任何導(dǎo)體在常溫下都具有一定的電阻，然而，某些常溫金屬，如鉛、錫、鈮等分別冷卻到某個(gè)特定的極低溫度以下時(shí)，金屬兩端所呈現(xiàn)的電阻突然消失為零，即喪失了任何電阻，這就是超導(dǎo)效應(yīng)。低溫超導(dǎo)材料具有低超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc＜30K)，可在液氦溫度下工作。超導(dǎo)體的基本特性包括零電阻效應(yīng)、邁斯納效應(yīng)和約瑟夫森效應(yīng)等。

目前，已發(fā)現(xiàn)有46種元素（常壓下32種、高壓下14種）和幾千種合金、化合物可以稱為超導(dǎo)材料。

超導(dǎo)體不僅在臨界溫度下具有零電阻特性，而且在一定的條件下具有常規(guī)導(dǎo)體完全不具備的電磁特性，因而在電氣與電子工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。我國在超導(dǎo)材料及其應(yīng)用領(lǐng)域總體上處于國際先進(jìn)行列，基本掌握了各種實(shí)用化超導(dǎo)材料的制備技術(shù)，在多個(gè)應(yīng)用方面也取得了良好的發(fā)展。我國超導(dǎo)材料及其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗵剿鞲吲R界溫度的超導(dǎo)體，提升超導(dǎo)材料及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展水平。

經(jīng)歷了100多年的研究，人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多達(dá)數(shù)萬種超導(dǎo)體。按照超導(dǎo)體的臨界溫度，可以將超導(dǎo)體分為低溫超導(dǎo)體和高溫超導(dǎo)體，臨界溫度低于25K~30K超導(dǎo)體為低溫超導(dǎo)體，臨界溫度高于25K~30K超導(dǎo)體為高溫超導(dǎo)體。目前，基于低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用裝置一般工作在液氦溫度（4.2K及以下），基于高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用裝置一般工作在液氫溫度（約20K）至液氮溫度（約77K）之間。

超導(dǎo)材料的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

如今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)萬種超導(dǎo)體，但真正具有實(shí)用價(jià)值的超導(dǎo)體并不多。目前得到應(yīng)用的低溫超導(dǎo)體主要包括NbTi、Nb₃Sn、Nb₃Al等，具有實(shí)用價(jià)值的高溫超導(dǎo)體主要包括：

鉍系（BSCCO，Tc約90K-110K，也稱為***代高溫超導(dǎo)材料，主要包括BSCCO-2212和BSCCO-2223兩種，也簡稱Bi-2212或Bi-2223）。

釔系（Tc約90K，YBCO或ReBCO，也稱為第二代高溫超導(dǎo)材料）。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，MgB₂（Tc為39K）和鐵基超導(dǎo)體（Tc***高為55K）相繼被發(fā)現(xiàn)，成為兩種新的具有實(shí)際應(yīng)用潛力的超導(dǎo)體。

低溫超導(dǎo)材料發(fā)展現(xiàn)狀與前景

超導(dǎo)材料主要包括NbTi、Nb₃Sn、Nb₃Al等。自上世紀(jì)60年代以來，其制備技術(shù)與工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，并推動(dòng)了如加速器磁體、核聚變工程用超導(dǎo)磁體、核磁共振（MRI和NMR）磁體、通用超導(dǎo)磁體等的發(fā)展，并由此形成了具有一定規(guī)模的超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。目前，美國、歐盟和日本等國家和地區(qū)已經(jīng)有一大批的企業(yè)可以生產(chǎn)各種面向不同應(yīng)用需求的低溫超導(dǎo)材料。2006年，我國加入了國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃，從而使我國低溫超導(dǎo)材料的發(fā)展迎來了***的機(jī)遇。ITER項(xiàng)目極大推動(dòng)了我國低溫超導(dǎo)材料的發(fā)展，也為我國自主開發(fā)MRI、加速器和核聚變磁體提供了超導(dǎo)材料供應(yīng)的保障。

