一[8]，在高場(chǎng)領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[9]，如核磁共振成像系統(tǒng)(MRI)、核磁共振譜儀(NMR)、超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)(SMES)以及高能物理加速器等。目前國(guó)際上關(guān)于鐵基超導(dǎo)材料的應(yīng)用研究持續(xù)升溫，重點(diǎn)是在鐵基線帶材和薄膜的制備研究領(lǐng)域[10?11]。

與銅氧化物超導(dǎo)體相似，鐵基超導(dǎo)體也具有相似的層狀結(jié)構(gòu)：含有 Fe和氮族元素 (P,As)或硫族元素 (S,Se,Te)按 1:1的原子比組成的超導(dǎo)電層，以及為導(dǎo)電層提供載流子的載流子層。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體大致可分為以下幾個(gè)體系：(1)“1111”體系：LnOFePn(Ln=La，Ce，Pr，Nd，Sm，Gd，Tb，Dy，Ho，Y；Pn=P，As)；(2)“122”體系：AEFe2As2(AE=Ba，Sr，K，Cs，Ca，Eu)和A1?xFe2?ySe2(A=K，Cs，Rb，Tl)；(3)“111”體系：AFeAs(A=Li，Na)；(4)“11”體系：FeSe和FeTe；(5)其它復(fù)雜體系：“42622”、“32522”體系等。其中，122、1111、111和11體系是研究較多的鐵基超導(dǎo)材料。目前已制備出的鐵基超導(dǎo)材料有單晶、多晶塊材、線帶材和薄膜。從應(yīng)用角度講，122體系是最有實(shí)用化前景的鐵基超導(dǎo)材料，也是當(dāng)前國(guó)際上的研究熱點(diǎn)[12?13]。

表I.鐵基超導(dǎo)體與其它超導(dǎo)體的基本性質(zhì)參數(shù)

II.鐵基超導(dǎo)體的基本性質(zhì)

在實(shí)用化超導(dǎo)材料中，臨界轉(zhuǎn)變溫度(Tc)、上臨界磁場(chǎng)(Hc2)和臨界電流密度(Jc)等三個(gè)重要的臨界參數(shù)決定著其最終性能，這三個(gè)值越大，其應(yīng)用范圍越廣。這里介紹幾種主要鐵基超導(dǎo)體的一些超導(dǎo)性質(zhì)，以便從實(shí)際應(yīng)用的角度去了解鐵基超導(dǎo)體有哪些優(yōu)勢(shì)和不足。

A.臨界轉(zhuǎn)變溫度

臨界轉(zhuǎn)變溫度定義為超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)的溫度。表I給出了當(dāng)前典型實(shí)用超導(dǎo)材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以及工作溫度范圍。在鐵基超導(dǎo)體家族中，含有氧和氟的1111型鐵基超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度最高，Tc高達(dá)55 K，該溫度處于銅氧化物超導(dǎo)體和MgB2超導(dǎo)體的Tc之間。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)溫度接近Tc時(shí)材料的超導(dǎo)電性會(huì)變得不穩(wěn)定，所以為了獲得較大電流或者較高磁場(chǎng)，超導(dǎo)材料的工作溫度都會(huì)低于Tc。另外，在有實(shí)用價(jià)值的鐵基超導(dǎo)材料中，“1111”體系的各向異性最大，γH=2～5。我們知道，對(duì)于各向異性較高的超導(dǎo)體來說，渦旋格子的熱波動(dòng)將使得該類超導(dǎo)材料的工作溫度趨于更低。

122體系的Tc與1111體系相比略低一些，其Tc約為38 K，接近MgB2的臨界溫度，這兩種材料都可以不依賴于液氦，所以可以運(yùn)行于中溫區(qū)。122體系的優(yōu)點(diǎn)是各向異性較小(1～2)，利于應(yīng)用，而且合成容易。11體系結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)變溫度較低(Tc～8 K)，它只能通過液氦來冷卻；111體系鐵基超導(dǎo)體在空氣中不穩(wěn)定，研究較少。

自從鐵基超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)之后，轉(zhuǎn)變溫度從最初的 26 K提高到了 55 K。隨后盡管發(fā)現(xiàn)了很多新型鐵基超導(dǎo)材料，但其臨界溫度始終沒有明顯提高。但是鐵基超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度究竟能達(dá)到多高，還是個(gè)未知數(shù)。其Tc能否獲得進(jìn)一步的突破，達(dá)到液氮溫區(qū)，令人期待。實(shí)際上，人們?cè)谔岣哞F基超導(dǎo)體的Tc方面進(jìn)行了各種嘗試，如盡管FeSe的轉(zhuǎn)變溫度低于10 K，但在高壓下可達(dá)到37 K[14]、 經(jīng)過插層可進(jìn)一步提高到40 K[15?16]。最近生長(zhǎng)在SrTiO3襯底上單層FeSe薄膜的Tc已超過65 K[17]、甚至還發(fā)現(xiàn)達(dá)到100 K的跡象[18]。

B.上臨界磁場(chǎng)

上臨界場(chǎng) Hc2是將超導(dǎo)體中超導(dǎo)電性完全壓制的磁場(chǎng)強(qiáng)度，是超導(dǎo)材料最重要的參數(shù)之一。在第II類超導(dǎo)體中，當(dāng)磁場(chǎng)進(jìn)一步增高到一定的值以后（實(shí)際上是不可逆磁場(chǎng) Hirr），超導(dǎo)體就會(huì)逐漸喪失低損耗傳輸能力。Hc2與相干長(zhǎng)度（ξ）之間的關(guān)系可以用Ginzburg-Landau公式表示：Hc2=?0/(2πξ2)。很明顯看出，上臨界場(chǎng)越大，相干長(zhǎng)度越小。對(duì)于一種實(shí)用超導(dǎo)材料，如銅氧化物超導(dǎo)體、二硼化鎂和鐵基材料，其上臨界場(chǎng)和臨界電流的大小直接決定著超導(dǎo)體應(yīng)用的范圍。因此，高臨界電流和高臨界磁場(chǎng)是決定超導(dǎo)材料應(yīng)用的前提。

