Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 [ 99 ] 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

ПОЛЯ, стабильностью во времени и пространственной однородностью так называемого замороженного магнитного поля сверхпроводящего соленоида, к 1990-м годам они сильно потеснили на рынке более дещевые томографы с резистивными или постоянными магнитами. Теперь ежегодно выпускается около 1000 сверхпроводниковых магниторезонансных томографов, и ежегодный объем их продаж превыщает 2 млрд долл.

Что касается сверхпроводниковых сепараторов и индуктивных накопителей, то они делают первые шаги на рынке. В СССР в свое время бьш создан объемно-градиентный магнитный сепаратор для обогащения бедных железистых кварцитов, в США - высокоградиентные сепараторы для прецизионной очистки каолина и сверхпроводниковые индуктивные накопители с запасенной энергией масштаба нескольких киловатт-часов, недавно установленные в системах бесперебойного обеспечения электропитания ответственных потребителей энергии. И все это стало возможным после заметного усовершенствования криогенной техники гелиевого уровня температур, произошедшего в последние годы.

Таким образом, итогом 40-летнего (1962-2002 гг.) развития сверхпроводниковой технологии гелиевого уровня температур стали вьщающие-ся результаты, полученные при создании уникальных электрофизических установок, и первые коммерческие успехи, однако эта технология не смогла существенно повлиять на облик промышленной электроэнергетики.

Положение радикально изменилось в 1986 г., когда бьши открыты высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) с критическими температурами перехода в сверхпроводящее состояние, быстро достигшими величин, заметно превышающих 77,3 К, т. е. температуру кипения жидкого азота при нормальном давлении. Появилась возможность вместо невозобновляемого и дорогого хладагента - жидкого гелия - использовать жидкий азот. Однако она могла быть реализована, если бы удалось разработать технологию технических ВТСП-материалов с необходимыми эксплуатационными качествами и приемлемой стоимостью. Между тем из-за очень плохих механических свойств ВТСП, являющихся по сути керамикой, создание технологии токонесущих элементов из ВТСП-материалов оказалось неизмеримо более сложной задачей, чем технологии сверхпроводящих обмоточных материалов гелиевого уровня температур. При создании устройств на основе ВТСП существует еще одно важное ограничение, связанное с сильными термодинамическими флуктуация-ми параметра порядка, обусловленными высокой степенью простран-

ственной анизотропии и низкими значениями корреляционной длины в этих веществах. Эти флуктуации не только разрушают сверхпроводимость, но и приводят к существенной модификации свойств материала в нормальном состоянии. Исследованию этих явлений посвящен проект, выполняемый в рамках раздела Магнитные и сверхпроводящие материалы (руководитель - проф., д. ф.-м. н. Д.В.Ливанов, Московский государственный институт стали и сплавов).

В настоящее время разрабатываются две конструкции ВТСП-кабелей, принципиально отличающиеся друг от друга, - с теплым и с холодным (т. е. находящимся при криогенных температурах) диэлектриком. В конструкции с холодным диэлектриком токонесущий элемент кабеля окружен коаксиальным сверхпроводящим слоем, предназначенным для экранирования магнитного поля. Диэлектрик, пропитанный жидким азотом, располагается между токонесущим элементом и внешним экранирующим слоем. Целью такой конструкции является устранение потерь на переменном токе, вызванных воздействием магнитного поля, создаваемого токами в соседних фазах, а также вихревыми токами, наведенными в металлических частях соседнего оборудования.

Кабели с теплым диэлектриком не содержат такого сверхпроводящего экранирующего слоя, поэтому их стоимость существенно ниже. Результатом использования этой конструкции является меньший расход сверхпроводящего материала и использование обычных изоляционных материалов в противоположность новым диэлектрикам, которые многим исследовательским группам приходится разрабатывать с нуля . Кроме того, поскольку кабель с теплым диэлектриком конструктивно сходен с обычным кабелем, то при его изготовлении, монтаже и соединении можно использовать многократно проверенные и надежные прежние технологии. Меньший диаметр ВТСП-кабеля с теплым диэлектриком позволяет использовать его в существующих линиях электропередач. Во многих случаях проводники соседних фаз могут быть без труда удалены на значительное расстояние друг от друга. За счет этого устраняется необходимость магнитного экранирования.

