PAND — новая жидкофазная технология для получения оксидных покрытий ВТСП-2 проводов

Page 1
background image

Page 2
background image

«КАБЕЛЬ-news», № 3, 2011, www.kabel-news.ru

62

Актуально

ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄÈÌÎÑÒÜ

С

егодня общемировой задачей является 
разработка новых технологических реше-
ний, необходимых для обеспечения эффек-
тивной и высокотехнологичной энергетики. 

При этом в последние десятилетия чётко наблюда-
ются следующие тенденции в системе энергопотреб-
ления:
•  значительный рост потребления электроэнергии 

и необходимость увеличения передаваемой мощ-
ности по отдельным линиям электропередачи;

•  высокая стоимость земли и, как следствие, не-

обходимость использования компактных линий 
электропередачи;

•  повышенные требования к обеспечению надёж-

ности и управляемости работы электрических се-
тей;

•  жёсткие экологические требования. 

Все эти проблемы могут быть эффективно ре-

шены при применении современных кабельных сис-
тем электропередачи. Одним из наиболее плодот-
ворных подходов является внедрение сверхпроводя-
щих проводов и электротехнического оборудования 
на базе высокотемпературных сверхпроводниковых 
(ВТСП) материалов второго поколения (ВТСП-2 ма-
териалы).

Основным ограничением для массового внедре-

ния ВТСП-технологий является отсутствие эффек-
тивного производства ВТСП-2 проводов. Использу-
емые в настоящее время методы и подходы не по-
зволяют получить дешёвые провода, что и является 
ключевой причиной, по которой до сих пор нет су-
щественных сдвигов в области наращивания про-
мышленного производства. Производимые зару-
бежными компаниями ВТСП-2 провода использу-

ют энерго- и ресурсоёмкие технологии: импульсное 
лазерное осаждение (PLD), осаждение из паровой 
фазы (MOCVD), жидкофазная эпитаксия (LPE), раз-
ложение металлоорганических соединений (MOD) и 
другие. Стоимость производимых в настоящее вре-
мя ВТСП-2 проводов составляет более 200 долл. 
США за килоампер-метр (долл./кА-м). Большин-
ство экспертов соглашаются, что широкое коммер-
ческое применение ВТСП-провода будет возможно 
только при условии снижения их цены ниже стоимо-
сти меди для силовых кабелей (60 долл./кА-м), то 
есть в несколько раз меньше, чем сейчас.

Сегодня в РФ нет собственного производства 

ВТСП-2 проводов. Все без исключения разрабаты-
ваемые у нас ВТСП-системы и оборудование соз-
даются с использованием проводов зарубежного 
производства. Поэтому организация отечествен-
ного производства ВТСП-2 проводов является од-
ним из ключевых условий реализации общерос-
сийских приоритетных проектов энергосбереже-
ния и построения новой высокоэффективной энер-
гетики. Разработанная российскими учёными нано-
технология получения тонких и толстых функцио-
нальных покрытий из наночастиц (Polymer Assisted 
Nanoparticle Deposition — PAND) рассматривается в 
настоящее время как одна из наиболее перспектив-
ных для промышленного производства ВТСП-2 про-
водов.

В нанотехнологии PAND наночастицы наносятся 

на поверхность подложки с помощью специальных 
полимеров. Жидкофазный прекурсор нанотехноло-
гии PAND представляет собой водный золь из нано-
частиц, который готовят либо из нанопорошков вве-
дением наночастиц в водный раствор полимеров, 

PAND — новая жидкофазная 
технология для получения 
оксидных покрытий ВТСП-2 
проводов

Фатима ЧИБИРОВА, к.ф.-м.н., 

Джема ТАРАСОВА, к.х.н., ФГУП НИФХИ им. Л.Я. Карпова,

 Роман ЛУКАШЕВ, к.х.н., ОАО «Русский сверхпроводник»


Page 3
background image

«КАБЕЛЬ-news», № 3, 2011, www.kabel-news.ru

63

Актуально

ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄÈÌÎÑÒÜ

либо синтезом наночастиц в водном растворе поли-
меров. Синтезируемые в золях наночастицы имеют 
нанометровые размеры, что подтверждается дан-
ными просвечивающей электронной микроскопии 
(рис. 1).

лимеров помогает сохранить в нанесённом покры-
тии однородность распределения наночастиц в пре-
курсорном золе.

Стадии нанесения однородной наночастичной 

плёнки по нанотехнологии PAND схематически по-
казаны на рис. 2. Исходным материалом в нанотех-
нологии PAND является наночастично-полимерный 
водный золь, который готовится на первой стадии 
технологического процесса. Размер частиц в золе 
варьируется от 3—5 до 15—50 нм в зависимости от 
структурных и морфологических требований целе-
вого покрытия. Состав используемой полимерной 
смеси различается по набору используемых поли-
меров и готовится специально для каждого типа 
покрытия. При составлении рецептуры полимерной 
смеси учитывается характер взаимодействия меж-
ду молекулами полимеров и наночастицами разной 
природы, а также морфологические требования це-
левого покрытия. При комнатной температуре (RT) 
наночастицы и рыхлые клубки полимеров однород-
но распределены по всему золю, как показано на 
рис. 2. В нагретом до 30—90

о

С золе полимеры ме-

няют конформацию и объём, сжимаясь при нагре-
ве и переходя из рыхлого клубка в плотную глобу-
лу. Это свойство полимеров используется в нано-
технологии для сохранения однородного распреде-
ления наночастиц в золе при изменении концентра-
ции в результате упаривания, которое происходит в 
специальных условиях «бесконвекционного» нагре-
ва. В этих условиях полимерные глобулы в процес-