圖 1為幾種主要實(shí)用超導(dǎo)材料的溫度–磁場(chǎng)相圖[19]。由于受到上臨界場(chǎng) Hc2的限制，不同超導(dǎo)材料能夠產(chǎn)生的最大磁場(chǎng)通常為其Hc2的0.75倍。因此，亟待需要研發(fā)臨界電流和臨界磁場(chǎng)均能夠滿足新一代NMR、加速器、科學(xué)研究或核聚變磁體等應(yīng)用要求的新型超導(dǎo)材料。MgB2的臨界溫度雖然也較高，但由于其Hc2較低，無法產(chǎn)生高磁場(chǎng)，其應(yīng)用定位為中溫低場(chǎng)應(yīng)用，如在15～25 K制冷機(jī)冷卻運(yùn)行、1～2 T磁場(chǎng)強(qiáng)度的基于MgB2醫(yī)用MRI系統(tǒng)上具有較大優(yōu)勢(shì)；而鐵基超導(dǎo)和銅氧化物超導(dǎo)體在4.2 K下其上臨界場(chǎng)能夠達(dá)到50～100 T或者更高。特別是122體系鐵基超導(dǎo)體，即使在20 K時(shí)，Hc2也高達(dá)70 T，其在中低溫高場(chǎng)領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用前景。

對(duì)實(shí)際應(yīng)用而言，各向異性γH也是一個(gè)需要考慮的重要參數(shù)，γH越小越好。值得一提的是鐵基超導(dǎo)體的上臨界場(chǎng)的各向異性普遍較小，在低溫下“11”和“122”系的鐵基超導(dǎo)體甚至已經(jīng)達(dá)到了各向同性[20]，這就使得鐵基超導(dǎo)體比銅氧化物超導(dǎo)體有著更強(qiáng)的磁通釘扎能力。超導(dǎo)體的各向異性會(huì)隨著溫度的升高而升高，盡管當(dāng)溫度接近Tc時(shí)，鐵基超導(dǎo)體的各向異性約為3，但仍遠(yuǎn)小于ReBCO涂層導(dǎo)體(≈5)和Bi系超導(dǎo)帶材(≈50)[21]。

圖1.鐵基超導(dǎo)體與其它超導(dǎo)材料的臨界磁場(chǎng)–溫度相圖[19]

C.臨界電流密度

我們知道，在高質(zhì)量超導(dǎo)材料中 Jc一般占拆對(duì)臨界電流 Jd的 10～20%，Jd屬于材料的本征特性，可以通過相干長(zhǎng)度 ξ和朗道穿透深度 λ計(jì)算得到[13,22?23]，具體公式為其中Φ0是磁通量子，μ0是真空中的磁導(dǎo)率。0 K下，銅氧化物超導(dǎo)體的Jd能夠達(dá)到3×108A/cm2，Nb3Sn為1.8×108A/cm2，MgB2為2×108A/cm2。計(jì)算可知，鐵基超導(dǎo)體中SmFeAsO1?xFx和Ba-122同樣能夠達(dá)到1.7×108A/cm2[13]。這表明和其它幾種實(shí)用超導(dǎo)材料一樣，鐵基超導(dǎo)體具有非常大的本征臨界電流。實(shí)際上自從發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體后，人們很快發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)單晶樣品中普遍具有很高的臨界電流密度（Jc），1111和122單晶在4.2 K下的Jc都在106A/cm2以上，即使 11單晶也超過了 105A/cm2，而且在低溫下不依賴于磁場(chǎng)[24?25]。進(jìn)一步研究表明Ba-122單晶具有很大的磁通釘扎勢(shì) U0/KB，在 0.1 T下釘扎勢(shì)高達(dá)9100 K（H//ab），遠(yuǎn)高于Bi-2212和YBCO單晶[26]；而且隨著外加磁場(chǎng)的增加，釘扎勢(shì)衰減非常緩慢，這說明鐵基超導(dǎo)體具有非常強(qiáng)的本征磁通釘扎力。此外，在低溫下，對(duì)于Sm-1111[25]和Ba-122單晶[27]，沿不同方向施加的磁場(chǎng)對(duì)臨界電流密度的影響效果相近，沿c軸的臨界電流密度和沿ab軸的臨界電流密度相差不大，分別為 2.5和 1.5，這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)小于銅氧化物YBCO單晶的各向異性(10～50)[28]。再次證明鐵基超導(dǎo)體的各向異性較小，這對(duì)制備強(qiáng)電應(yīng)用的鐵基超導(dǎo)材料十分有利。

盡管銅氧化物高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)突破了77 K的液氮溫度大關(guān)，但隨后的研究表明它們是極端的第II類超導(dǎo)體，超導(dǎo)相干長(zhǎng)度ξ非常?。ㄒ姳鞩），常規(guī)超導(dǎo)體中的一些有效磁通釘扎中心在銅氧化物超導(dǎo)體中不再有效，磁通釘扎能力較弱，磁通蠕動(dòng)顯著，大大限制了這些材料的臨界電流密度。由于高溫超導(dǎo)體的 ξ值小，小尺度釘扎中心（如點(diǎn)缺陷，位錯(cuò)等）就顯得十分重要，而大的晶體缺陷將成為弱連接。弱磁通釘扎能力和晶界弱連接是制約其Jc的兩個(gè)主要因素，也使得高性能長(zhǎng)帶材的制備成本非常高，嚴(yán)重阻礙了銅氧化物高溫超導(dǎo)體的推廣應(yīng)用。

