国内外高温超导材料的研究发展概述

国内外高温超导材料的研究发展概述*（材料科学与工程学院，中国计量学院，浙江 杭州，310018）摘要超导材料技术是21世纪具有战略意义的高新技术，极具发展潜力和市场前景。本文主要从美国、日本、欧洲国家、韩国等国外国家的相关研发计划、政策以及主要科研机构的研发概况出发，结合中国发展现状阐明目前国内外超导材料技术的研究政策和方向。关键词：超导材料技术；超导计划；超导应用；超导发展；研究方向中图分类号： 文献标识码： 文章编号：The development and application of high temperature superconducting materials*（College of material science and engineering, China Jiliang University, Zhejiang Hangzhou 310018）AbstractSuperconducting materials and technologies are strategically high-tech in the 21st century, and have highly potential andmarketprospects. This paperanalyzed the R&D programs and policies of the United States, Japan, European countries, SouthKorea, as well as R&D priorities of major scientific research institutions, introduced the current progress of superconducting materials and technologies research policies and priorities abroad. Keywords: Superconducting materials and technologies,Superconductivity Projects, R&D institu- tes,Research priorities0 引言超导材料技术是二十一世纪具有战略意义的高新技术，极具发展潜力和市场前景。世界各发达国家政府纷纷制订相关计划和加大研发投资，积极开展超导材料技术开发和应用。美国、欧洲各国、日本、韩国和中国都竞相开展高温超导电缆、超导故障限流器、超导变压器、超导电机和超导储能装置等的研究，竞争十分激烈。超导材料技术的发展趋势是不断探求更高温度的超导体，实现高温超导材料产业化，使超导材料技术应用更加广泛，主要包括能源、交通运输、电子技术、医疗卫生、军事、重大科学装置等领域，也必将引起这些领域的重大变革。在国际上超导材料具有巨大的市场空间，我国政府和相关行业也将目光投向这一高科技含量的领域，在我国20062020年中长期科技发展规划中，高温超导技术被列为前沿技术被列为新材料技术的发展方向之一。1 高温超导材料的发展历史1911年，荷兰莱顿大学的卡林昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林昂尼斯称之为超导态。自卡末林昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体，如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge，其中Nb3Sn超导体的临界转变温度（Tc）值达到23.2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。图1超导材料的发展历程1986年超导材料的研究取得了突破性进展，IBM瑞士研究中心J.Georg.Bed- norz和K.Alexaner.Mueller发现了超导转变温度为35K的La-Ba-Cu-O，镧系）高温氧化物超导体。镧-钡-铜-氧（氧化物的发现引发了世界范围内研究超导材料的新热潮。1年后，即1987年，美国科学家朱经武和中国科学院赵忠贤院士发现了材料临界转变温度（Tc）达到90K以上的钇-钡-铜-氧（Y-Ba-Cu-O，简写YBCO）化合物，至此，超导材料的研究进入了液氮温区。随后短短的数年内，人们又相继发现了稀土系（主要是Y-Ba-Cu-O，Tc为93K）、铋系（铋-锶-钙-铜-氧（Bi-Sr-Ca- Cu-O，BSCCO），Tc为93K）、铊系（铊-钡-钙-铜-氧（Tl-Ba-Ca-Cu-O），Tc为120K）和汞系（Hg-Ba-Ca-Cu-O），Tc为130K）等氧化物超导材料，在加压条件，Hg-Ba-Ca-Cu-O氧化物的最高Tc可达160K。