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。
圖超導(dǎo)體的正常態(tài)-起導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變曲線
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行列,基本掌握了各種實用化超導(dǎo)材料的制備技術(shù),在多個應(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。
圖超導(dǎo)材料及其應(yīng)用領(lǐng)域
經(jīng)歷了100多年的研究,人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多達數(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。
如今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)萬種超導(dǎo)體,但真正具有實用價值的超導(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,具有實用價值的高溫超導(dǎo)體主要包括:
鉍系(BSCCO,Tc約90K-110K,也稱為第一代高溫超導(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)。
進入21世紀以來,MgB2(Tc為39K)和鐵基超導(dǎo)體(Tc最高為55K)相繼被發(fā)現(xiàn),成為兩種新的具有實際應(yīng)用潛力的超導(dǎo)體。
超導(dǎo)材料主要包括NbTi、Nb3Sn、Nb3Al等。自上世紀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驗堆(ITER)計劃,從而使我國低溫超導(dǎo)材料的發(fā)展迎來了前所未有的機遇。ITER項目極大推動了我國低溫超導(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)長的時間內(nèi)仍將是最主要的超導(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,今后將進一步根據(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驗堆(CFETR)、超級質(zhì)子對撞機(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)展重點中,低溫超導(dǎo)材料也有被提出。
自上世紀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)出臨界電流達到200A的千米級Bi-2223超導(dǎo)帶材,這是Bi-2223目前所達到的最高水平。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)展打下了堅實的基礎(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。
表目前主要生產(chǎn)廠商提供的典型Bi-2223超導(dǎo)帶材的性能
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下的不可逆場達到了7T,高出Bi-2223一個量級,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立方織構(gòu)的YBCO層。而長尺度的強立方織構(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。
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)院電工研究所首次將鐵基超導(dǎo)線帶材的臨界電流密度提高到105A/cm2(4.2K,10T),達到實用化水平。
另外,通過對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)模化制備中的均勻性、穩(wěn)定性和重復(fù)性等技術(shù)難點,并于2016年成功制備出長度達到115m的7芯鐵基百米長線(如下圖所示),該工作被譽為是鐵基超導(dǎo)材料從實驗室研究走向產(chǎn)業(yè)化進程的里程碑,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)。
圖 世界首根100米量級鐵基超導(dǎo)長線
由于超導(dǎo)線的載流能力可以達到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。由于超導(dǎo)線在電流超過其臨界電流時,會失去超導(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,FCL)可以在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時自動限制短路電流的上升,從而有效保護電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。此外,利用超導(dǎo)線研制的超導(dǎo)儲能系統(tǒng)(SMES)是一種高效的儲能系統(tǒng)(效率可達95%以上),且具有快速高功率響應(yīng)和靈活可控的特點,對于解決電網(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)用價值。
超導(dǎo)材料的性價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。
強磁場條件有助于實現(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)用價值。自從上世紀60年以來,隨著實用化低溫超導(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驗裝置(LDX)也需要超導(dǎo)磁體作為支撐。
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)、磁場強度達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)展對于人類認識物質(zhì)和生命的結(jié)構(gòu)及活動規(guī)律具有重要的意義。
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,實驗室制備超導(dǎo)薄膜已經(jīng)成為研究超導(dǎo)物理的基礎(chǔ)性實驗手段。
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《一文看懂超導(dǎo)材料》
一、超導(dǎo)材料簡介
超導(dǎo),全稱超導(dǎo)電性,是20世紀最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一,是指某些材料在溫度降低到某一臨界溫度,或超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下時,電阻突然消失為零的現(xiàn)象,具備這種特性的材料稱為超導(dǎo)材料。
目前,已發(fā)現(xiàn)有46種元素(常壓下32種、高壓下14種)和幾千種合金和化合物可以稱為超導(dǎo)材料。
二、超導(dǎo)材料的分類
通過材料對于磁場的響應(yīng)可以把它們分為第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體。
根據(jù)超導(dǎo)材料組成和轉(zhuǎn)變溫度可以分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料。
將臨界溫度Tc在液氦溫度以下的超導(dǎo)材料稱為低溫超導(dǎo)材料;臨界溫度Tc在液氦沸點以上的超導(dǎo)材料稱為高溫超導(dǎo)材料。
三、超導(dǎo)材料的發(fā)展歷程
四、超導(dǎo)材料的應(yīng)用
超導(dǎo)材料的用途非常廣泛,大致可以分為三大類:大電流應(yīng)用(強電應(yīng)用)、電子學(xué)應(yīng)用(弱電應(yīng)用)和抗磁性應(yīng)用。大電流應(yīng)用包括超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲能;電子學(xué)應(yīng)用包括超導(dǎo)計算機、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等;抗磁性主要應(yīng)用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等。
五、超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)鏈及市場
超導(dǎo)行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈由三部分組成:上游礦資源,如釔、鋇、鉍、鍶等金屬;中游
是超導(dǎo)材料,如YBCO和BSCCO等;下游是超導(dǎo)應(yīng)用產(chǎn)品,如超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)濾波器、超導(dǎo)儲能、超導(dǎo)發(fā)電機和超導(dǎo)變壓器等。
超導(dǎo)材料是超導(dǎo)行業(yè)的核心。
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從整個產(chǎn)業(yè)鏈價值分析來講,超導(dǎo)材料占超導(dǎo)設(shè)備40-50%的成本;
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從盈利能來講,超導(dǎo)材料盈利能力最強,毛利率約為50%左右。
目前,技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、商業(yè)化程度最高的超導(dǎo)材料是BSCCO高溫超導(dǎo)材料,各國研發(fā)和生產(chǎn)重點超導(dǎo)材料是YBCO高溫超導(dǎo)材料,YBCO第二代超導(dǎo)材料是未來超導(dǎo)材料發(fā)展的方向。而國內(nèi)超導(dǎo)材料主要是依賴于美國和日本進口,價格昂貴,占應(yīng)用產(chǎn)品的50%左右成本。超導(dǎo)行業(yè)發(fā)展必將產(chǎn)生對超導(dǎo)材料大量的需求,因此,超導(dǎo)行業(yè)要發(fā)展壯大,超導(dǎo)材料必須國產(chǎn)化。
六、超導(dǎo)技術(shù)研究成果及企業(yè)
參考資料
[1]肖立業(yè),《超導(dǎo)材料及其應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景》
[2]賈雙珠,《低溫超導(dǎo)材料研究進展》
[3]干勇,《制造業(yè)強國戰(zhàn)略與“十三五”新材料發(fā)展與規(guī)劃》
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