Рис. 1. Типичные микрофотографии наночастиц 

в золях

Отличительной особенностью получаемых по 

нанотехнологии PAND тонких и толстых покрытий 
является их структурная и пространственная одно-
родность. Структурная однородность покрытия за-
даётся структурной однородностью прекурсорных 
наночастиц. Пространственная однородность по-
крытия определяется однородностью распределе-
ния частиц в прекурсорных наночастичных водных 
золях. Применение в технологии специальных по-

Рис. 2. Блок-схема получения однородных спечённых и эпитаксиальных плёнок по PAND-технологии

золь CeO

2

  

 

     золь La(OH)

3


Page 4
background image

«КАБЕЛЬ-news», № 3, 2011, www.kabel-news.ru

64

Актуально

ÑÂÅÐÕÏÐÎÂÎÄÈÌÎÑÒÜ

се своего образования захватывают наночастицы 
из ближайшего окружения практически без наруше-
ния однородности их локального пространственно-
го распределения. При этом происходит вытеснение 
воды из гидрофобного объёма глобулы полимера и 
их объединение в единую полимерную систему, от-
делённую от воды, т.е. происходит расслоение в си-
стеме водного золя. Таким образом, после полного 
удаления воды из золя на подложке формируется 
однородный наночастично-полимерный слой, из ко-
торого в процессе соответствующей термообработ-
ки могут быть сформированы однородные покры-
тия разных типов: наночастичные, спечённые или 
эпитаксиальные.

С 2005 года на базе нанотехнологии PAND раз-

рабатывается технология нанесения буферных и 
сверхпроводящих YBCO- покрытий на текстури-
рованной Ni-W-ленте-подложке для производства 
сверхпроводящих проводов 2-го поколения. Начи-
налась данная работа совместно с Брукхевенской 
национальной лабораторией США и финансирова-
лась Министерством энергетики США (DOE) в рам-
ках программы IPP. В настоящее время работа про-
должается совместно с компанией «Русский сверх-
проводник» при финансовой поддержке корпора-
ции «Росатом».

Осуществляемая технологическая концепция 

основана на передаче текстуры (ориентированной 
кристаллической структуры), созданной в металли-
ческой ленте-подложке, слою сверхпроводника че-
рез буферные слои. На рис. 3 представлена одна из 
разработанных к настоящему времени архитектур 
сверхпроводящего провода 2-го поколения. Эта ар-
хитектура стала итогом большой работы, в процес-
се которой по нанотехнологии PAND был выращен 
целый ряд различных буферных слоёв. В архитек-
туре Ni-W/LZO/STO/YBCO были получены образцы 
YBCO-2 провода, которые показали значения плот-
ности критического тока jc ~ 106 А/см

2

. В плёнке 

YBCO толщиной 100 нм температура сверхпрово-
дящего перехода Т

пер.

 = 90 К. Полученные значения 

свидетельствуют о больших перспективах приме-
нения технологии PAND для получения буферных и 
сверхпроводящих слоёв для ВТСП-2 провода.

Преимуществом представленной технологии 

PAND, по сравнению с применяемыми в настоящее 
время методами получения буферных и сверхпро-
водящих слоёв для ВТСП-2 провода, является до-
ступность и низкая стоимость материалов. Также 
несомненными плюсами технологии являются про-
стота и технологичность процесса получения по-
крытия, возможность использования промышленно 
применяемого оборудования (при условии его до-
работки под созданные технологические решения), 
низкие нормы потребления энергоресурсов, высо-
кая экологичность (отсутствие вредных выбросов) 
и пр.

Предварительные оценки материальных затрат 

при производстве сверхпроводящего провода 2-го 
поколения в предложенной архитектуре (рис. 3) 
по технологии PAND показали, что себестоимость 
одного метра ВТСП-2 провода (при расчёте на тол-
щину слоя YBCO в 2 мкм) составит около 200 руб-
лей (без учёта Ni-W-ленты и трудозатрат) при ла-
бораторном уровне производства и 100—150 руб-
лей — при переходе на промышленный уровень. 
То есть себестоимость может быть снижена до 
30—50 долл./кА-м (при опытно-промышленном 
производстве, высокой степени автоматизации 
процессов и стоимости Ni-W-ленты 10—20 долл./
кА-м), что ниже стоимости меди для силовых кабе-
лей — 60 долл. за кА-м. Это требование к ВТСП-2 
проводам является ключевым для оценки пер-
спектив их реального широкомасштабного при-
менения. Таким образом, можно с уверенностью 
утверждать, что технология PAND имеет высокий 
потенциал применения в реальном процессе про-
изводства ВТСП-2.

Рис. 3. Архитектура сверхпроводящего провода 2-го поколения


Оригинал статьи: PAND — новая жидкофазная технология для получения оксидных покрытий ВТСП-2 проводов

Читать онлайн

О внедреним сверхпроводящих проводов и электротехнического оборудования на базе высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) материалов второго поколения (ВТСП-2 материалы).

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 3(78), май-июнь 2023

Ранговый анализ и ансамблевая модель машинного обучения для прогнозирования нагрузок в узлах центральной энергосистемы Монголии

Энергоснабжение / Энергоэффективность Цифровая трансформация / Цифровые сети / Цифровая подстанция Мировой опыт
Русина А.Г. Осгонбаатар Т. Матренин П.В.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»