盡管受到高溫超導(dǎo)材料不斷發(fā)展的挑戰(zhàn)，但是低溫超導(dǎo)材料在批量化加工技術(shù)、成本、使用穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)無可替代。且隨著制冷技術(shù)的不斷發(fā)展，也使得低溫超導(dǎo)裝置對(duì)液氦的依賴程度逐漸降低，低溫超導(dǎo)材料在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍將是***主要的超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)支柱性材料。由于低溫超導(dǎo)材料的性能水平和工藝路線已經(jīng)相當(dāng)成熟，國際上的競爭主要來自產(chǎn)品性價(jià)比的競爭。我國西部超導(dǎo)材料科技有限公司已經(jīng)在低溫超導(dǎo)材料的生產(chǎn)方面形成了自身的競爭優(yōu)勢(shì)，今后將進(jìn)一步根據(jù)應(yīng)用需求不斷優(yōu)化工藝和提高材料的性能水平，特別是圍繞中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）、超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SPPC）和國內(nèi)MRI市場發(fā)展需求，形成與國內(nèi)需求相匹配的生產(chǎn)能力。

在十四五前瞻布局前沿新材料研發(fā)的發(fā)展重點(diǎn)中，低溫超導(dǎo)材料也有被提出。

高溫超導(dǎo)材料發(fā)展現(xiàn)狀與前景

●Bi系高溫超導(dǎo)材料●

自上世紀(jì)末成功采用粉末套管法制備出長帶以來，Bi-2223超導(dǎo)帶材的制備技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。國內(nèi)外具備了批量化生產(chǎn)千米級(jí)長帶能力的公司有美國超導(dǎo)公司（AMSC）、北京英納公司（INNOST）、德國布魯克公司（BRUKER）、日本住友電氣公司（SUMI TOMO）等多家公司。2006年，日本住友電氣公司組建了30MPa的冷壁式Cont roll ed Over pressur e（CT-OP）熱處理方案，成功制備臨界電流達(dá)到150A的帶材，這一成果引起了世界同行的極大關(guān)注。目前，住友電氣已經(jīng)可以生產(chǎn)出臨界電流達(dá)到200A的千米級(jí)Bi-2223超導(dǎo)帶材，這是Bi-2223目前所達(dá)到的***高水平。到目前為止，世界上Bi-2223帶材的年生產(chǎn)能力總和已達(dá)千公里以上，為高溫超導(dǎo)電力應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。下表列出了目前國內(nèi)外主要的Bi-2223供應(yīng)商提供的超導(dǎo)帶材的性能。

Y系高溫超導(dǎo)材料●

YBCO（或ReBCO）超導(dǎo)體在磁場下的性能比Bi-2223更為優(yōu)越，它在77K下的不可逆場達(dá)到了7T，高出Bi-2223一個(gè)量級(jí)，因而近年來受到了更多的關(guān)注。獲得高性能的第二代高溫超導(dǎo)（Y系）帶材的主要障礙是弱連接問題，相鄰的YBCO晶粒間的晶界角是決定超導(dǎo)體能否承載無阻大電流的關(guān)鍵。另外，由于YBCO的電流傳輸主要在其a-b面內(nèi)，因此要獲得高性能的第二代高溫超導(dǎo)帶材，必須先在柔性的金屬基帶上制備出c軸垂直于基帶表面的強(qiáng)立方織構(gòu)的YBCO層。而長尺度的強(qiáng)立方織構(gòu)YBCO的獲得一般需要采用涂層技術(shù)的外延生長，因此YBCO超導(dǎo)帶材也被稱為涂層導(dǎo)體。

●鐵基超導(dǎo)材料●

與Bi-2223一樣，鐵基超導(dǎo)帶材的制備一般也采用粉末裝管法（PIT法）。目前，國內(nèi)外從事鐵基超導(dǎo)線帶材研究的主要單位為中國科學(xué)院電工研究所、美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)、日本國立材料研究所、東京大學(xué)、意大利熱那亞大學(xué)、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、澳大利亞臥龍崗大學(xué)等。其中，中國科學(xué)院電工研究所在高性能鐵基超導(dǎo)材料的研制中一直走在世界前列。2014年，中國科學(xué)院電工研究所***將鐵基超導(dǎo)線帶材的臨界電流密度提高到105A/cm²（4.2K，10T），達(dá)到實(shí)用化水平。