磁通釘扎屬于材料的非本征特性，可以通過適當(dāng)引入缺陷的方法來提高磁通釘扎能力。這點(diǎn)非常重要，因?yàn)榇罅酷斣行牡囊肟梢杂行岣叽艌?chǎng)下的臨界電流密度。與銅氧化物超導(dǎo)體不同，鐵基超導(dǎo)體對(duì)摻雜不敏感，可以容忍更多缺陷，因此在鐵基超導(dǎo)體中引入有效釘扎中心要相對(duì)容易。引入缺陷的方法有很多種，比如通過輻照、引入納米顆粒或納米棒、改變局部化學(xué)配比等等[29?32]。此外，采用Au離子或中子等重離子輻照引入缺陷[33]，可以進(jìn)一步提高釘扎，而不降低臨界轉(zhuǎn)變溫度。

由于實(shí)用超導(dǎo)體的相干長(zhǎng)度一般在幾個(gè)納米左右，因此這些超導(dǎo)材料的臨界電流密度對(duì)微觀結(jié)構(gòu)極為敏感，除了雜相、孔洞和微裂紋外，一些能量較高的晶界也成為限制多晶超導(dǎo)材料臨界電流密度的重要因素。尺寸超過相干長(zhǎng)度的高能晶界會(huì)極大削弱晶界兩邊超導(dǎo)晶粒之間的耦合作用，往往形成約瑟夫森結(jié)而制約超導(dǎo)電流的傳輸。特別是在制備成超導(dǎo)線帶材以后，晶粒間的弱連接往往使得超導(dǎo)電流無法通過。因此，一種超導(dǎo)材料能否實(shí)用化，除提高磁通釘扎外，改善晶粒連接性也是至關(guān)重要的。

在銅氧化物超導(dǎo)體中本征的晶界弱連接效應(yīng)會(huì)極大降低超導(dǎo)電流[34]。所謂“晶界弱連接”是指電流在超導(dǎo)材料內(nèi)流通時(shí)，晶界夾角的大小會(huì)影響電流的傳輸。當(dāng)晶界角較小時(shí)，傳輸電流基本不受影響；而當(dāng)晶界角超過臨界角時(shí)，超導(dǎo)材料的晶間電流密度呈指數(shù)急劇衰減，如圖2所示[35]。當(dāng)YBCO晶界角從3?增大到45?時(shí)，晶界的載流能力從106～107A/cm2急劇下降約四個(gè)數(shù)量級(jí)，到102～103A/cm2，表現(xiàn)出顯著弱連接效應(yīng)，因此必須采用雙軸織構(gòu)薄膜工藝，才能減小大角晶界對(duì)傳輸電流的影響[34]，這樣也使得這種技術(shù)步驟繁雜，成本較高。鐵基超導(dǎo)體的晶界載流能力雖然隨著晶界角的增大有所降低，但影響不大。當(dāng)晶界角由9?增加到45?時(shí)，臨界電流密度下降僅1個(gè)數(shù)量級(jí)，而在9?以內(nèi)臨界電流密度幾乎不變。由此可見，122鐵基超導(dǎo)體晶界弱連接效應(yīng)的臨界角約為9?，遠(yuǎn)大于YBCO超導(dǎo)體中的3～5?[35]。與銅氧化物超導(dǎo)體相比，鐵基超導(dǎo)體的晶界弱連接效應(yīng)要小得多，對(duì)晶界角的容忍度也更強(qiáng)，所以能夠采用成本較低的粉末裝管法制備線帶材，應(yīng)用前景更為樂觀。

表 I還列出了鐵基超導(dǎo)體、銅氧化物超導(dǎo)體、MgB2及低溫超導(dǎo)體的一些基本超導(dǎo)性質(zhì)?？梢钥闯鲨F基超導(dǎo)體具有諸多優(yōu)點(diǎn)：不同于銅氧化物超導(dǎo)體的d波對(duì)稱，鐵基超導(dǎo)體的序參量為s波對(duì)稱，理論上其晶界載流能力更強(qiáng)；鐵基超導(dǎo)體各向異性γH很?。?-2,122體系）且對(duì)摻雜量不敏感，而YBCO超導(dǎo)體的各向異性γH約為5～7且對(duì)摻雜量極為敏感；鐵基超導(dǎo)體上臨界場(chǎng)可高達(dá)100～200 T，遠(yuǎn)高于MgB2和低溫超導(dǎo)體,即使在～20 K下其上臨界場(chǎng)也達(dá)到70 T，而且臨界電流密度在高磁場(chǎng)下具有非常弱的衰減特性?？傊?，鐵基超導(dǎo)體的很多屬性介于低溫超導(dǎo)體和高溫銅基氧化物超導(dǎo)體之間，也綜合了二者的許多優(yōu)點(diǎn)。鐵基超導(dǎo)體具有較高的臨界轉(zhuǎn)變溫度，極高的上臨界場(chǎng)，同時(shí)又具有較小的各向異性，晶界載流能力較強(qiáng)，這些優(yōu)越的屬性使得鐵基超導(dǎo)體成為高場(chǎng)應(yīng)用的最佳候選材料之一。

圖 2.122鐵基超導(dǎo)體的晶間臨界電流密度與晶界角的關(guān)系[35]