这类氧化物超导材料的临界转变温度远高于25K，可以工作在廉价的液氮（Tc为77K，价格1元/L）环境中，所以这类氧化物超导材料被称为高温超导材料。到目前为止，发现的5000多种超导材料中，高温超导材料约有50多种，但是研究较多的是镧系、稀土系、铋系、汞系、铊系和新型超导体二硼化镁（MgB2，Tc为39K）6类材料。到目前为止，研究最广泛的是铋系、钇系氧化物和二硼化镁。2008年2月，东京工业大学研究小组合成了氟掺杂杉氧铁砷化合物，把该化合物中的一部分氧离子转换成氟离子，它就开始表现出超导性，并且在26K时具有超导特性。同年，中科院物理所科研小组报告，锶掺杂锢氧铁砷化合物的超导临界温度为25k，该发现最大的意义在于实现了高温超导基础研究领域上新的突破，为新型高温超导研究指明了一个新的方向，新的铁基超导材料将激发物理学界新一轮的高温超导研究高潮。2 国外高温超导体的发展现状目前，高温超导材料已进入实用化的研究开发阶段，氧化物复合超导材料的耐用和稳定性引起材料科学家的广泛重视。下文将对国外的有关研究进行概述。2.1 美国超导材料技术2006年6月美国能源部DOE发布了超导技术基础研究需求报告，指出超导技术在应用、涡旋物质（vortexmatter）超导理论、新现象和超导材料5个方面的基础研究挑战，明确了新超导体的探索与发现、原子级超导体的结构与性能控制、优化超导材料输电能力、理解和开发竞争电子相、超导性能与超导体理论预测、揭示高Tc超导性的基本理论、发展涡旋物质科学等未来7个优先研究方向，以及合成、表征、理论集成新工具和超导利用新能材料2个交叉研究方向。表1为美国超导技术基础研究现状与挑战15。表1 超导技术基础研究现状与挑战基础研究目前现状挑战超导应用l 铜酸盐超导体l 第二代导体研究与开发l 涂层导体制备l 更高的临界电流、交流电损失l YBCO涂层l 沉积动力学与反应l MgB2l 低温学支撑技术研发:冷藏系统、低温电介质、低能电子学涡旋物质l 发展交流电磁场下涡旋玻璃态理论l 钉扎涡旋和弱键连接l 发展涡旋钉扎微观理论l 固态涡旋物质钉扎l 了解各界面和断层处涡旋钉扎行为l 输电能力限制l 开发新方法增强涡旋钉扎，提高临界电流密度达到理论极限l 结构涡旋变换l 理清累积钉扎效应性能l MgB2双超导能隙l 了解极高超临界电流下涡旋电气力学l 涡旋中心微观理论l 自组装纳米周期阵列设计，实现高密度一对一涡旋钉扎方案表1（续）超导技术基础研究现状与挑战基础研究目前现状挑战涡旋物质l 未来超导体的涡旋性能l 利用铁磁缺陷设计磁性钉扎方案l 开发新一代成像工具，如洛伦兹显微镜、磁力显微镜等超导理论l 超导BSC理论l 超导态:电子对相干态l 将电子结合成对的超导胶l 提高Tc:寻找不同的超导胶l 探索临界温度的基本限制l 检测新型超导体的新工具，如扫描隧道显微镜、光传导、角分辨光电子谱、非弹性中子散射光谱新现象l 新型超导体l 赝隙相性质l 超导涡旋中心的电子态l 平面隧道和Andreev反射光谱学l 高临界场是否适于电子对分离l 量子相转变作用l 高温超导体l 量子物质新兴形态l 新兴实验技术l 电磁磁化综合制图l 原子尺度电磁结构成像l 电子与电子对动力学过程与作用超导材料l 探索新型超导体l 新型超导体探索中的理性设计l 材料先进合成技术l 新型合成方法l 纳米超导材料l 纳米尺度超导结构2003年7月，DOE在公布的Grid 20300A National Vision for Electricityps Second 100 Years报告中，把高温超导技术列为美国电力网络未来30年发展的关键技术之一。该报告制订了2010年、2020年和2030年美国在电力方面高温超导的发展目标，2010年前验证超导技术主干输电网络的可行性，实现10英里长多相超导电缆应用；2020年前HTS发电机、变压器和电缆方面取得重要进展，并实现长距离超导传输电缆应用；2030年前建成国家超导主干输电网络。2.2 日本超导材料技术的发展日本超导材料技术的发展一直在国际上处于先进地位。早在1987年9月日本就建立了Super-GM（Eng-ineering Research Association for Superconductive Gene ration Equipment and Materials）计划，其长期目标是发展超导电动机及相关的电力应用。1988年，日本成立了国际超导产业技术研究中心（In-ternational Superconduc tivity Technology Center ISTEC），致力于超导技术的调查研究和基础研究开发，并积极促进超导材料技术的国际交流。超导研究开发预算由日本新能源产业综合技术开发机构NEDO下的新能源技术发展部所控制，但其中大部分的预算均用于电力和电子应用的研究开发中。这表明日本政府在超导方面投入了相当大的精力，NEDO对超导技术研究项目进行大力支持，近年其开展的超导技术研究项目见表2。