超導(dǎo)材料是典型的量子材料，具有常規(guī)材料不具備的零電阻、完全抗磁性等宏觀量子現(xiàn)象。在強(qiáng)電應(yīng)用領(lǐng)域，使用超導(dǎo)材料可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的超強(qiáng)磁場(chǎng)、大容量?jī)?chǔ)能等諸多顛覆性技術(shù)。
中國工程院張平祥院士研究團(tuán)隊(duì)在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2023年第1期發(fā)表《強(qiáng)電用超導(dǎo)材料的發(fā)展現(xiàn)狀與展望》一文。文章通過梳理國內(nèi)外強(qiáng)電用超導(dǎo)材料及其制備技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析和闡明了包括低溫超導(dǎo)材料NbTi、Nb3Sn和高溫超導(dǎo)材料YBCO涂層導(dǎo)體、Bi-2223帶材、Bi-2212線材以及MgB2線材等實(shí)用化超導(dǎo)材料在強(qiáng)電應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。文章指出，我國需要以開發(fā)出面向不同強(qiáng)電應(yīng)用需求的高性能超導(dǎo)材料體系為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)材料和強(qiáng)電應(yīng)用產(chǎn)品的協(xié)同發(fā)展，推動(dòng)強(qiáng)電用超導(dǎo)材料制備技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新水平提升和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。研究建議，通過國家層面組織“產(chǎn)學(xué)研用”聯(lián)合攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)低溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)升級(jí)，突破高溫超導(dǎo)材料批量化制備關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展思路，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電用超導(dǎo)材料的快速發(fā)展和應(yīng)用。
一、 前言
超導(dǎo)材料具有常規(guī)材料不具備的零電阻、完全抗磁性等宏觀量子現(xiàn)象，是典型的量子材料。基于超導(dǎo)材料而發(fā)展起來的超導(dǎo)技術(shù)已成為21世紀(jì)具有戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)，在電力能源、醫(yī)療裝備、交通運(yùn)輸、科學(xué)研究及國防軍工等方面都有重要的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。根據(jù)應(yīng)用過程中超導(dǎo)材料承載能量的差異，一般將超導(dǎo)材料的應(yīng)用分為強(qiáng)電應(yīng)用和弱電應(yīng)用兩大類。其中，超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用主要基于超導(dǎo)材料的零電阻效應(yīng)和完全抗磁性，通過在超導(dǎo)材料中加載大電流，可以實(shí)現(xiàn)大電流輸運(yùn)、強(qiáng)磁場(chǎng)等顛覆性技術(shù)。超導(dǎo)弱電應(yīng)用也叫超導(dǎo)電子應(yīng)用，是基于超導(dǎo)材料的約瑟夫森效應(yīng)實(shí)現(xiàn)弱磁場(chǎng)探測(cè)或量子計(jì)算等方面的應(yīng)用。
超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)常規(guī)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的超強(qiáng)磁場(chǎng)、大容量輸電儲(chǔ)能等諸多顛覆性應(yīng)用。近年來，我國面向強(qiáng)電應(yīng)用的多種超導(dǎo)材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化取得了突破，有力促進(jìn)了超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，在電力、生物醫(yī)學(xué)、交通和工業(yè)及大科學(xué)工程等諸多重點(diǎn)領(lǐng)域開始實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用，取得了一批有國際影響的成果，對(duì)于引領(lǐng)我國相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展起到了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐作用。