III.鐵基超導(dǎo)線帶材研究進(jìn)展

對(duì)于超導(dǎo)材料而言，要進(jìn)行大規(guī)模強(qiáng)電應(yīng)用，如制造超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁體、核磁共振成像以及核聚變裝置等，就必須先制備出成百上千米長(zhǎng)的線帶材，這是鐵基超導(dǎo)材料走向?qū)嶋H應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于鐵基超導(dǎo)材料硬度高且具有脆性，難以塑性變形加工，傳統(tǒng)的粉末裝管法成為首選的技術(shù)途徑；另外鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)電流在通過大角度晶界時(shí)受到的衰減相對(duì)較小，這一優(yōu)良特性也使得人們可采用粉末裝管工藝進(jìn)行鐵基線帶材的制備。接下來我們主要介紹鐵基超導(dǎo)線帶材的PIT法制備工藝和國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，重點(diǎn)討論影響鐵基超導(dǎo)線帶材臨界電流密度的因素及相關(guān)制備技術(shù)等。

A.粉末裝管法

粉末裝管法（Powder-in-tube,簡(jiǎn)稱PIT法）是為加工塑性差的超導(dǎo)材料而設(shè)計(jì)的，由于工藝簡(jiǎn)單、成本較低，已廣泛應(yīng)用于Bi-2223和MgB2超導(dǎo)線帶材的商業(yè)化制備[21,36]。鐵基超導(dǎo)材料與Bi系超導(dǎo)材料的加工特性相似，并且鐵基超導(dǎo)材料還具有較小的各向異性，因此PIT法非常適合鐵基超導(dǎo)線帶材的制備研究。從實(shí)際應(yīng)用來看，PIT也是非常有吸引力的，它所使用的材料成本低而且機(jī)械加工工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

圖3.粉末裝管法制備鐵基超導(dǎo)線帶材的工藝流程

粉末裝管法的基本工藝流程是先將鐵基粉體原料裝入金屬管中，然后通過旋鍛、拉拔軋制等工藝后形成線材或帶材，最后對(duì)線帶材進(jìn)行熱處理，獲得連接性良好的超導(dǎo)線帶材，如圖3所示[10,12]。粉末裝管法可以分為原位法和先位法，前者是將先驅(qū)粉末均勻混合后裝入金屬管中，在拉拔軋制成線帶材后再通過燒結(jié)反應(yīng)形成超導(dǎo)相，后者則是將已燒結(jié)成超導(dǎo)相的粉末裝入金屬管中進(jìn)行加工。先位法的優(yōu)點(diǎn)在于其通過多次研磨–燒結(jié)工藝，可以獲得較高的相純度和致密度更高的超導(dǎo)芯，而原位法制備工序相對(duì)簡(jiǎn)單，但是只能進(jìn)行一次研磨混合，容易導(dǎo)致樣品成分不均勻。目前，PIT先位法已成為鐵基超導(dǎo)體實(shí)用化的研究重點(diǎn)，世界上多個(gè)課題組采用該工藝制備的線帶材傳輸 Jc在4.2 K、0 T下已超過105A/cm2[12]。

B.載流性能提高研究

2008年 4月，中科院電工所采用粉末裝管法率先在國(guó)際上制備出 La-1111鐵基超導(dǎo)線材[37]，該線材采用鐵管作為包套材料，臨界轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到25 K。2008年 6月和 2009年 2月又分別研制出臨界轉(zhuǎn)變溫度為 52 K的Sm-1111線材[38]和 35 K的國(guó)際首根122型鐵基超導(dǎo)線材[39]。磁化法測(cè)量結(jié)果表明超導(dǎo)芯的臨界電流密度，在5 K、0 T下，約為103A/cm2。2008年 8月，西南交通大學(xué)報(bào)道了 Sm-1111線材中晶內(nèi)臨界電流密度的峰值效應(yīng)，同時(shí)采用磁化法對(duì)晶間臨界電流密度進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示晶間臨界電流密度幾乎為零[40]。2009年6月，日本國(guó)立材料研究所(NIMS)制備了臨界轉(zhuǎn)變溫度為11 K的Fe(Se,Te)超導(dǎo)帶材[41]。這些工作為后來的鐵基超導(dǎo)線帶材的研究和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。早期采用粉末裝管法制備的鐵基線帶材往往存在著超導(dǎo)芯致密度低、雜相多、性能較差等問題，因此，研究者致力于采用各種新方法提高其磁場(chǎng)下的臨界電流密度。

1.122線帶材

在粉末裝管法中，超導(dǎo)線帶材需要經(jīng)過一定時(shí)間的高溫?zé)崽幚恚@要求所采用的包套材料應(yīng)盡量避免與超導(dǎo)芯發(fā)生反應(yīng)。早期采用Fe、Nb和Ta包套所制備的鐵基超導(dǎo)線材中都沒有測(cè)量到傳輸電流，主要是由于包套材料與超導(dǎo)芯之間出現(xiàn)了幾十微米厚的反應(yīng)層，阻礙了電流在界面處的傳輸[42]。而且由于As元素向包套中擴(kuò)散，超導(dǎo)芯成分發(fā)生較大偏差，容易生成孔洞和雜相，導(dǎo)致超導(dǎo)性能下降。電工所率先使用Ag管制備出 Sr0.6K0.4Fe2As2帶材，經(jīng)過900?C/35 h熱處理后，超導(dǎo)芯與銀之間未發(fā)現(xiàn)反應(yīng)層，成功解決了包套反應(yīng)的難題，從而在國(guó)際上首次測(cè)得了 122型鐵基超導(dǎo)帶材的傳輸電流[43]。雖然該帶材的傳輸 Jc在4.2 K和零場(chǎng)下只有500 A/cm2，但打破了鐵基線帶材沒有傳輸電流的僵局。隨后國(guó)外很多知名小組如日本NIMS、東京大學(xué)以及美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)等跟進(jìn)采用銀包套制備鐵基超導(dǎo)線帶材，都發(fā)現(xiàn)銀與鐵基超導(dǎo)相具有極好的相容性[44?46]。如果熱處理時(shí)間短，鐵管和銅管也是可考慮的包套材料[12]。

