马衍伟:领跑铁基超导“百米赛”

科技日报 2016-09-26

　　▲马衍伟手持世界首根百米量级铁基超导长线。徐小傑摄

　　条纹衬衫，普通框架眼镜，中科院电工研究所陈设简单的办公室里，正在埋头工作的马衍伟似乎已将几天前被媒体广泛报道的成果淡忘了。

　　但聊到工作，他还是掩饰不住科研人员获得梦寐以求成果时的兴奋：“我们可以很自豪地说，这确实是有象征意义的成果。”

　　不久前，马衍伟带领科研团队成功研制出世界首根百米量级铁基超导长线。业界和媒体普遍评价：这一成果创造了铁基超导材料从实验室走向产业化的里程碑，标志着我国在铁基超导材料技术领域的研发走在世界前沿。

　　事实上，从2008年制备出世界首根铁基超导线材，到目前将其载流性能提高到10T的强磁场下10万安培每平方厘米的国际最高纪录，再到研制出世界首根百米量级铁基超导长线，马衍伟团队始终在高性能铁基超导材料的研制中保持国际领先水平。

　　敏感抓住铁基超导课题

　　2008年，日本东京工业大学发现了临界转变温度为26K的铁基超导体，随后中国科学家发现了临界温度超过40K的铁基超导体，突破了麦克米兰极限温度，并进一步将临界温度提高至50K以上，表明铁基超导材料是继1986年发现的铜氧化物超导体之后的新型高温超导材料。

　　“超导材料因为没有电阻，也就没有损耗，可以节省大量能源，所以一直是材料领域研究的重点。”马衍伟说，前些年超导研究非常热，虽然高温超导、低温超导材料都有些应用，但总体而言，由于制备技术、工艺和成本等原因，超导材料的应用还比较少。

　　由于铁基超导上临界磁场最大可超过100特斯拉，并且在高磁场下仍能保持超导无损传输和高载流密度的特性，使它迅速成为国际超导领域争相竞逐的研究热点。铁基超导材料在工业、医学、国防等诸多领域具有广阔的应用前景，被《科学》认为是目前最具发展前景的新型高温超导体之一。

　　正因如此，2008年后，国际材料学界掀起一股铁基超导研究热潮。马衍伟敏感地捕捉到这一机会。

　　“我在留学期间是做硼化镁超导材料的，2004年回国后继续做这方面研究，而且电工所有非常好的超导材料研究平台，所以我们能迅速在铁基超导材料的研发上做出成绩。”马衍伟说。

　　“实际意义不大”的第一根超导线诞生

　　他们的速度很快。开始研究仅两个月后，马衍伟团队就首次成功研制出转变温度达25K的铁基镧氧铁砷线材，这是世界首次将铁基超导材料加工成超导线材。

　　但随后的实验证明这根线材其实并没有太大意义。“它的传输电流为零，说明它是不及格的。”马衍伟至今还记得，虽然当时得到国内外同行的关注，但他心里很清楚这一成果的分量。

　　此后又做出一些传输电流仅为几安培的线材。“2009年我在欧洲的一个国际会议上作报告，国际应用超导权威专家、美国国家高场实验室的Larbalestier教授听完扭头就走，会后我又找到他交流，他说这么小的电流有什么意义？”马衍伟说，权威的评价给他极大压力。

　　但是开弓没有回头箭。2010年，马衍伟带领团队在铁基超导材料中采用金属添加剂掺杂工艺，增强了超导材料的晶粒连接性，从而使铁基超导线带材的电流密度得到很大提升。

　　2011年，通过高分辨透射电子显微术和电子能量损失谱等先进表征手段，研究小组首次直接观测到122型铁基超导体晶界中存在的富氧非晶层，并深入分析了其形成机理，为进一步提高铁基超导线带材的性能奠定了基础。

　　随后，研究小组将轧制织构和化学掺杂相结合，有效抑制了铁基超导体的弱连接问题，显著提高了铁基超导线带材的载流能力，测得铁基超导线带材的临界传输电流达到180安培，相应临界电流密度超过25000安培每平方厘米，处于当时世界领先水平。

　　从第一根铁基超导线材的传输电流零安培提高到180安培，马衍伟研究小组只用了不到3年时间。

　　取得重大突破的第一根十米线材

　　2014年，马衍伟团队再次取得重要突破。

　　在铁基超导带材短样性能不断获得提高的基础上，马衍伟团队在国际上率先开展了多芯线带材制备工艺和线带材规模化制备工艺的研究。

　　“在高场强电应用中，为了防止磁通跳动，减少交流损耗，必须使用复合在金属基体中的多芯丝超导线带材。”马衍伟说。2013年初，研究小组将单芯线材进行二次装管，克服了复合包套多芯结构在成型加工中的诸多困难，最终成功制备出了国际首根高性能铁银复合包套的七芯超导线带材。

　　在此基础上，他们迈出了在铁基超导长线制备的第一步，2014年研制出世界上第一根10米铁基超导线材。“我们当时很激动，因为这毕竟是第一根10米量级的线带材，但是我们也清醒地知道，作为一种新型材料，要达到实用级别，10米远远不足以满足规模化制备需要，它只是一个开始，”马衍伟说。“对于铁基超导线材的产业化应用，突破百米量级的长线制备是其中的关键点，也是该领域应用研究的重大技术难点。”

　　从10米到100米有多难？铁基超导线材的制备采用的是粉末装管法。简单来说，就是将超导粉装到金属管里，然后将这个根管子不断拉长、拉细，直到成为横截面积直径为1毫米左右的细管。

　　“这么细的管子里，超导芯只要有一丁点不均匀，导电性能就会变差，而且线带材越长，均匀性越难控制，这对超导线制备中的各项工艺技术都提出了很高的要求。”马衍伟解释说。

　　不停地改进工艺—失败—再改进，成功终于到来。“我们通过对超导长线的结构设计和加工技术的试验优化，解决了铁基超导线规模化制备中的均匀性、稳定性和重复性等技术难点，最终成功研制出国际上第一根百米量级铁基超导线。”说到这，马衍伟掩饰不住的兴奋，“这一成果在圈内影响非常大，大家评价很高，认为我们迈出了铁基超导材料产业化的关键一步。今年Larbalestier教授专程来到我们实验室参观，这说明我们的工作受到了国际权威专家的肯定。”

　　执着和勤奋是成功的不二法则

　　如今云淡风轻笑谈的背后是十几年如一日的执着与辛苦。家与单位只有步行15分钟的距离，马衍伟泡在单位的时间要远远多于在家的时间。

　　目前，铁基超导线材研制已成为国际范围内相互竞争的领域，对于铁基超导线材的产业化应用，突破百米量级的长线制备是其中的关键点，也是该领域应用研究的重大技术难点。美国佛罗里达国家强磁场实验室、日本国立材料研究所、日本东京大学、意大利热那亚大学等均有所布局。

　　“它们的相关研究还处于线材短样性能研究阶段，还没有开展线材规模化制备研究。可以说目前我们处于领先阶段，但学术就是逆水行舟，不进则退，我们不能放松。”马衍伟说。

　　他介绍道，接下来的目标是将7芯做到19个芯，最后要实现上千芯，“已经在应用的超导材料都有上千个芯，这是我们的目标”。

　　至于什么时候能最终产业化，马衍伟满怀期待同时审慎严谨：“我们必须脚踏实地做好眼前。认准目标后就要坚持，不言放弃。对于任何人而言，执着和勤奋是成功的不二法则。”

责任编辑：lijia

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