同時(shí)，相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展過程中以無法替代和節(jié)能減排為核心的新型超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)需求也不斷涌現(xiàn)，發(fā)展能耗低、環(huán)境友好的超導(dǎo)材料及應(yīng)用技術(shù)對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)、人民生命健康和高質(zhì)量發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。而在此過程中，高性能超導(dǎo)材料的批量化制備是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)技術(shù)突破的關(guān)鍵基礎(chǔ)。本文梳理了目前主要的強(qiáng)電用超導(dǎo)材料發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)強(qiáng)電用超導(dǎo)材料發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行深入分析，進(jìn)而對(duì)未來強(qiáng)電用超導(dǎo)材料的發(fā)展方向提出建議和展望。
二、 強(qiáng)電用超導(dǎo)材料進(jìn)展
自1911年超導(dǎo)電性發(fā)現(xiàn)以來，已發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料有上千種，但基于載流性能、熱穩(wěn)定性、成材能力等綜合性能的篩選，具有實(shí)用化前景的超導(dǎo)材料并不是很多。通常根據(jù)各種材料超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc）以及超導(dǎo)電性的形成機(jī)理，將現(xiàn)有的幾種實(shí)用化超導(dǎo)材料分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料兩大類。一般將Tc <25 K的超導(dǎo)材料稱為低溫超導(dǎo)材料，目前已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的主要為NbTi（Tc =9.5 K）和Nb3Sn（Tc =18 K）這兩種典型的實(shí)用化低溫超導(dǎo)材料；Tc≥25 K的超導(dǎo)材料稱為高溫超導(dǎo)材料，目前具有實(shí)用價(jià)值的高溫超導(dǎo)材料有：鉍系超導(dǎo)體（Bi2Sr2CaCu2O8和Bi2Sr2Ca2Cu3O10）、REBa2Cu3O7-x超導(dǎo)體（RE=Y，Gd等稀土元素）、二硼化鎂(MgB2）和鐵基超導(dǎo)體等。下面將分別對(duì)這幾種實(shí)用化超導(dǎo)材料的特性和研究、應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。
（一） 低溫超導(dǎo)材料
1. NbTi超導(dǎo)材料
NbTi超導(dǎo)材料為單相β型固溶體，其上臨界磁場(chǎng)（Hc2）在4.2 K約為12 T。NbTi 超導(dǎo)體一般采用熔煉方法加工成合金，再使用集束拉拔工藝將其加工成以銅為基體的多芯復(fù)合超導(dǎo)線，最后通過結(jié)合時(shí)效熱處理的冷加工工藝，獲得由β單相合金轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袕?qiáng)釘扎中心的兩相（α+β）合金的結(jié)構(gòu)，其中α析出相作為釘扎中心提高材料的臨界電流密度。20世紀(jì)90年代初，NbTi超導(dǎo)線材臨界電流密度已達(dá)3000 A/mm2（5 T，4.2 K）。同時(shí)，NbTi超導(dǎo)線材性價(jià)比高、性能穩(wěn)定，使其成為目前液氦溫區(qū)使用最廣泛的低溫超導(dǎo)材料，被廣泛應(yīng)用于核磁共振成像儀（MRI）、核磁共振波譜儀（NMR）和大型粒子加速器的制造。在目前的實(shí)用化超導(dǎo)材料中，NbTi超導(dǎo)線材由于具有優(yōu)異的中低磁場(chǎng)超導(dǎo)性能、良好的機(jī)械性能和加工性能，在實(shí)踐中獲得了大規(guī)模應(yīng)用，因此具有非常大的市場(chǎng)份額，其用量占整個(gè)超導(dǎo)材料市場(chǎng)的90%以上。國外生產(chǎn)商包括德國布魯克（Bruker）公司、英國諾爾達(dá)（Luvata）公司、日本超導(dǎo)技術(shù)公司（JASTEC）和美國阿勒格尼技術(shù)公司（ATI）等，西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司（簡(jiǎn)稱西部超導(dǎo)）是目前國內(nèi)唯一的NbTi超導(dǎo)線材商業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)，通過對(duì)高均勻合金熔煉、多組元復(fù)合體塑性變形和磁通釘扎性能的控制研究，掌握了低溫超導(dǎo)長(zhǎng)線制備的核心技術(shù)并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，順利完成了我國承擔(dān)國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃項(xiàng)目超導(dǎo)線材供貨任務(wù)。此外，西部超導(dǎo)也突破了MRI用高銅比NbTi線材制造關(guān)鍵技術(shù)，MRI用NbTi線材產(chǎn)能達(dá)到1000 t/a，產(chǎn)品填補(bǔ)國內(nèi)空白并占領(lǐng)國際市場(chǎng)。
2. Nb3Sn超導(dǎo)材料