另外，通過對(duì)制備過程中涉及的相組分與微結(jié)構(gòu)控制、界面復(fù)合體均勻加工等關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)研究，解決了鐵基超導(dǎo)線規(guī)?；苽渲械木鶆蛐?、穩(wěn)定性和重復(fù)性等技術(shù)難點(diǎn)，并于2016年成功制備出長度達(dá)到115m的7芯鐵基百米長線（如下圖所示），該工作被譽(yù)為是鐵基超導(dǎo)材料從實(shí)驗(yàn)室研究走向產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的里程碑，奠定了鐵基超導(dǎo)材料在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、國防等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)。

超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景

●超導(dǎo)電力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景●

由于超導(dǎo)線的載流能力可以達(dá)到100~1000A/mm2（大約是普通銅導(dǎo)線或鋁導(dǎo)線的載流能力的50~500倍），且其直流狀態(tài)下的傳輸損耗為零，因此利用超導(dǎo)線制備的電力設(shè)備，具有損耗低、效率高、占空間小的優(yōu)勢(shì)。由于超導(dǎo)線在電流超過其臨界電流時(shí)，會(huì)失去超導(dǎo)性而呈現(xiàn)較大的電阻率，因而用超導(dǎo)線制成的限流設(shè)備（超導(dǎo)限流器，F(xiàn)CL）可以在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)自動(dòng)***短路電流的上升，從而有效保護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，利用超導(dǎo)線研制的超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）是一種***的儲(chǔ)能系統(tǒng)（效率可達(dá)95%以上），且具有快速高功率響應(yīng)和靈活可控的特點(diǎn)，對(duì)于解決電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性和瞬態(tài)功率平衡問題也具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

主要挑戰(zhàn)

超導(dǎo)材料的性價(jià)比是否能夠做到與傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料相近、低溫制冷系統(tǒng)能否具有長期運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。特別是，如果能夠探索出更高臨界溫度的超導(dǎo)體乃至室溫超導(dǎo)體，且這類新的超導(dǎo)體具有良好的電磁性能，那么超導(dǎo)電力技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用必將成為現(xiàn)實(shí)。

●超導(dǎo)磁體技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景●

強(qiáng)磁場條件有助于實(shí)現(xiàn)特有的功能和發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，因此在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中有重要的應(yīng)用價(jià)值。自從上世紀(jì)60年以來，隨著實(shí)用化低溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)磁體技術(shù)得到了很大發(fā)展，并在核磁共振、大科學(xué)工程、科學(xué)儀器和工業(yè)裝備等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并已經(jīng)成為一門相當(dāng)成熟的技術(shù)。

高能加速器是超導(dǎo)磁體在大科學(xué)工程中應(yīng)用的一個(gè)重要的領(lǐng)域，如歐洲的LHC，美國的RHIC以及德國的DESY、GSI等高磁場加速器磁體系統(tǒng)已相繼建成和投入運(yùn)行。我國中科院高能物理研究所、蘭州近代物理所、中科院等離子所、上海應(yīng)用物理研究所圍繞ADS和高能探測器等也開展了系列研究與開發(fā)。在核聚變領(lǐng)域，托卡馬克（Tokamak）、仿星器（Stellarator）和磁鏡（Mirrormachines）以及懸浮等離子體實(shí)驗(yàn)裝置（LDX）也需要超導(dǎo)磁體作為支撐。

主要挑戰(zhàn)

研制大口徑高場核磁共振成像系統(tǒng)用超導(dǎo)磁體（9.4T及以上、口徑800mm）、磁場強(qiáng)度達(dá)25T及以上的核磁共振譜儀用超導(dǎo)磁體以及超高場的通用超導(dǎo)磁體（30T及以上）。這些特種超導(dǎo)磁體的發(fā)展對(duì)于人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)和生命的結(jié)構(gòu)及活動(dòng)規(guī)律具有重要的意義。

●超導(dǎo)磁體技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景●

超導(dǎo)電子學(xué)應(yīng)用主要包括微波通信應(yīng)用、約瑟夫森結(jié)的各種應(yīng)用及單光子探測等。與上述的超導(dǎo)電力技術(shù)及超導(dǎo)磁體技術(shù)應(yīng)用不同，超導(dǎo)電子學(xué)應(yīng)用主要是基于超導(dǎo)薄膜材料和超導(dǎo)納米線等超導(dǎo)材料。目前，超導(dǎo)薄膜的制備（如Nb薄膜和YBCO薄膜）技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，實(shí)驗(yàn)室制備超導(dǎo)薄膜已經(jīng)成為研究超導(dǎo)物理的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)手段。

來源：材易通

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