由于原位PIT法制備的鐵基線帶材超導(dǎo)芯中存在很多雜相且密度較低，為改善超導(dǎo)芯的質(zhì)量，電工所采用先位法大幅度提高了122線材超導(dǎo)芯的純度和致密度[47]，將樣品的臨界電流密度提高到3750 A/cm2，極大促進(jìn)了超導(dǎo)線帶材的發(fā)展。東京大學(xué)、意大利熱那亞大學(xué)和日本工業(yè)技術(shù)研究院(AIST)等課題組陸續(xù)采用先位PIT法制備出了銀包套122型線帶材，實(shí)際上先位法目前已經(jīng)成為主流的鐵基線帶材制備工藝。將超導(dǎo)圓線軋制成帶材是提高超導(dǎo)芯致密度，改善晶粒連接性的一種有效途徑，隨后的一大工藝突破是提出了軋制織構(gòu)方法，使122超導(dǎo)晶粒發(fā)生c軸織構(gòu)，抑制了大角 (＞9?)晶界的弱連接效應(yīng)，進(jìn)一步提高了122型鐵基超導(dǎo)線帶材的傳輸臨界電流密度，Jc達(dá)到104A cm?2以上[48?49]。

2011年初，電工所采用TEM/EELS等分析手段，發(fā)現(xiàn) 122多晶樣品的晶界中存在無定形層和富氧雜質(zhì)[50]，厚度約為10～40 nm，遠(yuǎn)大于鐵基超導(dǎo)體的相干長(zhǎng)度，顯然會(huì)阻礙超導(dǎo)電流的傳輸。所以降低材料制備中氧元素的引入，凈化晶界成為人們提高鐵基超導(dǎo)線帶材臨界電流密度的一個(gè)重要途徑。而采用Ag、Pb、Sn、Zn和In等元素?fù)诫s促進(jìn)了超導(dǎo)相的生成[49,51?52]，改善了晶粒間的耦合，有效提高了晶粒連接性，鐵基線帶材的傳輸性能獲得了很大提高。在122體系樣品中，過量鉀添加可有效地提高臨界電流密度，同時(shí)過量的鉀幾乎不對(duì)其臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc產(chǎn)生影響[53]。研究表明鉀摻雜可提高樣品的位錯(cuò)缺陷密度，相應(yīng)增強(qiáng)了其磁通釘扎能力。這些摻雜開拓性工作的開展，豐富了人們對(duì)122型鐵基超導(dǎo)體性能提高機(jī)制的理解。2011年日本NIMS采用銀作為添加劑，制備了 Jc約為 104A/cm2的 Ba-122線材[44]。最近美國(guó)橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室制備出不含砷的Ba(NH3)Fe2Se2線材[54]，其Tc=16 K，雖然相應(yīng)塊材具有很大的磁化電流，不過傳輸Jc在4.2 K時(shí)僅為1000 A/cm2。

雖然 PIT制備的 122帶材性能提高很快，微觀結(jié)構(gòu)研究表明超導(dǎo)芯中仍然存在大量的細(xì)小孔洞和微裂紋，因此，提高鐵基超導(dǎo)芯的致密度也是一種非常重要的提高Jc方法。實(shí)際上在美國(guó)AMSC公司制備的Bi-2223帶材中，粉末裝管密度一般為60～70%，超導(dǎo)芯密度也只有理論75%左右，嚴(yán)重限制了電流的傳輸。美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)將銀包套Ba-122線材與銅外包套復(fù)合加工成圓線后，在600?C、192 MPa下進(jìn)行熱等靜壓燒結(jié)，其線材的臨界電流密度達(dá)到 8.5×103A/cm2(4.2 K,10 T)[46]，比拉拔后常壓下熱處理的線材提高了約一個(gè)數(shù)量級(jí)。電流提高的原因主要?dú)w結(jié)于：使用192 MPa的熱等靜壓法可以得到近100%致密度的超導(dǎo)芯，大大提高了線材的晶粒連接性，而常壓制備的線帶材致密度一般只有70～80%。隨后日本東京大學(xué)也采用熱等靜壓法制備了Sr-122線材，其臨界電流密度超過104A cm?2(4.2 K,10 T)[55]?？梢钥闯鰺岬褥o壓法是制備鐵基超導(dǎo)圓線的有效工藝，但是還需要優(yōu)化制備過程，進(jìn)一步提高其傳輸性能。另外，澳大利亞Wollongong大學(xué)發(fā)現(xiàn)靜水壓力法可有效增加鐵基超導(dǎo)體的晶粒連接性和釘扎密度，從而大幅度提高了臨界電流密度[56]。

中科院電工所對(duì)Sr-122帶材的冷壓工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)冷壓能夠進(jìn)一步提高帶材超導(dǎo)芯的致密度[57]。日本 NIMS通過采用軋制–冷壓與多次熱處理相結(jié)合的工藝，提高帶材的致密度以及改變裂紋的形成方向，從而得到高傳輸Jc的Ba-122超導(dǎo)帶材，隨后通過不銹鋼/銀復(fù)合包套和冷壓工藝相結(jié)合的方法制備 Ba-122帶材[58]，傳輸 Jc約為 9.0×104A/cm2(4.2 K和10 T)；但是他們的帶材很厚(～0.95 mm),而且超導(dǎo)芯與橫截面的比例過小，從而導(dǎo)致工程電流密度過低，不利于應(yīng)用。