В настоящий момент технология керамических сверхпроводников все еще находится в стадии становления из-за частичной нестабильности оксидных ВТСП-материалов, их высокой хрупкости и анизотропии. Ленточные провода (рис. 8.18) изготавливаются сейчас в основном на основе соединения BijSrjCaCujO в серебряной оболочке (Bi-2212/Ag). Несмотря на относительно низкую критическую температуру этого соединения (около 90 К), его технологические свойства и достижимость








с?ч ния енП ? ПTsvTn л 1 Р ВТСП-материалов. Поперечные Г 0.2...0,25хЗ,0.,.3,5м2; диаметры круглых проводников 0,8... 1,0 мм- критическая плотность тока до 3x10 А-см-2; критическая температура до ШОК

ВЫСОКИХ плотностей критического тока в сильных магнитных полях при температурах 20...30 К превышают возможности всех освоенных НТСП-материалов при 4,2 К. Этот материал имеет реальную перспективу для применения в сверхпроводниковых устройствах с сильными магнитными полями при рабочих температурах вблизи температуры жидких водорода или неона.

Производятся также ленточные провода на основе соединения Bi2Sr2Ca2Cu30. в серебряной оболочке (Bi-2223/Ag). В настоящее время этот материал активно используется в разработках электротехнического оборудования. Он имеет критическую температуру 107 К, критическую плотность тока порядка 10 Ам при температуре 77,3 К и полях 1 Тл и менее, а с понижением рабочей температуры его характеристики существенно улучшаются. Стоимость этого материала около 100 долл. за 1 кА м. Рост масштабов его производства, совершенствование технологии и раскрытие потенциальньгх возможностей дают основание ожвдать, что в ближайшие годы его цена снизится до 10... 15 долл. за 1кА-м. Тогда высокотемпературные сверхпроводниковые устройства станут конкурентоспособными.

По-прежнему остро стоит задача совершенствования технологии материала Bi-2223/Ag в целях улучшения его механических свойств. Решению этой важнейшей задачи методами MPSC (Melt Process with Slow Cooling) и IMP (Isothermal Melt Processing посвящен проект в рамках раздела Магнитные и сверхпроводящие материалы (руководитель -ст. н. с, к. т. н. А. О. Комаров, Московский государственный институт стали и сплавов).

Начат выпуск массивных материалов на основе соединения УВа2Сиз07 (или NdBa2Cu307 ), которые в режиме замороженного поля конкурируют с такими постоянными магнитами, как Nd-Pe-B. Эти соединения очень перспективны для создания длинномерных токонесущих элементов с высокой плотностью тока (~10 А-м) при 77,3 К в полях до 5Тл.

В рамках раздела Магнитные и сверхпроводящие материалы (руководитель - проф., д. т. н. О. А. Кайбышев, Уфимский государственный авиационный технический университет и Институт проблем сверхпластичности металлов РАН) изучалось формирование кристаллографической структуры ВТСП-керамики УВа2Сиз07 при горячей деформации (кручение под давлением). Актуальность этой работы обусловлена острой практической потребностью в ВТС-керамиках с высокой плотностью критического тока.

В промышленности переход от низкотемпературных сверхпроводников к высокотемпературным несет в себе возможность повышения рабочих температур сверхпроводящих устройств вплоть до азотных, замены жидкого гелия на жидкий азот, очевидное упрощение системы криостатиро-вания и сокращение в сотни раз связанных с этим эксплуатационных расходов. Кроме того, ВТСП-устройство более устойчиво к внешним возмущениям, а криогенная система азотного уровня более надежна в эксплуатации.

Важным положительным фактором, позволяющим существенно упростить конструкцию высоковольтной изоляции, является высокая диэлектрическая прочность жидкого азота, сравнимая с диэлектрической прочностью трансформаторного масла.