Nb3Sn是一種典型的具有A15型晶體結(jié)構(gòu)的金屬間化合物，具有較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc（~18 K），上臨界磁場(chǎng)Hc可以達(dá)到27 T。Nb3Sn超導(dǎo)線材的制備方法主要有內(nèi)錫法和青銅法，其中內(nèi)錫法Nb3Sn超導(dǎo)線材臨界電流密度更高，但是由于芯絲耦合嚴(yán)重，其交流損耗也隨之增高；青銅法Nb3Sn超導(dǎo)線材臨界電流密度適中，但是由于芯絲通常不耦合，其交流損耗較低。因此這兩種線材擁有不同的應(yīng)用領(lǐng)域。
國際上Nb3Sn超導(dǎo)線材主要由德國Bruker公司、日本JASTEC公司和古河電氣工業(yè)株式會(huì)社以及我國的西部超導(dǎo)公司進(jìn)行研發(fā)并批量化生產(chǎn)。德國Bruker公司研發(fā)及生產(chǎn)的內(nèi)錫法Nb3Sn超導(dǎo)線材是目前臨界電流密度最高的商用超導(dǎo)線，其臨界電流密度在4.2 K，12 T下最高達(dá)到3000 A/mm2。青銅法Nb3Sn導(dǎo)線的主要生產(chǎn)廠商為日本JASTEC公司和古河電氣工業(yè)株式會(huì)社，其研制的先反應(yīng)后繞制的青銅法Nb3Sn超導(dǎo)線材和高機(jī)械性能的增強(qiáng)型青銅法Nb3Sn超導(dǎo)線材，有效提高了超導(dǎo)磁體制造的便捷性、穩(wěn)定性和安全性。西部超導(dǎo)開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的萬芯級(jí)難變形青銅法Nb3Sn線材和高臨界電流密度、低損耗內(nèi)錫法Nb3Sn線材導(dǎo)體設(shè)計(jì)、加工和熱處理技術(shù)，目前制備的Nb3Sn超導(dǎo)線材綜合性能和穩(wěn)定性均達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
（二） 高溫超導(dǎo)材料
1. Bi2Sr2CaCu2O8超導(dǎo)材料
Bi2Sr2CaCu2O8（簡(jiǎn)稱Bi-2212）材料在低溫、高磁場(chǎng)下具有優(yōu)異的電流承載性能，是高場(chǎng)下（>25 T）最具有應(yīng)用前景的高溫超導(dǎo)材料之一。Bi-2212線材的制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，可采用粉末裝管法經(jīng)過旋鍛、拉拔加工成具有各向同性圓形截面的線材。Bi-2212的圓線結(jié)構(gòu)使其更容易實(shí)現(xiàn)多芯化和電纜絞制，從而降低交流損耗，相比其他矩形截面的高溫超導(dǎo)材料，更有利于制備管內(nèi)電纜導(dǎo)體、盧瑟福電纜和螺線管線圈。
目前已有多家公司和研究機(jī)構(gòu)具備Bi-2212線材的批量化制備能力，主要包括美國牛津儀器公司（B-OST）、歐洲耐克森（Nexans）公司、日本昭和電線電纜株式會(huì)社和西北有色金屬研究院等。B-OST研制的Bi-2212線材的工程臨界電流密度（Je）在液氦溫區(qū)45 T磁場(chǎng)下仍能保持266 A/mm2，這表明Bi-2212線材非常適合于超高磁場(chǎng)條件下的應(yīng)用。西北有色金屬研究院研制的線材在4.2 K，14 T磁場(chǎng)下的Je達(dá)到760 A/mm2。
2. Bi2Sr2Ca2Cu3O10超導(dǎo)材料
Bi2Sr2Ca2Cu3O10（簡(jiǎn)稱Bi-2223）高溫超導(dǎo)材料是目前臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc＝108~110 K）最高的實(shí)用化高溫超導(dǎo)材料。Bi-2223晶體結(jié)構(gòu)為層狀，超導(dǎo)電性具有強(qiáng)烈的各向異性，實(shí)際使用時(shí)以扁形帶材為主。Bi-2223帶材采用粉末裝管法經(jīng)過旋鍛、拉拔、軋制和熱處理加工成帶材，是首先實(shí)現(xiàn)批量化制備的實(shí)用化高溫超導(dǎo)材料。目前Bi-2223帶材已經(jīng)成功應(yīng)用于液氮下運(yùn)行的發(fā)電機(jī)、傳輸電纜、分流電壓器、故障電流限制器、電動(dòng)機(jī)以及儲(chǔ)能裝置等設(shè)備中。特別是在德國埃森（Essen）市掛網(wǎng)運(yùn)行的超導(dǎo)電纜，成功證實(shí)了該類材料在電網(wǎng)中長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的能力。
美國超導(dǎo)公司基于其對(duì)化學(xué)組分和工藝的精確控制以及后退火技術(shù)的開發(fā)，在國際上率先實(shí)現(xiàn)了在77 K自場(chǎng)條件下傳輸電流100 A的突破，一度處于領(lǐng)跑地位。但2004年日本住友電氣工業(yè)株式會(huì)社開發(fā)出可控高壓熱處理技術(shù)，將其帶材的載流性能從100 A左右，迅速提升到250 A以上。國內(nèi)開展Bi-2223帶材的主要研究單位為北京英納超導(dǎo)技術(shù)有限公司和西北有色金屬研究院。目前，國內(nèi)Bi-2223帶材的載流性能基本穩(wěn)定在100 A，與日本住友電氣工業(yè)株式會(huì)社帶材差距較大。
3. REBa2Cu3O7-x涂層導(dǎo)體