2014年，電工所采用熱壓法制備出高致密度 Ag包套Sr-122超導(dǎo)帶材。熱壓后超導(dǎo)芯的致密度大幅度提高，晶粒發(fā)生扭曲，同時(shí)有效消除了拉拔軋制等機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的微裂紋，首次將122型鐵基超導(dǎo)帶材的臨界電流密度提高至105A cm?2(4.2 K,10 T)的實(shí)用化水平[59]，如圖4所示。相比于壓力條件的變化，熱壓溫度更能影響帶材的厚度和截面積。隨著熱壓溫度的增加，晶粒擇優(yōu)取向和連接性也逐漸增強(qiáng)。載流性能最好的Sr-122樣品的臨界傳輸電流密度在10 T和14 T下分別高達(dá)1.2×105A/cm2和105A/cm2[60]。這是目前國(guó)際關(guān)于鐵基超導(dǎo)線帶材文獻(xiàn)中報(bào)道的最高紀(jì)錄值，展示出122型鐵基超導(dǎo)體在高場(chǎng)領(lǐng)域的良好應(yīng)用前景。

2.1111線帶材

目前，采用PIT法已成功制備出1111體系、122體系和11體系線帶材。與發(fā)展迅速的高性能122體系相比，1111體系和11體系線帶材在磁場(chǎng)下的傳輸Jc較差，一般要低 2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，見圖5[13]。這主要是因?yàn)?111體系所含元素多，合成溫度高達(dá)1200?C，特別是含有易燒損的 F元素，容易生成雜相。11體系也面臨成相困難這一問題，如很難除掉多余的鐵元素。

2010年，王雷等利用850–900?C的較低燒結(jié)溫度制備了 Ag包套 SmFeAsO0.7F0.3的超導(dǎo)線材，首次在 1111體系中檢測(cè)到傳輸電流 1300 A/cm2(4.2 K,自場(chǎng))[61]，經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)工藝后，傳輸 Jc提高到4600 A/cm2（4.2 K,自場(chǎng)）[62]。上述Sm1111樣品都是通過一次固態(tài)反應(yīng)合成的，這種方法的好處是樣品中 F含量偏差較小，缺點(diǎn)是樣品反應(yīng)不充分、成分不均勻、雜相多。隨后Fujioka等采用先位法制備 SmFeAsO1?xFx線材，傳輸 Jc也達(dá)到 4× 103A/cm2（4.2 K，自場(chǎng)）[63]。2013年，Wang等人利用短時(shí)高溫快燒工藝得到高性能的 Sn摻雜 Sm-1111帶材[64]，Sn的添加一定程度上減少了 F損失，傳輸 Jc在 4.2 K和 0 T下提高到 2.2×104A/cm2。Zhang等人采用錫添加預(yù)燒結(jié)工藝對(duì) 1111超導(dǎo)前驅(qū)粉進(jìn)行處理后再用于制備超導(dǎo)線帶材的新工藝，減少了晶間分布的 FeAs非晶相，進(jìn)一步增加了超導(dǎo)晶粒的連接性，所制備的超導(dǎo)帶材Jc被提高到3.45 ×104A/cm2（4.2 K，自場(chǎng)）[65]。最近還探索了一種 300?C下低溫常規(guī)燒結(jié)工藝，制備出了 Fe包套 SmFeAsO1?xFx帶材[66]，在 0.6 T、4.2 K下傳輸 Jc達(dá)到 1.8×104A/cm2。遺憾的是，上述樣品在外加6 T磁場(chǎng)下傳輸Jc就下降了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，只剩幾百A/cm2。這說明Sn的添加雖然有效改善了晶粒連接性，但這些連接本質(zhì)上仍是弱連接，無法在強(qiáng)磁場(chǎng)下承載大電流。要想進(jìn)一步提高磁場(chǎng)下的臨界電流，關(guān)鍵在于對(duì)樣品中F含量的精確控制。

圖4.熱壓制備的Sr-122鐵基超導(dǎo)線帶材的臨界電流密度

3.11線帶材

雖然 11體系鐵基超導(dǎo)材料的臨界溫度 Tc較低(FeSe,8 K)，但是超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且不含有毒的As元素，因此仍然有很多相關(guān)的研究報(bào)道。日本NIMS采用原位法結(jié)合退火擴(kuò)散的方法制備了Fe包套Fe(Se,Te)帶材，其傳輸Jc在4.2 K和零場(chǎng)下為12.4 A/cm2[41]。隨后采用先位PIT法制備了Fe(Se,Te)線材，將臨界電流密度提高至64 A/cm2[67]。通過優(yōu)化工藝和改進(jìn)擴(kuò)散法，他們又制備了多芯FeSe線材，其傳輸Jc在4.2 K和零場(chǎng)下分別為 588 A/cm2和 1027 A/cm2[68]。Palenzona等人采用高溫熔化法和再退火工藝得到臨界傳輸電流密度為 103A/cm2的 FeSe0.5Te0.5塊材[69]，而且傳輸Jc對(duì)外加磁場(chǎng)依賴性非常小，在7 T下仍有500 A/cm2，不過他們隨后制備的線帶材的Jc僅有400 A/cm2[70]。2014年，Izawa等人采用先位PIT法制備了鐵包套FeTe0.4Se0.6帶材，通過在525?C燒結(jié)處理實(shí)現(xiàn)了非超導(dǎo)相 Fe(Te0.4Se0.6)1.4向 FeTe0.4Se0.6超導(dǎo)相的轉(zhuǎn)變，使得磁化Jc達(dá)到3000 A/cm2(4.2 K, 0 T)[71]。最近東南大學(xué)采用先位 PIT法制備的鈮包套FeSe0.5Te0.5帶材，其臨界溫度為15.7 K，磁化臨界電流密度高達(dá)104A/cm2(5 K,0 T)[72]；而西北有色院通過高能球磨工藝獲得了均勻的先驅(qū)粉末，有效減少了δ-FeSe相在β-FeSe超導(dǎo)晶粒邊界上的聚集，從而提高了FeSe帶材的傳輸性能，在4.2 K,0 T條件下其Jc達(dá)到340 A/cm2[73]。