表2 日本超导材料技术主要研发机构及其研发方向研发机构主要研发方向物质材料研究机构超导材料中心新超导体探索、金属和氧化物超导体高品质导线开发、高品质超导材料制备分析、新超导器件的开发、SQUID的开发与应用、高场超导磁铁开发与应用等产业综合技术研究所能源技术研究部超导技术研究小组高温超导氧化物应用、大面积超导氧化物薄膜、故障限流元件、超导薄膜限流器国际超导产业技术研究中心超导块材、带材、线材、涂层导体、低温超导器件实验技术的研发，超导技术国际交流与合作，超导标准化等理化学研究所超级计算机、加速器等科学装置电报电话公司基础研究实验室超导量子物理研究小组超导磁通量子高亮度光科学研究中心Spring -8加速器部门超导扭摆器（wiggler）2.3 欧洲超导材料技术的发展欧洲为促进超导电力技术和超导材料技术的发展，欧洲国家应用超导联盟（The Consortium of European Companies Determined to Use Superconductivity, CONECTUS）成立于1994年，是一个非营利性的组织，领导欧洲公司全面超导技术商业化，促进欧洲经济和社会发展。1998年，欧洲基金会ESF（European Science Foun-dation）发布了极端尺度和条件下超导涡旋物质项目计划。该计划涉及15个欧洲国家、68个研究团队。NES综合研究设施和技术包括5个层次，第一层为现代样品制备和纳米结构技术；第二层为涡旋可视化局部探针技术和纳米尺度冷凝物波动函数成像；第三层为下一代共享研究设施；第四层为新应用开发的实验平台；第五层为理论方法和技术。大部分的超导研发资助还是来自欧盟各国家项目，主要是在德国、意大利、西班牙、荷兰和英国等。2.4 韩国超导材料技术的发展韩国政府在启动21世纪前沿研发计划（21C FrontierR&D Program）中，明确表示选择一些高新技术与产业，加大力度开发，以期望得到快速发展。2001年7月韩国科技部成立超导应用技术中心（Center for Applied Superconductivity Techn- ology，CAST），主要任务就是发展、促进和利用商业化超导技术，负责管理“应用超导技术发展先进能源系统计划”DAPAS（Development of Advanced Power System by Applied Superconductivity Tech-nologies）的实施。DAPAS计划在2011年前发展和商业化HTS，以及超导地下电缆、变压器、限流器、马达等超导能源设备，为社会贡献一个环境良好、能源损耗小且高等级信息社会的能源架构体系。DAPAS计划确定了未来发展阶段目标：2001-2003年为核心技术开发阶段，发展HTS电缆和系统技术；2004-2006年为预商业化阶段，改进第一阶段技术，发展原型设备；2007-2010年为商业化阶段，进行现场测试，发展商业化工业技术。表3为DAPAS工作分工、DAPAS计划发展路线图。表3 DAPAS计划工作种类项目参与单位超导电力设备电缆KERI变压器韩国理工学院限流器韩国电力研究院（KEPRI）马达KERI超导数码设备数字逻辑器韩国光技术院（KOPTI）超导通用技术HTS-PLT线材KERI/韩国机械与材料院（KIMM）HTC-CC线材KERI/韩国原子能研究院（KAERI）低温技术Neuros公司绝缘技术Gyeongsang大学HTS线圈理论技术（如连接、交流损耗等）韩国基础科学研究院（KBSI）电力系统应用技术KERI3 国内的高温超导材料开发进展3.1 我国在超导领域地位的国际比较我国在超导研究，特别是高温超导领域处在世界前沿，在1987年在铜氧化物超导体的时候，中国当时就是世界领先。2008年铁基超导体从日本开始。最后中国科学家取得铁基超导研究在世界的领先地位；但在整体水平上，包括应用物理方面的研究，还有一定差距。但是尽管有差距，很有潜力在国际上能够走在前面的3。在国家“863”专项计划及产业政策的扶持下，我国在超导带材制备、超导强电应用、超导弱电应用方面积累了大量的经验，并取得了一定成果，部分领域还建立了相关示范线。我国超导技术发展历程中，具有里程碑式意义的事件有： 2001年12月1日，我国首条铋（Bi）系高温超导带材生产线在北京英纳超导技术有限公司正式投产，标志着我国在一代Bi系高温超导带材产业化方面已达到国际领先水平； 2004年4月19日，由北京英纳超导技术有限公司和云南电力集团主导的33.5m、2kA/35kV三相交流电缆在昆明普吉变电站挂网运行，这是我国第1组并网运行的超导电缆，也是世界第3组超导电缆；2004年12月，75m、10.5kV/1.5kA三相交流超导电缆在甘肃省白银市完成了安装、调试和并网运行，此高温电缆项目由中国科学院电工研究所牵头，甘肃长通电缆科技股份有限公司参与超导电缆的制作；2008年1月7日，由北京英纳超导技术有限公司参与研制的35kV/90MVA超导限流器样机（饱和铁心型）在云南普吉变电站进行了挂网试运行；2011年2月，国内首个超导变电站在甘肃白银建成，在同年4月正式投入运行，该变电站包含了高温超导电缆、高温超导储能系统、高温超导变压器和高温超导限流器，代表了我国超导技术的最先进水平，创造了多项第一；2012年1月7日，国家电网天津电力公司首台高温超导限流器（220kV/800 A）在天津石各庄调试完毕并运行，北京英纳超导技术有限公司和天津市百利电气有限公司共同参与了该项目。