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