圖5.國(guó)內(nèi)外鐵基超導(dǎo)線帶材的傳輸Jc比較[13]

C.線帶材實(shí)用化制備研究

在鐵基超導(dǎo)帶材載流性能不斷提高的同時(shí)，其實(shí)用化制備研究也在不斷推進(jìn)。在線帶材的包套材料方面，為了在增強(qiáng)線帶材機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)降低銀的使用比例，高性能的不銹鋼/銀復(fù)合包套Ba-122軋制帶材和只采用純銅作為包套的 Sr-122帶材已成功制備[58,74]。在高場(chǎng)強(qiáng)電應(yīng)用中，為了防止磁通跳動(dòng)，減少交流損耗，必須使用復(fù)合在金屬基體中的多芯絲超導(dǎo)線帶材。電工所將單芯線進(jìn)行復(fù)合二次裝管，通過對(duì)鐵銀復(fù)合包套多芯結(jié)構(gòu)在線材成型加工工藝路線的探索和優(yōu)化，于2013年制備出國(guó)際首根高性能122型鐵基超導(dǎo)多芯線帶材[75]。經(jīng)熱壓工藝處理的7芯和19芯鐵基超導(dǎo)帶材在4.2 K，10 T下同樣展示出6.1×104和3.5×104A/cm2的高電流傳輸性能[59]。經(jīng)過優(yōu)化工藝，最近又研制出高性能114芯鐵基超導(dǎo)線帶材[76]，如圖6所示。另外，電工所和斯洛伐克Kovac研究組合作首次報(bào)道了Sr-122/Ag帶材的應(yīng)力應(yīng)變特性，發(fā)現(xiàn)其不可逆應(yīng)變?yōu)?.25%，和Bi-2212/Ag高溫超導(dǎo)線材相當(dāng)[77]。要想發(fā)展高場(chǎng)應(yīng)用，必須進(jìn)一步提高鐵基線帶材的力學(xué)性能，開發(fā)出高強(qiáng)度的鐵基超導(dǎo)多芯線帶材，因此，采用復(fù)合包套的方法可能是不錯(cuò)的選擇，如Cu/Ag、Fe/Ag、不銹鋼/Ag。

圖6.114芯鐵基超導(dǎo)線帶材截面圖

在獲得優(yōu)質(zhì)短樣的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高性能百米量級(jí)長(zhǎng)線的制備是新型鐵基超導(dǎo)材料走向規(guī)模應(yīng)用的必由之路。2014年電工所采用連續(xù)軋制工藝研制出長(zhǎng)度達(dá)11米的高性能Sr-122鐵基超導(dǎo)長(zhǎng)線[12]。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)制備過程中涉及的相組分與微結(jié)構(gòu)控制、界面復(fù)合體均勻加工等關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)研究[78?79]，解決了鐵基超導(dǎo)線規(guī)?；苽渲械木鶆蛐?、穩(wěn)定性和重復(fù)性等技術(shù)難點(diǎn)，于近日制備出了長(zhǎng)度達(dá)到115米的 7芯 Sr-122鐵基超導(dǎo)長(zhǎng)線[80]，如圖7所示，經(jīng)測(cè)試其載流性能表現(xiàn)出良好的均勻性和較弱的磁場(chǎng)衰減特性，在10特斯拉高磁場(chǎng)下的臨界電流密度超過1.2×104A/cm2(4.2 K)。國(guó)際首根100米量級(jí)鐵基超導(dǎo)長(zhǎng)線的成功研制，被譽(yù)為鐵基超導(dǎo)材料從實(shí)驗(yàn)室研究走向產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的里程碑，奠定了鐵基超導(dǎo)材料在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、國(guó)防等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)。

D.涂層導(dǎo)體

眾多研究組對(duì)高性能鐵基超導(dǎo)薄膜的制備進(jìn)行了大量研究，包括靶材燒制、基底選擇、鍍膜工藝及熱處理工藝等方面。薄膜生長(zhǎng)方法主要有PLD和MBE等，研究較多的鐵基材料有11、122和1111體系。目前所制備鐵基超導(dǎo)薄膜的臨界電流密度一般在5 K下達(dá)到106A/cm2[81?82]。在上述薄膜工作基礎(chǔ)上，基于強(qiáng)電應(yīng)用考慮，人們嘗試在YBCO用的金屬基帶上進(jìn)行涂層導(dǎo)體的制備。所用基帶主要分為兩大類：離子束輔助沉積(IBAD)和軋制輔助雙軸織構(gòu)化(RABiTS)基帶。

圖7.國(guó)際首根100米量級(jí)鐵基超導(dǎo)長(zhǎng)線

美國(guó) Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室沉積在 RABiTS基帶上的 Fe(Se,Te)薄膜性能優(yōu)異，在 4.2 K下，自場(chǎng)電流超過 1 MA/cm2，在 30 T磁場(chǎng)中仍然高達(dá)105A/cm2[83]。最近電工所在織構(gòu)度較差的IBADLaMnO3為緩沖層的哈氏合金帶上沉積了FeSe0.5Te0.5薄膜[84]，其Tc=～17 K,輸運(yùn)電流密度在9 T磁場(chǎng)下高達(dá)105A/cm2。多個(gè)研究組已經(jīng)在IBAD基帶上成功生長(zhǎng)了Co或P摻雜122薄膜[85?86]，測(cè)量到的面內(nèi)織構(gòu)度為 3～5?，獲得的 Jc值為 105～106A/cm2。1111體系中僅有用分子束外延在IBAD-MgO-Y2O3基帶上生長(zhǎng)NdFeAs(O,F)薄膜的報(bào)道[87]，薄膜有高度的c軸織構(gòu)，但面內(nèi)織構(gòu)很差，5 K自場(chǎng)中磁化Jc大約7×104A/cm2。

與PIT法制備的鐵基線帶材相比，鐵基超導(dǎo)涂層導(dǎo)體的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)并不明顯，這主要是由于涂層導(dǎo)體薄膜技術(shù)需要真空環(huán)境、工藝復(fù)雜、制造成本高。

IV.結(jié)語(yǔ)與展望

國(guó)內(nèi)外從事鐵基超導(dǎo)線帶材研究的主要單位為中科院電工所、日本NIMS、東京大學(xué)和AIST、美國(guó)Florida高場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室、意大利熱那亞大學(xué)、美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、澳大利亞Wollongong大學(xué)等。其中我國(guó)在高性能鐵基超導(dǎo)材料的研制中一直走在世界前列。目前鐵基超導(dǎo)材料研究已經(jīng)在載流性能顯著提高的基礎(chǔ)上進(jìn)入了實(shí)用化制備的快速發(fā)展階段，特別是百米量級(jí)鐵基長(zhǎng)線的成功研制為其在強(qiáng)電領(lǐng)域的示范應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

雖然鐵基超導(dǎo)線帶材的性能提高研究取得了很大的成功，臨界電流密度在 4.2 K、10 T下超過 105A/cm2，但是遠(yuǎn)未達(dá)到鐵基超導(dǎo)體的拆對(duì) Jc極限值 (～108A/cm2)，即使和鐵基薄膜或單晶的 Jc～106A/cm2相比也還有一定的差距，仍然存在很大的提升空間。因此，通過改善織構(gòu)度，或者引入有效釘扎中心[88]，進(jìn)一步提高其磁場(chǎng)下的臨界電流密度和磁通釘扎能力是這一領(lǐng)域的前沿性課題。從應(yīng)用角度來說，人們正在努力推動(dòng)鐵基超導(dǎo)材料向低成本、高強(qiáng)度和規(guī)?；较虬l(fā)展。

需要指出的一點(diǎn)是，盡管和鉍系氧化物超導(dǎo)體（Bi-2212和Bi-2223）一樣，鐵基超導(dǎo)材料可以采用相同的PIT工藝進(jìn)行制備，但是也有區(qū)別：鉍系線帶材的熱處理過程要求包套材料具有透氧特性，才能確保線帶材內(nèi)氧化物超導(dǎo)相的生成，由于銀包套具有優(yōu)良的透氧特性，因此制備鉍系超導(dǎo)線帶材必須使用銀或銀合金做包套材料；而122型鐵基超導(dǎo)體不含氧，其線帶材不受包套材料透氧特性的限制，從而擴(kuò)大了包套材料的選擇范圍，除銀包套之外，可以采用更為廉價(jià)的金屬材料，如銅、鐵、不銹鋼等[12]，這樣可大幅度降低鐵基超導(dǎo)線帶材的制造成本。

鐵基超導(dǎo)體（122和 1111體系）的轉(zhuǎn)變溫度為38～55 K，遠(yuǎn)高于NbTi和Nb3Sn等低溫超導(dǎo)體，即使在20 K溫度下，其上臨界磁場(chǎng)也高達(dá)70 T，另外還有強(qiáng)磁場(chǎng)下電流大、各向異性較小、可采用低成本粉末套管法制備等突出優(yōu)點(diǎn)，有望成為4.2～30 K溫區(qū)高場(chǎng)磁體應(yīng)用的主要實(shí)用超導(dǎo)材料，如用于制造運(yùn)行在4.2 K溫區(qū)、磁場(chǎng)強(qiáng)度超過20 T的超導(dǎo)磁體，市場(chǎng)潛力大。

致謝

感謝課題組姚超、黃河、徐中堂、劉世法、董持衡、張謙君、林鶴、王雷等在本文寫作中提供幫助。此外，也感謝R.Flukiger教授、聞?；⒔淌凇⑼跚锪佳芯繂T的有益討論。本研究獲得國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（批準(zhǔn)號(hào)：2011CBA00105）、國(guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：51320105015）、北京市科技計(jì)劃（批準(zhǔn)號(hào)：Z141100004214002）以及北京市“百名領(lǐng)軍人才”（批準(zhǔn)號(hào)：Z151100000315001）等項(xiàng)目的資助。

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Iron-based superconductors have ultrahigh upper critical felds with Hc2values exceeding 100 T and low anisotropy(e.g.＜2 for 122 type),making them potential candidates for high-feld applications,such as MRI,NMR and ultra-high feld magnets.Conventional powder-in-tube(PIT) method has been the most efective technique for fabricating iron-based superconducting(IBS) wires and tapes.The transport critical current density Jcof IBS wires and tapes has been rapidly increased in the recent years,the highest Jcvalues have now achieved over 105A/cm2(10 T and 4.2 K)in densifed and textured 122 tape samples.In August 2016,by a scalable rolling process,the world’s frst 100 meter-class iron-based superconducting wire was fabricated,which demonstrates the great potential in large-scale manufacture.Here we introduce basic properties of iron-based superconductors and review the latest achievements in the fabrication of conductors based on these materials.Finally,the future development and problems to be solved in this area are suggested.

Iron-based superconducting materials for high-feld applications

Ma Yan-Wei
Institute of Electrical Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China

Wires and tapes;Upper critical feld;Critical current density;Transition temperature;Anisotropy;Weak-linked behavior;Densifcation;Powder-in-tube;High-feld applications

O511+.3

A

10.13725/j.cnki.pip.2017.01.001

Received date:2016-11-23

*E-mail:ywma@mail.iee.ac.cn

1000-0542(2017)01-0001-12 1