Сильноточные сверхпроводниковые технологии ныне вышли на уровень, на котором при их использовании возможно создание нового поколения электроэнергетического оборудования, существенно превосходящего оборудование традиционного (резистивного) исполнения. Это достигается за счет более высокой эффективности, уменьшения в два-три раза массогабаритных показателей и соответственно материалоемкости и



энергозатрат на изготовление, повышения надежности и срока службы до требований электроэнергетики XXI столетия, качественных характеристик энергосистем, экологической безупречности сверхпроводникового электрооборудования, меньшей капитальной стоимости при массовом производстве и цене сверхпроводника, не превышающей 10...15 долл. за 1 кА м.

К настоящему времени прошли успешное испытание представительные образцы электротехнического оборудована в сверхпроводниковом исполнении, в первую очередь, на базе ВТСП-технологии: электромашины мощностью порядка мегавольт-ампер, трансформаторы мощностью до 1,5 MBА, участки кабельных линий электропередачи, рассчитанные на мощность до 440 MB А, и сверхпроводниковые токоограни-чители мегавольт-амперного диапазона. Учитывая накопленные ранее знания и опыт по созданию промышленных образцов электротехнического оборудования на основе НТСП-технологии, можно утверждать, что в течение первого десятилетия XXI в. начнется промышленное производство и освоение нового поколенрм сверхпроводникового электротехнического оборудования.

Объемная текстурированная ВТСП YBCO-керамика со структурой квазимонокристалла является перспективным материалом для использования в магнитных подвесах ряда электромеханических устройств - магнитных подшипниках, маховиковых накопителях энергии, электродвигателях.

На поиск оптимальных термических параметров направленной кристаллизации, обеспечивающих непрерывное разращивание кристалла по всему объему материала и получение массивных образцов для использования в магнитных подвесах, направлен проект в рамках раздела Магнитные и сверхпроводящие материалы (руководитель - доц., к. т. н. О. Л. Полущенко, Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана).

Принято считать, что при широкомасштабном промышленном использовании ВТСП сильнотоковые устройства с рабочей температурой Г = 77 К могут составить серьезную конкуренцию обычным гелиевым сверхпроводникам лишь в том случае, если стоимость изготовления ВТСП-проводов удастся понизить хотя бы до 10 долл. в расчете на килоампер метр (кА-м). Для сравнения: стоимость проводов из NbTi и НЬз5п примерно равна 1 и 8 долл/кА м соответственно.

Технические требования к ВТСП-проводам для различных сильноточных устройств представлены в табл. 8.18.

Устройство

А/см2

Магнитное поле,

Рабочая температура, К

Длина провода, м

Деформация,

Радиус скручивания, м

Стоимость, долл/кА- м

Ограничители

Ш1..105

0,1...3

20...77

1000

10...100

токов

Большие

20...77

1000

0,2. 0,3

0,05

моторы

Генераторы

4,..5

20...50

>1000

1000

Накопители

5...10

20...77

1000

(SMES)

Кабели

101..105

<0,2

65...77

100 на стренд

(в кабеле)

10...100

Трансфор-

0,1...0,5

65...77

10...10-

1000

маторы

Слаботочные технологии

Прикладная сверхпроводимость имеет и другую, не менее яркую с точки зрения возможных областей использования фань, чем рассмотренная выше, которая называется слаботочной прикладной сверхпроводимостью. В более приемлемом для неспециалистов варианте, когда не претендуют на полноту терминологического охвата, ее именуют сверхпроводниковой электроникой.

Еще до открытия ВТСП, в эру низкотемпературных сверхпроводников, исследования и разработки по сверхпроводниковой электронике успешно развивались. Причина тому - уникальные возможности, которые открьшо использование явления сверхпроводимости перед радиоэлектроникой (вьюокие, близкие к предельным достижимым чувствительность и точность измерительных средств, высокая добротность резонансных систем, миниатюризация многих ответственных устройств радиотехники и электроники), а также низкая материалоемкость этих устройств и скромные требования к мощностям охлаждающих систем. Как у нас в стране, так и за рубежом бьши разработаны и испытаны сверхчувствительные измерители магнитного потока, тока и напряжения, создан квантовый эталон Вольта, уникальные магнитометры и фадиентометры, приемники излучения, превосходящие самые совершенные полупроводнико-

Таблица 8.18. Требования к ВТСП-проводам для различных электротехнических устройств



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 [ 99 ] 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка