《科学通报》
开博时间：2019-09-06 16:50:00《科学通报》是主要报道自然科学各学科基础理论和应用研究方面具有创新性、高水平和重要意义的研究成果。报道及时快速，文章可读性强，力求在比较宽泛的学术领域产生深刻影响。
1144型铁基超导材料——走向应用
2022-06-29 22:03:002008年发现的铁基超导体在高场强电领域具有独特的优势，其中122型（Ba/Sr，K）Fe2As2和1144型CaKFe4As4的实用化价值较大。目前铁基超导线带材短样的最高传输临界电流密度为1.5×105A/cm2（4.2K，10T），已达到实用化水平，在利用高温超导线缆输电和制造大型高场磁体、高分辨率磁共振成像、可控核聚变、高能粒子加速器、磁悬浮列车等领域拥有广泛的应用前景。
中国科学院电工研究所马衍伟课题组在《科学通报》发表评述文章“1144型铁基超导材料的研究现状及展望”，系统阐述了1144型铁基超导在单晶、多晶以及线带材方面的发展现状，详细梳理了单晶或线带材在制备及临界电流密度（Jc）提升方面所遇到的挑战，并提出了展望。
1144型铁基超导体
基本结构
1144型铁基超导体AeAFe4As4（Ae=Ca、Sr、Eu，A=K、Rb、Cs）发现于2016年，其晶体结构和122型非常相似，但由于Ae和A层规则排列，避免了122型中因掺杂所导致的局部区域偏离化学计量比等问题。
1144铁基超导体在临界电流密度（Jc）、超导转变温度（Tc）、上临界场（Hc2）、各向异性（γ）等实用化参数方面的表现均十分优异，如CaKFe4As4的Tc~35K、Hc2（0）>90kOe、γ（25K）~1.5，其特殊的晶体结构也有助于人们进一步理解高温超导体的基本理论与传输机制。而超导材料的实用化要求材料具有较高的载流能力，因此如何制备出具有优良载流特性的1144型铁基超导材料是目前研究者的重要研究方向之一。
1144型铁基超导体
性能
对于1144型铁基超导体的研究目前多集中在CaKFe4As4材料。CaKFe4As4的单晶Jc性能非常高，在H//c时可达107A/cm2（5K，自场），并且受磁场变化的影响较小，是目前铁基超导单晶的最高值。其Jc//c随温度T的变化曲线中出现了第二峰现象，这与其特有的钉扎机制相关。CaKFe4As4单晶中存在两类缺陷，一种是仅作为H//ab钉扎中心的沿c轴平行排列的较厚（5-10nm）的非超导缺陷，另一种是可以在H//ab和H//c两个方向上都能够作为钉扎中心的较薄（1-2nm）的超导缺陷。第二峰的位置处于15-20K的中温区，意味着材料在中温区的钉扎力更强，将有利于其在液氢或制冷机工作温区下的应用。
CaKFe4As4单晶的Jc可以通过掺杂或辐照的方式进一步提高，例如掺杂少量（x=0.03）的Co元素取代部分Fe元素，使得Jc提升50%以上。另一方面，CaKFe4As4单晶在经过3MeV不同剂量的质子辐照后，Jc均有着显著的提升，当辐照剂量为3×1016p/cm2时提高的效果最佳，Jc （5K，自场）由未辐照的1.7×106A/cm2提升5倍至9×106A/cm2，在5 K、3 T下的提升更高达16倍。掺杂或辐照都能使CaKFe4As4单晶产生新的钉扎中心，改变其钉扎特性，提升其Jc性能。
1144型铁基超导体
线带材制备
制备1144型铁基超导线带材一般采用粉末装管法，采用这种方法制备高性能超导线带材通常需要满足以下两个条件：
1.制备高质量多晶前驱体；
2.采用合适的加工工艺制备高性能线带材。
研究者通常采用固态合成的方法制备高质量CaKFe4As4多晶前驱体，原料则使用各元素的化合物或单质。这种方法合成的多晶前驱体Jc通常在2×104A/cm2（5K，自场）左右，这是由于多晶样品的颗粒形貌不规则、易产生孔洞和裂纹，导致Jc较低。也有研究者采用放电等离子烧结（SPS）手段获得了高致密的CaKFe4As4多晶，SPS烧结的CaKFe4As4多晶在4.2K、自场下的Jc高达8×104A/cm2，是常压烧结的4倍，这也是目前铁基超导多晶中测得的最高值。但无论使用那种合成方法，都容易在前驱体中生成FeAs、KFe2As2或CaO等杂相，因此前驱体的制备还存在进一步的提升空间。
Cheng等人采用粉末装管法制备了Ag包套CaKFe4As4带材，带材的临界传输电流密度Jc（4.2K）在10T下达到2.2×103A/cm2。研究者在制备过程中发现Ag与CaKFe4As4在500°C以上温度烧结时会发生反应，产生杂相，阻碍了CaKFe4As4带材中超导电流的传输；而在500°C烧结时，虽然不存在反应，但晶粒的连接性较差，同样抑制了电流的传输。Pyon等人制备CaKFe4As4线材也证实了这一点，在700°C高温烧结后出现了大量CaO和FeAs等杂相。在此基础上，Cheng等人对制备工艺进行改善，制备出高致密的不锈钢/Ag复合包套带材及热等静压烧结的Cu/Ag复合包套带材，与Ag包套带材相比性能得到大幅度提升，达到104A/cm2（4.2K，10T）和2.2×104A/cm2（4.2K，10T），但该方法仍未解决包套材料与超导芯反应的问题，因此对CaKFe4As4的包套材料或热处理工艺仍需开展更多的研究。
下图展示了采用常压或热等静压烧结的不同体系铁基超导线带材Jc性能的最高值，可以看到，1144型较11或1111型优势明显，但与122型相比，仍存在一定差距，一方面体现在目前的CaKFe4As4线带材对磁场更为敏感，这可能与晶粒连接性有关；另一方面，CaKFe4As4线带材在高场下的性能仍较低，需要进一步改善其制备工艺进行提高。
1144型铁基超导体
展望
经过十几年的发展，铁基超导体在材料和线带材制备方面均取得较大进展，尤其是122型超导线材已经进入百米级长线规模化制备阶段。而1144型铁基超导体成相质量较高，易于制备，其线带材的性能提升较为显著，具备较强的应用潜力。
但1144型铁基超导体应用面临的主要问题仍是如何在线带材中实现高载流特性。目前采用的包套材料在高温易与CaKFe4As4相发生反应，带材的热处理工艺无法兼顾超导相纯度和晶粒连接性，造成晶粒的连接性较差。因此，寻找合适的包套材料是提高线带材Jc的有效途径。另一方面，和122型超导线类似，1144型超导线带材的Jc同样受到超导芯织构度和致密度的影响，选用合适的制备工艺，提高带材芯织构度和致密度，是增加线带材Jc的另一种思路。
目前，1144型是除122型外，最有希望获得实用化的铁基超导材料，相信未来在克服以上问题的基础上，有望超越122型超导线材的性能，从而在能源、医疗、交通、国防、大科学装置等领域发挥重要作用。
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