REBa2Cu3O7-x（簡(jiǎn)寫為REBCO，其中RE表示稀土元素）涂層導(dǎo)體也被稱為第二代高溫超導(dǎo)帶材，其通過柔性金屬基帶上的薄膜外延和雙軸織構(gòu)技術(shù)發(fā)展而來，解決了陶瓷性銅氧高溫超導(dǎo)體的晶界弱連接和機(jī)械加工難等問題，是當(dāng)前液氮溫區(qū)運(yùn)行下電磁性能較為優(yōu)越的實(shí)用化高溫超導(dǎo)材料。目前商業(yè)化的REBCO超導(dǎo)帶材往往采用由金屬基帶、緩沖層、REBCO超導(dǎo)層、保護(hù)層等構(gòu)成的復(fù)合多層結(jié)構(gòu)。由于REBCO涂層導(dǎo)體具有極高的綜合性能，使其成為目前高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)化的熱門研究方向。
經(jīng)過20多年的研究，金屬有機(jī)沉積（MOD）、脈沖激光沉積（PLD）、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）和反應(yīng)電子束共蒸發(fā) - 沉積（RCE-DR）工藝等成為主流制備技術(shù)。韓國SuNAM公司開發(fā)的反應(yīng)電子束共蒸發(fā) - 沉積反應(yīng)（RCE-DR）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)4 mm寬帶材360 m/h的高生產(chǎn)效率。日本藤倉公司（Fujikura）首先采用可編程邏輯器件（PLD）技術(shù)在離子束輔助沉積（IBAD）的Gd2Zr2O7緩沖層上制備出YBCO超導(dǎo)層，并實(shí)現(xiàn)了千米級(jí)帶材生產(chǎn)，近年來該公司的IBAD-MgO緩沖層也取得了千米級(jí)快速制備。美國SuperPower公司是國際上首家制備出千米級(jí)REBCO超導(dǎo)帶材的公司，其在IBAD-MgO / 哈氏合金緩沖層上采用MOCVD制備出了臨界電流（Ic）達(dá)到300 A/cm的千米級(jí)超導(dǎo)帶材。我國的上海上創(chuàng)超導(dǎo)科技有限公司，上海超導(dǎo)科技股份有限公司和蘇州新材料研究所有限公司分別采用MOD、PLD和MOCVD技術(shù)各自先后實(shí)現(xiàn)了千米級(jí)REBCO超導(dǎo)帶材的生產(chǎn)，使我國在第二代高溫超導(dǎo)帶材的產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用方面與世界同步。
4. MgB2超導(dǎo)材料
MgB2是2001年發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為39 K的金屬間化合物超導(dǎo)體，具有相干長(zhǎng)度大、晶界不存在弱連接、材料成本低、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)。盡管其臨界溫度較低，但是MgB2超導(dǎo)材料可以工作在制冷機(jī)溫度范圍內(nèi)（10~20 K），因此可以擺脫復(fù)雜昂貴的液氦冷卻系統(tǒng)。MgB2超導(dǎo)體可用于磁共振成像（MRI）系統(tǒng)、特殊電纜、風(fēng)力發(fā)電電機(jī)以及空間系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)等領(lǐng)域。
意大利的艾森超導(dǎo)（ASG Superconductors）公司采用先位法粉末裝管工藝制備出12~37芯Cu/Ni基MgB2多芯線材，在20 K，1.2 T的臨界電流密度（Jc）可達(dá)1000 A/mm2。美國的Hyper Tech公司采用連續(xù)粉末填裝與成形工藝制備出單根長(zhǎng)度大于3 km的Monel/Cu/Nb基多芯MgB2線材，其Jc值在25 K，1 T達(dá)到2000 A/mm2。日本的日立（Hitachi）公司和韓國的三東（Sam Dong）公司也已形成千米級(jí)MgB2線材的生產(chǎn)能力。西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司和西北有色金屬研究院能夠制備千米量級(jí)長(zhǎng)度19芯及37芯結(jié)構(gòu)的MgB2長(zhǎng)線，其工程臨界電流密度（Je）在20 K，1 T下達(dá)到250 A/mm2。
5. 鐵基超導(dǎo)材料
自2008年鐵基超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)以來，已相繼發(fā)現(xiàn)了上百種鐵基超導(dǎo)材料，這些超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)均為層狀，都含有Fe和氮族（P，As）或硫族元素（S，Se，Te），F(xiàn)e離子為上下兩層正方點(diǎn)陣排列方式，氮族或硫族離子層被夾在Fe 離子層間。按照導(dǎo)電層以及為導(dǎo)電層提供載流子的載流子庫層交叉堆疊方式和載流子庫層的不同形成機(jī)制，主要分為1111體系（如SmOFeAsF，NdOFeAsF等）、122體系（如BaKFeAs，SrKFeAs等）、111 體系（如LiFeAs）、11體系（如FeSe 和FeSeTe）以及1144相等為代表的新型結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體等體系。鐵基超導(dǎo)體具有上臨界場(chǎng)極高（100~250 T）、各向異性較低（1<γH<2，122體系）、本征磁通釘扎能力強(qiáng)等許多明顯的優(yōu)勢(shì)。自2008年以來，中國團(tuán)隊(duì)率先發(fā)現(xiàn)系列50 K以上鐵基高溫超導(dǎo)體并創(chuàng)造55 K的臨界溫度世界紀(jì)錄。中國科學(xué)院電工研究所采用粉末裝管法通過控制軋制織構(gòu)和元素?fù)诫s，在2013年制備出臨界電流密度達(dá)到170 A/mm2（4.2 K，10 T）的鐵基超導(dǎo)線材，證明了鐵基超導(dǎo)材料在強(qiáng)電應(yīng)用上的巨大潛力。經(jīng)過工藝優(yōu)化后，2018年他們將百米長(zhǎng)線的臨界電流密度提高至300 A/mm2（4.2 K，10 T），目前已經(jīng)開始超導(dǎo)磁體制備研究。
三、 強(qiáng)電用超導(dǎo)材料的發(fā)展趨勢(shì)
強(qiáng)電應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展不斷對(duì)超導(dǎo)材料提出新的要求，是超導(dǎo)材料發(fā)展的根本動(dòng)力。未來10年，國內(nèi)外超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用對(duì)超導(dǎo)材料的基本要求已經(jīng)明確，決定著超導(dǎo)材料的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
（一） 重大需求分析
隨著科技的進(jìn)步，國際上前沿技術(shù)領(lǐng)域?qū)Τ瑢?dǎo)材料和應(yīng)用技術(shù)提出了更高、更全面的要求，主要體現(xiàn)在以下方面。
在傳統(tǒng)超導(dǎo)應(yīng)用方向上，新一代環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)及超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（CEPC/SPPC）磁場(chǎng)水平達(dá)到國際最高水平20 T、中國聚變工程試驗(yàn)堆（CFETR）磁場(chǎng)水平達(dá)到15 T、歐洲環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）磁場(chǎng)水平達(dá)到15 T，這些大科學(xué)裝置將需要高性能低溫和高溫超導(dǎo)材料近20 000 t，并且超導(dǎo)材料的載流性能水平比目前國際實(shí)驗(yàn)室最高水平要提高一倍左右，更高性能的超導(dǎo)材料批量化制備技術(shù)在國際范圍內(nèi)將面臨全面創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化的挑戰(zhàn)。因此，如何在現(xiàn)有涂層導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、多芯線帶材結(jié)構(gòu)之外，開發(fā)更多基于新成分、新結(jié)構(gòu)的高性能高溫超導(dǎo)線材，或針對(duì)現(xiàn)有成分和結(jié)構(gòu)，通過與其他材料研究領(lǐng)域的學(xué)科交叉，提出新型加工制備技術(shù)，獲得更高性能的超導(dǎo)材料，將是突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，進(jìn)一步推進(jìn)超導(dǎo)材料實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。
在新型強(qiáng)電應(yīng)用方面，用于腦科學(xué)研究的MRI需要15 T以上超導(dǎo)磁體系統(tǒng)、NMR需要30 T以上超導(dǎo)磁體系統(tǒng)、高電壓等級(jí)電網(wǎng)需要新型超導(dǎo)限流器和變壓器、艦船推進(jìn)系統(tǒng)需要40 MW以上超導(dǎo)電機(jī)，這些需求都超過超導(dǎo)技術(shù)的現(xiàn)有水平。未來國際上這些新的發(fā)展方向也為我國超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了新的契機(jī)，我國亟待在現(xiàn)有研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)上，全面整合資源，系統(tǒng)開發(fā)核心超導(dǎo)技術(shù)，全面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，滿足國內(nèi)外相關(guān)應(yīng)用的迫切需求。同時(shí)，在超導(dǎo)線材強(qiáng)化、線圈繞制或電纜絞制等許多方面都期待更方便有效的技術(shù)突破。此外，在與超導(dǎo)應(yīng)用相關(guān)的絕緣技術(shù)、制冷技術(shù)等許多方面，也都存在著一定的技術(shù)壁壘，亟待突破。
（二） 發(fā)展趨勢(shì)
近年來，國際上低溫超導(dǎo)材料仍以NbTi、Nb3Sn為主，通過對(duì)現(xiàn)有制備技術(shù)相關(guān)機(jī)理的深入研究，商品化低溫超導(dǎo)材料的綜合性能將不斷提高。而以Bi-2223帶材和REBCO涂層導(dǎo)體為代表的高溫超導(dǎo)材料也已經(jīng)開始進(jìn)入商業(yè)化階段，其中Bi-2223帶材雖然受到高壓熱處理等具有較高難度的技術(shù)限制，目前僅有日本住友電氣工業(yè)株式會(huì)社一家供應(yīng)商，但該公司多品類產(chǎn)品的開發(fā)，特別是高機(jī)械強(qiáng)度HT-NX系列帶材的開發(fā)，有效地推動(dòng)了Bi-2223高溫超導(dǎo)帶材在高場(chǎng)磁體等領(lǐng)域的發(fā)展，進(jìn)一步擴(kuò)大了該產(chǎn)品的市場(chǎng)。而REBCO涂層導(dǎo)體近年來更是基于其較高的載流性能，受到了美國、歐洲、中國、日本、韓國等國家和地區(qū)的廣泛關(guān)注。