3.2 对当前我国超导技术发展的认识3.2.1 整体技术水平与国际相比仍有很大差距我国已经实现了Bi系高温超导带材的的产业化，也建立了多条超导示范线，为我国超导产业的发展奠定了基础。但从整体技术水平看，与国际差距仍然很大，尤其是在长距离二代超导带材的制备、超导电流引线、超导电动机、低温制冷技术和终端接头技术等方面6。3.2.2 原始创新成果较少我国在超导领域缺少原始创新，科研上一直跟随他人的脚步。要想缩小这种差距，就必须在成果上有创新突破。尽管近几年我国超导领域取得了快速发展，论文和专利数量也有了较大增长，但在原创性及基础研究领域和产业化方面与发达国家相比仍有很大差距。3.2.3 超导产业发展面临新的机遇和挑战2012年2月22日，新材料产业“十二五”发展规划出台，明确提出超导材料作为新材料产业重点发展的方向之一，超导材料迎来了新的发展契机。强电领域是超导技术应用的一个重要方向，随着“智能电网”建设正式写入“十二五”规划，对现代电网运行的稳定性、安全性、经济性和电能质量有了新的要求，超导技术成为可能解决以上问题的方案之一。另一方面，电网的复杂性，也为超导技术应用提出了新的挑战。3.3 对我国超导技术发展的建议3.3.1 继续加大政府扶持力度政府的推动作用是无可替代的，尤其是在超导产业处于规模化前夕这一关键时期。从发达国家发展经验可以看出，政府在其中都起到了重要的引导和扶持作用，尤其是资金上的扶持极为重要。日本新能源和工业技术发展组织，1999-2008年期间累计投入626亿日元，开展高温超导电缆、变压器、飞轮储能、发电机、故障限流器等方面的研发工作，其中材料与设备的开发几乎占了总投入的一半；韩国政府耗资1.44亿美元发展高温超统。我国在“十二五”期间，政府在加大政策扶持力度的同时，应增加经费的投入比例，争取在已有工作的基础上，把握机遇，以期在国际竞争中缩小差距。3.3.2 以国家政策为先导，调动地方政府积极性超导产业的发展，除了需要国家政策的扶持外，调动地方政府的积极性也是非常重要的，因为地方政府在资源协调方面有着独特优势。以国家政策为方向，明确发展重点，有助于超导产业的加速发展。如我国第一条超导电缆及首座超导变电站，都是在地方政府的支持下才顺利实现了试运行。以上海为例，在上海市政府的支持下，由上海电缆研究所牵头，联合上海市电力公司、上海交通大学、上海大学、上海电缆厂有限公司、上海三原电缆附件有限公司，成立了上海高温超导电缆产业化及工程应用产业技术创新战略联盟，明确以工程化、产业化为目标，重点发展超导电缆等相关超导电力应用技术和第2代高温超导带材。以联盟为支撑，上海交通大学李贻杰教授成功研发了百米级2代高温超导带材，填补了国内空白。3.3.3 继续加大产学研合作力度，鼓励企业进入超导产业超导产业是一个高技术、高风险、高投入、前景好但回收周期长的高新技术产业。过去，研发主体（或参与者）主要是中国科学院、清华大学等有实力的科研院所和高校，经费来源单一，基本是来自于政府拨款，资金有限。研究方向也主要侧重于基础研究，即使取得了成果，也难以进行中试乃至产业化。另一方面，企业产品虽接近市场，资金实力强，但研发实力薄弱。若将产学研三者联合，各自发挥优势，使得研发与市场紧密结合，优势互补，必有助于推进超导技术的研发和产业化进程。此外，企业进入超导产业有其独特的优势，一方面可以参与超导项目的研发，另一方面又可为项目的产业化提供后备保证。现代企业已经深深意识到超导产业的巨大商业价值和开发前景，国内企业已经开始蛰伏超导产业，提前布局，抢占市场先机。4 结语超导技术在交通、能源、电力等领域有广泛的应用前景和巨大的市场价值。美国科学家认为，超导技术就像半导体一样会引起社会工业的巨大变革。但从目前来说，超导技术并不具备规模化的条件，还有很长的路要走。据估计，超导技术实现产业化，至少还需要510年的时间。在这期间，如何把握机遇、推进超导技术的发展和产业化、参与国际竞争，是政府、企业和无数科研工作者需要思考的战略性课题。致谢在论文撰写过程中，我得到了江老师的热情帮助。她为人随和热情，治学细心严谨，而且还很关心我们。在论文的写作和措辞等方面她也总会以“专业标准”严格要求我们，从选题、定题开始，一直到最后论文的反复修改、润色，江老师始终认真负责地给予我们深刻而细致地指导，帮助我