今年年初，電工所應用超導重點實驗室副主任馬衍偉帶領研究組，采用粉末裝管法（Powder-in-tube，簡稱PIT法），在國際上率先制備出高性能的122型鐵基超導多芯線帶材。
在電工所“一三五”戰(zhàn)略規(guī)劃中，“超導與電工新材料及其應用”是五個重點培育方向之一，馬衍偉帶領研究組在鐵基超導線帶材的制備及性能研究中取得重要進展。
長年的科研積累讓馬衍偉獲得了多項殊榮，包括國家杰出青年基金獲得者、中科院“百人計劃”入選者、“新世紀百千萬人才工程”國家級人選等，他告訴《中國科學報》記者：“雖然我們的鐵基超導材料實用化研究領先了一步，如何不被超越還需要付出更多的努力。”
首根超導線材問世
2008年，日本科學家發(fā)現(xiàn)了一種鐵基超導材料，該材料目前最高的超導轉(zhuǎn)變溫度達到55 K，上臨界場超過100 T，在高場磁體中具有廣闊的應用前景。
在鐵基超導材料發(fā)現(xiàn)后，馬衍偉領導研究小組采用PIT法，首次成功研制出轉(zhuǎn)變溫度達25 K的鐵基鑭氧鐵砷線材，這是世界上第一個將鐵基新超導材料加工成超導線材的工作。
隨后，馬衍偉研究小組采用銀包套材料—摻雜改性—先位燒結(jié)等新工藝，解決了包套管與超導芯易反應、雜相多、密度低等難題，進一步提高了鐵基超導線帶材的臨界電流密度。
2011年，研究小組將軋制織構和化學摻雜相結(jié)合，有效抑制了鐵基超導體的弱連接問題，顯著提高了鐵基超導線帶材的載流能力，測得鐵基超導線帶材的臨界傳輸電流達到180安培，相應臨界電流密度超過25000安培每平方厘米，處于當時世界領先水平。
從第一根鐵基超導線材的傳輸電流零安培提高到180安培，馬衍偉研究小組只用了不到3年時間。
而在實際應用中，為了防止磁通跳躍，增強超導線載流穩(wěn)定性，必須使用具有多芯結(jié)構的超導線材。不久前，馬衍偉研究小組在不斷提高單芯鐵基超導線帶材性能的基礎上，開展了多芯鐵基超導線帶材的研制工作。
今年年初，馬衍偉研究小組以制備單芯線材所采用的PIT法為基礎，將單芯銀包套的線材進行二次裝管，克服了復合包套多芯結(jié)構在成型加工中的諸多困難，最終成功制備出了高性能鐵銀復合包套的七芯122型超導線帶材。“這是鐵基超導線帶材研制方面的一個重大突破，對于強電應用具有重要意義。”
一路走來，馬衍偉研究小組讓鐵基超導材料距離應用又近了一步，并且打敗了眾多的國際同行，取得了領先的地位。
從領先到精益求精
馬衍偉至今還記得研究小組于2008年研制出第一根鐵基超導線材，雖然得到國內(nèi)外同行的關注，但當時測得傳輸電流為0，這讓馬衍偉心里很清楚，這根鐵基超導線材并不合格。
2009年，馬衍偉帶領團隊在鐵基超導材料中加入銀作為添加劑，增強了超導材料的晶粒連接性，從而使鐵基超導線帶材的電流密度得到很大提升，首次測得每平方厘米1300安培的超導電流。
“雖然電流還是很小，但這說明我們在前進。”馬衍偉肯定地表示。隨后，團隊又陸續(xù)摻入新的添加劑，并進一步改進制備工藝，采用機械軋制方法使鐵基超導體晶粒有序排列，進一步提高了晶粒之間的耦合。
2011年，通過高分辨透射電子顯微術和電子能量損失譜等先進表征手段，研究小組首次直接觀測到122型鐵基超導體晶界中存在的富氧非晶層，并深入分析了其形成機理，為進一步提高鐵基超導線帶材的性能奠定了基礎。
繼2011年該團隊在線帶材臨界電流獲得重大突破后，2012年他們通過進一步優(yōu)化織構化鐵基超導帶材的制備工藝，再一次大幅度提高了超導電流，其臨界電流密度在10T的強磁場下達到17000安培，進一步證明了鐵基超導材料在強電應用上的巨大潛力。
如何保持不被超越
采訪中，馬衍偉多次提及鐵基超導材料的實用化研究在國際上炙手可熱，處于你追我趕的態(tài)勢，研究成果隨時可能被超越。雖然目前團隊的研究成果處于世界領先的地位，但競爭對手虎視眈眈，如果不抓緊下一步的研發(fā)，遲早將會落后于人。
在馬衍偉研究小組的實驗室里，記者仔細觀察了一根不到一米的金屬管通過軋制后逐漸變長的過程，雖然使用的是替代金屬管，而不是超導材料，但實驗室工作人員還是為記者很好地呈現(xiàn)了一幅鐵基超導線帶材料工藝的現(xiàn)場。
記者還發(fā)現(xiàn)，實驗室很多設備都是國產(chǎn)常見機器，原來這也是PIT法價格低廉的部分原因。
馬衍偉告訴記者，鐵基超導芯中存在的空洞、微裂紋、雜相、晶界處的非晶相和其他的一些晶體缺陷等，極大限制了材料中電流的傳輸，因此必須開發(fā)新方法和優(yōu)化熱處理的工藝，進一步減少雜相，提高超導相的純度，同時也可以使用冷壓法提高超導芯的致密度。
為此，研究小組下一步的工作重點是改進熱處理和軋制組織工藝，優(yōu)化長線的均勻性和整體性能、降低制作成本、提高熱穩(wěn)定性和機械性能，希望獲取具有實際應用價值的鐵基超導線帶材料。
這些均需要新的實驗來完成，馬衍偉向記者介紹，不久實驗室還將添置新的設備，以保證實驗的下一步工作進展順利。