各國相關(guān)企業(yè)紛紛開發(fā)多種新型制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)材料載流性能、機(jī)械性能以及成品率的提高和成本的降低，使其在智能電網(wǎng)和高場(chǎng)磁體等領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了成功的示范性應(yīng)用。綜合上述分析可以看出，高溫超導(dǎo)材料未來的發(fā)展趨勢(shì)都將是通過優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)、開發(fā)新型材料制備技術(shù)以及新型線材結(jié)構(gòu)，在提高材料載流性能、機(jī)械性能以及熱穩(wěn)定性的同時(shí)，進(jìn)一步降低成本，從而實(shí)現(xiàn)更高性能、更高穩(wěn)定性、更高性價(jià)比帶材的批量化制備。未來重點(diǎn)發(fā)展方向主要包括以下幾方面。
1. 新型高性能低溫超導(dǎo)線材制備及產(chǎn)業(yè)化
在NbTi線材方面，開發(fā)超大規(guī)格NbTi合金錠真空自耗熔煉和棒材大變形量鍛造技術(shù)，結(jié)合覆銅擠壓技術(shù)，大幅度降低NbTi原材料制造成本。進(jìn)一步開發(fā)磁通釘扎調(diào)控技術(shù)，大幅度提高NbTi超導(dǎo)線材臨界電流、磁滯損耗和剩余電阻率等關(guān)鍵性能指標(biāo)。在Nb3Sn(Al)線材方面，發(fā)展CuNb強(qiáng)化、超高Sn含量錫源引入、納米粒子細(xì)化晶粒、快速加熱淬火等系列新型制備技術(shù)，全面提升Nb3Sn(Al)線材高場(chǎng)下應(yīng)用特性并大幅降低制造成本，滿足高場(chǎng)磁體制造要求。
2. 高性能REBCO高溫超導(dǎo)帶材制備及產(chǎn)業(yè)化
研發(fā)出千米級(jí)能傳輸1000 A以上臨界電流的（77 K，自場(chǎng)）的第二代高溫超導(dǎo)長(zhǎng)帶材，解決千米級(jí)帶材工藝的穩(wěn)定性、重復(fù)性和均勻性，并大幅降低生產(chǎn)成本。針對(duì)超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電機(jī)等系列超導(dǎo)電力產(chǎn)品對(duì)第二代高溫超導(dǎo)帶材性能的不同要求，建立起相應(yīng)的工藝流程，生產(chǎn)出一系列滿足各類超導(dǎo)電力器件不同要求的多規(guī)格第二代高溫超導(dǎo)帶材。到2025年超導(dǎo)帶材年產(chǎn)量將達(dá)到1000 km，超導(dǎo)帶材載流能力將達(dá)到500~1000 A，全面實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)帶材產(chǎn)業(yè)化，并實(shí)現(xiàn)裝備完全自主化。
3. 高性能Bi系高溫超導(dǎo)線材制備及產(chǎn)業(yè)化
在Bi-2223方面，研發(fā)長(zhǎng)帶高壓熱處理技術(shù)，可進(jìn)一步提高帶材超導(dǎo)載流能力和成品率，提高Bi系帶材性價(jià)比，降低成本。發(fā)展提高帶材Jc、提高機(jī)械強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)的制造工藝，將長(zhǎng)帶性能提高到200 A（77 K，自場(chǎng)）以上，力爭(zhēng)產(chǎn)品進(jìn)入國際市場(chǎng)；在Bi-2212線材方面，開發(fā)出高性能Bi-2212線材的制備技術(shù)，并形成產(chǎn)能達(dá)到300 km/a的Bi-2212長(zhǎng)線的規(guī)?；苽淠芰?，實(shí)現(xiàn)超高場(chǎng)磁體的材料國產(chǎn)化，促進(jìn)我國超高場(chǎng)磁體和大電流纜材技術(shù)的發(fā)展。
4. 鐵基超導(dǎo)線材制備及強(qiáng)場(chǎng)應(yīng)用
針對(duì)鐵基超導(dǎo)線帶材的規(guī)模應(yīng)用需求，以粉末裝管技術(shù)為框架，以促進(jìn)鐵基超導(dǎo)材料實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，開展低成本、高性能的鐵基超導(dǎo)線材制備工藝研究。闡明影響線帶材臨界傳輸性能的內(nèi)在機(jī)制，制備出高性能線帶材。在鐵基超導(dǎo)長(zhǎng)線的均勻性、熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度等方面獲得突破，解決高性能鐵基超導(dǎo)長(zhǎng)線實(shí)用成材技術(shù)基礎(chǔ)問題。
四、 我國強(qiáng)電用超導(dǎo)材料發(fā)展存在的問題
當(dāng)前我國強(qiáng)電用超導(dǎo)材料發(fā)展存在的主要問題包括以下幾點(diǎn)。
（一） 產(chǎn)業(yè)化能力不足
