Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

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

Сегодня общемировой задачей является разработка новых технологических решений, необходимых для обеспечения эффективной и высокотехнологичной энергетики. При этом в последние десятилетия чётко наблюдаются следующие тенденции в системе энергопотребления:
• значительный рост потребления электроэнергии и необходимость увеличения передаваемой мощности по отдельным линиям электропередачи;
• высокая стоимость земли и, как следствие, необходимость использования компактных линий электропередачи;
• повышенные требования к обеспечению надёжности и управляемости работы электрических сетей;
• жёсткие экологические требования.

Все эти проблемы могут быть эффективно решены при применении современных кабельных систем электропередачи. Одним из наиболее плодотворных подходов является внедрение сверхпроводящих проводов и электротехнического оборудования на базе высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) материалов второго поколения (ВТСП-2 материалы).
Основным ограничением для массового внедрения ВТСП-технологий является отсутствие эффективного производства ВТСП-2 проводов. Используемые в настоящее время методы и подходы не позволяют получить дешёвые провода, что и является ключевой причиной, по которой до сих пор нет существенных сдвигов в области наращивания промышленного производства. Производимые зарубежными компаниями ВТСП-2 провода используют энерго- и ресурсоёмкие технологии: импульсное лазерное осаждение (PLD), осаждение из паровой фазы (MOCVD), жидкофазная эпитаксия (LPE), разложение металлоорганических соединений (MOD) и другие. Стоимость производимых в настоящее время ВТСП-2 проводов составляет более 200 долл. США за килоампер-метр (долл./кА-м). Большинство экспертов соглашаются, что широкое коммерческое применение ВТСП-провода будет возможно только при условии снижения их цены ниже стоимости 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 разрабатываемые у нас ВТСП-системы и оборудование создаются с использованием проводов зарубежного производства. Поэтому организация отечественного производства ВТСП-2 проводов является одним из ключевых условий реализации общероссийских приоритетных проектов энергосбережения и построения новой высокоэффективной энергетики. Разработанная российскими учёными нанотехнология получения тонких и толстых функциональных покрытий из наночастиц (Polymer Assisted Nanoparticle Deposition — PAND) рассматривается в настоящее время как одна из наиболее перспективных для промышленного производства ВТСП-2 проводов.
В нанотехнологии PAND наночастицы наносятся на поверхность подложки с помощью специальных полимеров. Жидкофазный прекурсор нанотехнологии PAND представляет собой водный золь из наночастиц, который готовят либо из нанопорошков введением наночастиц в водный раствор полимеров, либо синтезом наночастиц в водном растворе полимеров. Синтезируемые в золях наночастицы имеют нанометровые размеры, что подтверждается данными просвечивающей электронной микроскопии (рис.1).

Отличительной особенностью получаемых по нанотехнологии PAND тонких и толстых покрытий является их структурная и пространственная однородность. Структурная однородность покрытия задаётся структурной однородностью прекурсорных наночастиц. Пространственная однородность покрытия определяется однородностью распределения частиц в прекурсорных наночастичных водных золях. Применение в технологии специальных полимеров помогает сохранить в нанесённом покрытии однородность распределения наночастиц в прекурсорном золе.

Стадии нанесения однородной наночастичной плёнки по нанотехнологии PAND схематически показаны на рис. 2. Исходным материалом в нанотехнологии 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 целевого покрытия. Состав используемой полимерной смеси различается по набору используемых полимеров и готовится специально для каждого типа покрытия. При составлении рецептуры полимерной смеси учитывается характер взаимодействия между молекулами полимеров и наночастицами разной природы, а также морфологические требования целевого покрытия. При комнатной температуре (RT) наночастицы и рыхлые клубки полимеров однородно распределены по всему золю, как показано на рис. 2. В нагретом до 30—90°С золе полимеры меняют конформацию и объём, сжимаясь при нагреве и переходя из рыхлого клубка в плотную глобулу. Это свойство полимеров используется в нанотехнологии для сохранения однородного распределения наночастиц в золе при изменении концентрации в результате упаривания, которое происходит в специальных условиях «бесконвекционного» нагрева. В этих условиях полимерные глобулы в процессе своего образования захватывают наночастицы из ближайшего окружения практически без нарушения однородности их локального пространственного распределения. При этом происходит вытеснение воды из гидрофобного объёма глобулы полимера и их объединение в единую полимерную систему, отделённую от воды, т.е. происходит расслоение в системе водного золя. Таким образом, после полного удаления воды из золя на подложке формируется однородный наночастично-полимерный слой, из которого в процессе соответствующей термообработки могут быть сформированы однородные покрытия разных типов: наночастичные, спечённые или эпитаксиальные.
С 2005 года на базе нанотехнологии PAND разрабатывается технология нанесения буферных и сверхпроводящих YBCO-покрытий на текстурированной Ni-W-ленте-подложке для производства сверхпроводящих проводов 2-го поколения. Начиналась данная работа совместно с Брукхевенской национальной лабораторией США и финансировалась Министерством энергетики США (DOE) в рамках программы IPP. В настоящее время работа продолжается совместно с компанией «Русский сверхпроводник» при финансовой поддержке корпорации «Росатом».
Осуществляемая технологическая концепция основана на передаче текстуры (ориентированной кристаллической структуры), созданной в металлической ленте-подложке, слою сверхпроводника через буферные слои. На рис. 3 представлена одна из разработанных к настоящему времени архитектур сверхпроводящего провода 2-го поколения. Эта архитектура стала итогом большой работы, в процессе которой по нанотехнологии PAND был выращен целый ряд различных буферных слоёв. В архитектуре Ni-W/LZO/STO/YBCO были получены образцы YBCO-2 провода, которые показали значения плотности критического тока jc ~ 106 А/см2. В плёнке YBCO толщиной 100 нм температура сверхпроводящего перехода Тпер. = 90 К. Полученные значения свидетельствуют о больших перспективах применения 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 сверхпроводящих слоёв для ВТСП-2 провода, является доступность и низкая стоимость материалов. Также несомненными плюсами технологии являются простота и технологичность процесса получения покрытия, возможность использования промышленно применяемого оборудования (при условии его доработки под созданные технологические решения), низкие нормы потребления энергоресурсов, высокая 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 толщину слоя YBCO в 2 мкм) составит около 200 рублей (без учёта Ni-W-ленты и трудозатрат) при лабораторном уровне производства и 100—150 рублей — 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 кабелей — 60 долл. за кА-м. Это требование к ВТСП-2 проводам является ключевым для оценки перспектив их реального широкомасштабного применения. Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что технология PAND имеет высокий потенциал применения в реальном процессе производства ВТСП-2.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно