【原】开发世界最细、直径15微米的超细MgB2超导线

Wsz6868 2022-12-01 发布于浙江

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开发世界最细、直径15微米的超细MgB2超导线 —通过利用液态氢冷热的超导应用设备的实用化，为减少温室效应气体的排放量做出贡献—

2022年11月29日 NEDO (国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构) 国立研究开发法人物质材料研究机构( NIMS ) 明兴双叶股份有限公司

在NEDO实施的“能源环境新技术领先研究计划”中，NIMS和明兴双叶(株)成功开发出了世界最细的超导线整体直径为15微米的超极细MgB2 (二硼化镁)超导线。关于构成导线的超导灯丝，直径为5.5微米，是超细的。化合物超导线一般都是易碎的，但是这次开发的超极细MgB2超导线，可以像铜线一样灵活处理，在改善缠绕在线圈等上的耐弯曲变形性，大幅降低因变动磁场引起的交流损失方面，取得了很大的进步。今后，如果通过采用本技术，加速小型且能够大输出的超导电机等的研究开发，将进一步接近搭载液态氢的电动飞机和超导发电机等超导应用设备的实用化，将来将为移动体领域的温室效应气体的排放量削减做出贡献。另外，关于这次的成果，NIMS将在11月30日(周三)的国际会议“the 35th international symposium on super conductivity ( ISS 2022 )”的邀请演讲中发表。

図1　650℃の反応熱処理後に作った結び目の電子顕微鏡の写真

图1 650℃反应热处理后打结的电镜照片

1．概要

为了实现2050年碳中和，现在正在推进氢社会的构筑。其中，将氢气在-253℃的极低温下液化而成的液态氢是能够高效储存和搬运氢的氢载体。另一方面，氢气返回常温气体使用时，向大气排放的-253℃的冷热被浪费了，因此能够有效利用该氢气冷热的技术开发对于提高能源效率和经济性是极其重要的。

超导相关技术就是这样的技术开发之一。在搭载液态氢的“电动飞机”和“超导发电机”中，小型且能够大输出的超导电机等的开发是必不可少的，因此，作为超导电机等的冷却用制冷剂，液态氢冷热的利用备受期待。作为实现超导电机的关键的超导导线，在液态氢温度下显示超导的“氧化物高温超导体”或“MgB2 (二硼化镁)超导体※1”被认为是候选，但(1)改善用于卷绕在线圈等上的耐弯曲应变性(可挠性)和(2)克服变动磁场引起的交流损失的大幅降低这两个课题是极其重要的，目前这两个问题都没有得到解决。

因此，为了克服这些课题，在NEDO (国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构) 2022年度的“能源环境新技术领先研究计划※2”(以下简称本事业)中，国立研究开发法人物质材料研究机构( NIMS )、明兴双叶株式会社致力于为构筑氢社会而开发利用氢冷热的超导相关技术。

如今，NEDO、NIMS、明兴双叶(株)成功开发出了世界最细的直径15微米的超细MgB2超导线，朝着克服上述两个课题取得了巨大的进步。另外，此次的成果是在11月30日(周三)、爱知县名古屋市召开的国际会议“the 35th international symposium on super conductivity ( ISS 2022 )※3”中，由NIMS的菊池章弘小组组长作为邀请演讲发表。

2．今回の成果

以往，MgB2超导线是通过将粉末填充到金属管中的方法制造的，但在本技术中，除此之外，还配合了用于线束※4和焊线※5等的超细金属线的最先进的拉丝加工技术，并进行了应用。由此，可以实现截面设计的最佳设计和拉丝加工参数的控制，大大更新了此前报告的MgB2超导线直径50微米的记录※6，成功实现了直径15微米的超极化。超极细线的直径(约20微米)以下，不仅作为MgB2超导线，作为由粉末和金属管构成的异种材料的复合线也是前所未有的。由此，MgB2超导线的可挠性大幅提高，可以像铜线一样灵活处理。而且，构成超导线的MgB2超导灯丝的直径约为5.5微米，非常细，交流损耗之一的磁滞损耗※7也大幅降低。这次，导线外皮的材质使用了铜( Cu )和镍( Ni )的合金蒙乃尔。另外，为了避免热处理时外皮的蒙乃尔和中央的MgB2超导体发生反应，在之间设置了铌( Nb )的扩散阻挡层(图2左)。拉丝加工后不久，中央的黑色部分是填充了镁( Mg )和硼( b )的混合粉末的状态，但通过在650℃左右的温度下进行热处理，Mg和b发生反应，成为MgB2超导体。从超导转变曲线也可以看出，临界温度约为34开尔文( k )时显示零电阻，为超导状态(图2右)。化合物超导线一般是易碎的，但此次开发的超极细MgB2超导线，具有直径约300微米左右可以打结的柔性，特性也没有大的恶化(图1 )。

图2直径15微米的超细MgB2超导导线截面和超导转变曲线
3．今後の予定

今后，本事业在追求进一步极细化的同时，还将致力于公里级的长尺寸化和进一步的特性改善等，并推进将多根超细MgB2超导线捆扎在一起的柔性大电流容量电缆的开发。由此，将加快超导电机等的开发，实现搭载液态氢的电动飞机和超导发电机等超导应用设备的实用化，为减少移动体领域的温室效应气体的排放量做出贡献。

【注釈】

※1 MgB2 (二硼化镁)超导体
J.Nagamatsu，N. Nakagawa，T. Muranaka，Y. Zenitani，J. Akimitsu，“二硼化镁在39 K下的超导性”，自然410 (2021) 63-64。
※2能源环境新技术先导研究计划
- 事业名称:超细MgB2超导线材的研制业务期间: 2022年度事业概要: PDF NEDO先导研究计划2022年度
※3　第35届国际超导研讨会(ISS2022)
- 摘要:将打开另一个窗口ISS2022主页会期: 11月29日(星期二)~12月1日(星期四)
※4　线束
是由用于电源供给和信号通信的多根细电线束、端子和连接器构成的集合部件。在汽车的车内配线等高性能且多功能的机械装置的内部遍布着很多。
※5　焊线
是连接半导体集成电路等电极和印刷电路板或封装电极的极细的金属线，使用导电性优异的金、银、铜、铝等。
※6　MgB2超导线直径50微米的记录
S.I. Schlachter，A. Frank，B. Ringsdorf，H. Orschulko，B. Obst，B. Liu，W. Goldacker，“MgB2管中粉末超导体的护套材料的适用性”，Physica C 445-448 (2006) 777-783。 A.Kikuchi，Y. Iijima，M. Yamamoto，M. Kawano，M. Otsubo，“超细超导复合导线和电缆”，发表于2022年应用超导会议(夏威夷会议中心，2022年10月23-28日)，演讲ID: 1MPo2D-06。
※7　磁滞损耗
外部磁场变化时，基于磁通钉扎的超导体磁化变化所引起的能量损失。
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