我國已經(jīng)成為國際超導(dǎo)材料和應(yīng)用技術(shù)研發(fā)的重要力量。多年來我國在超導(dǎo)材料基礎(chǔ)研究方面一直處于國際先進(jìn)水平，然而在產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用方面與發(fā)達(dá)國家還有較大差距。目前我國在高性能低溫超導(dǎo)材料、超導(dǎo)電力技術(shù)等方面開始達(dá)到國際先進(jìn)水平，但是由于產(chǎn)業(yè)化相對(duì)滯后、“產(chǎn)學(xué)研用”結(jié)合不緊密、創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈不完整，導(dǎo)致我國在超導(dǎo)材料與超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)研究發(fā)展方面，特別是高溫超導(dǎo)材料的規(guī)?；苽浜透叨酸t(yī)療設(shè)備、分析儀器、科研裝備等超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用領(lǐng)域存在明顯差距，導(dǎo)致相關(guān)材料和裝備仍主要依賴進(jìn)口。
（二） 產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)自主創(chuàng)新的支撐不完善
近年來，國際上超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)裝備的磁場(chǎng)水平不斷提升，已越來越多地應(yīng)用于大科學(xué)裝置、高端儀器裝備和科學(xué)研究等重要領(lǐng)域，對(duì)關(guān)鍵的原材料——Nb3Sn超導(dǎo)線材在臨界電流密度、機(jī)械強(qiáng)度、單根長(zhǎng)度等方面都提出了更高的要求。但是超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)裝備產(chǎn)品長(zhǎng)期被美國、日本和德國相關(guān)企業(yè)壟斷，例如采用10 T以上超導(dǎo)磁體制造的600 MHz以上NMR被德國Bruker和日本電子株式會(huì)社（JEOL）壟斷，我國相關(guān)裝備全部依賴進(jìn)口，導(dǎo)致我國Nb3Sn超導(dǎo)線材研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化缺乏需求支撐，影響材料技術(shù)的創(chuàng)新能力提升。
（三） 低溫材料與技術(shù)成熟度低
超導(dǎo)材料目前以核磁共振成像、大科學(xué)工程為代表的應(yīng)用主要在液氦溫區(qū)。我國是氦氣資源匱乏的國家，必須從國外進(jìn)口，面臨“卡脖子”的局面。擺脫液氦限制的主要途徑是采用制冷機(jī)，但是由于制冷機(jī)核心技術(shù)長(zhǎng)期被美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)壟斷，我國相關(guān)技術(shù)和裝備雖獲得一定進(jìn)展，但是尚未形成完整產(chǎn)業(yè)體系，長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性尚未解決，目前仍主要依賴進(jìn)口。
總體來看，“十四五”期間，我國面臨著提高整體研發(fā)水平，提升自主創(chuàng)新能力，追趕世界領(lǐng)先水平的重要任務(wù)。必須將基礎(chǔ)研究、材料制備、應(yīng)用技術(shù)融合發(fā)展，集中開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超導(dǎo)材料工程化、產(chǎn)業(yè)化核心制備技術(shù)，推動(dòng)超導(dǎo)材料應(yīng)用技術(shù)發(fā)展，帶動(dòng)冶金、低溫、醫(yī)療、交通等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)，將有力促進(jìn)我國超導(dǎo)材料工程化、產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)開發(fā)，形成以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系，為我國超導(dǎo)材料的市場(chǎng)開發(fā)和工程化應(yīng)用提供有力的技術(shù)支撐。
五、 強(qiáng)電用超導(dǎo)材料發(fā)展建議
面對(duì)我國超導(dǎo)材料和超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀，必須將基礎(chǔ)研究、材料制備、應(yīng)用技術(shù)融合發(fā)展，集中開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超導(dǎo)材料工程化、產(chǎn)業(yè)化核心制備技術(shù)，推動(dòng)超導(dǎo)材料應(yīng)用技術(shù)發(fā)展，帶動(dòng)冶金、低溫、醫(yī)療設(shè)備、交通運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)，有力促進(jìn)我國超導(dǎo)材料工程化、產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)開發(fā)，形成以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系，為我國超導(dǎo)材料的市場(chǎng)開發(fā)和工程化應(yīng)用提供有力的技術(shù)支撐。建議在創(chuàng)新型國家建設(shè)戰(zhàn)略框架內(nèi)，為《落實(shí)國家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中提出的將高溫超導(dǎo)技術(shù)列為國家重大戰(zhàn)略需求的計(jì)劃，針對(duì)超導(dǎo)技術(shù)中的關(guān)鍵材料和關(guān)鍵應(yīng)用，通過“產(chǎn)學(xué)研用”聯(lián)合攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)低溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代，突破高溫超導(dǎo)材料批量化制備關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出面向電力、能源、醫(yī)療和國防應(yīng)用的超導(dǎo)電工裝備，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)材料、超導(dǎo)強(qiáng)電和超導(dǎo)弱電產(chǎn)品協(xié)同發(fā)展和規(guī)?；瘧?yīng)用，打造并形成一個(gè)基于超導(dǎo)材料及其應(yīng)用技術(shù)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。
（一） 通過重大工程引領(lǐng)超導(dǎo)材料全面發(fā)展
我國超導(dǎo)材料及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)體現(xiàn)國家意志，并與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求、國家安全需求、可持續(xù)發(fā)展緊密結(jié)合，體現(xiàn)全局性、戰(zhàn)略性、前瞻性。超導(dǎo)技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)（包括低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)的研究與開發(fā)）應(yīng)持續(xù)列入國家科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃。要突出以超導(dǎo)應(yīng)用帶動(dòng)超導(dǎo)材料和相關(guān)技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展重點(diǎn)，堅(jiān)持“有所為，有所不為”的原則；體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、軍民結(jié)合、走新型工業(yè)化道路的原則。要重點(diǎn)建設(shè)國家級(jí)研究項(xiàng)目和產(chǎn)業(yè)化基地，要立足于世界科技前沿、以自主創(chuàng)新為主導(dǎo)，在超導(dǎo)科學(xué)技術(shù)涉及的醫(yī)療和大科學(xué)工程、面向節(jié)能減排、工業(yè)技術(shù)應(yīng)用、軍事等方面部署若干重大項(xiàng)目，從而起到帶動(dòng)全局的作用。
（二） 形成實(shí)用化超導(dǎo)材料體系
堅(jiān)持新材料探索、超導(dǎo)機(jī)理、實(shí)用化材料性能提升并重，發(fā)展低溫超導(dǎo)材料新技術(shù)，包括新型MRI/NMR用高性能NbTi和Nb3Sn線材批量化制備技術(shù)，完成低溫超導(dǎo)產(chǎn)品升級(jí)換代，提高材料的性價(jià)比，積極參與國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)；進(jìn)一步提高 Bi 系線帶材的臨界電流和應(yīng)用性能、降低制造成本，帶動(dòng)我國超導(dǎo)材料的應(yīng)用發(fā)展；大力發(fā)展第二代高溫超導(dǎo)帶材的制造技術(shù)，滿足強(qiáng)電應(yīng)用要求，并形成規(guī)模化產(chǎn)業(yè)；真正形成我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)超導(dǎo)材料體系，全面滿足超導(dǎo)應(yīng)用需求，形成完整的低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)。
（三） 全面發(fā)展超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)業(yè)化
堅(jiān)持超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工藝、應(yīng)用技術(shù)并重的原則，搶占國際超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)制高點(diǎn)。加速我國超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)成果的產(chǎn)業(yè)化，以應(yīng)用研究促進(jìn)基礎(chǔ)研究的發(fā)展，以產(chǎn)業(yè)化開發(fā)為目標(biāo)提高超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn)能力。加快我國超導(dǎo)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的步伐，發(fā)展我國自己的核磁共振人體成像儀、超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁懸浮列車以及超導(dǎo)磁體裝置在污水處理、選礦、高質(zhì)量單晶制備和國防等特種領(lǐng)域的應(yīng)用項(xiàng)目，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
