目前,已發現有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材料。
圖超導體的正常態-起導態轉變曲線
超導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導體完全不具備的電磁特性,因而在電氣與電子工程領域具有廣泛的應用價值。我國在超導材料及其應用領域總體上處于國際先進行列,基本掌握了各種實用化超導材料的制備技術,在多個應用方面也取得了良好的發展。我國超導材料及其應用領域將不斷探索更高臨界溫度的超導體,提升超導材料及其應用技術的發展水平。
圖超導材料及其應用領域
經歷了100多年的研究,人已經發現了多達數萬種超導體。按照超導體的臨界溫度,可以將超導體分為低溫超導體和高溫超導體,臨界溫度低于25K~30K超導體為低溫超導體,臨界溫度高于25K~30K超導體為高溫超導體。目前,基于低溫超導材料的應用裝置一般工作在液氦溫度(4.2K及以下),基于高溫超導材料的應用裝置一般工作在液氫溫度(約20K)至液氮溫度(約77K)之間。
如今已經發現了數萬種超導體,但真正具有實用價值的超導體并不多。目前得到應用的低溫超導體主要包括NbTi、Nb3Sn、Nb3Al等,具有實用價值的高溫超導體主要包括:
鉍系(BSCCO,Tc約90K-110K,也稱為第一代高溫超導材料,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材料)。
進入21世紀以來,MgB2(Tc為39K)和鐵基超導體(Tc最高為55K)相繼被發現,成為兩種新的具有實際應用潛力的超導體。
超導材料主要包括NbTi、Nb3Sn、Nb3Al等。自上世紀60年代以來,其制備技術與工藝已經相當成熟,并推動了如加速器磁體、核聚變工程用超導磁體、核磁共振(MRI和NMR)磁體、通用超導磁體等的發展,并由此形成了具有一定規模的超導產業。目前,美國、歐盟和日本等國家和地區已經有一大批的企業可以生產各種面向不同應用需求的低溫超導材料。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材料的發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材料的發展,也為我國自主開發MRI、加速器和核聚變磁體提供了超導材料供應的保障。
盡管受到高溫超導材料不斷發展的挑戰,但是低溫超導材料在批量化加工技術、成本、使用穩定性方面的優勢無可替代。且隨著制冷技術的不斷發展,也使得低溫超導裝置對液氦的依賴程度逐漸降低,低溫超導材料在今后相當長的時間內仍將是最主要的超導產業支柱性材料。由于低溫超導材料的性能水平和工藝路線已經相當成熟,國際上的競爭主要來自產品性價比的競爭。我國西部超導材料科技有限公司已經在低溫超導材料的生產方面形成了自身的競爭優勢,今后將進一步根據應用需求不斷優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)、超級質子對撞機(SPPC)和國內MRI市場發展需求,形成與國內需求相匹配的生產能力。
在十四五前瞻布局前沿新材料研發的發展重點中,低溫超導材料也有被提出。
自上世紀末成功采用粉末套管法制備出長帶以來,Bi-2223超導帶材的制備技術已經日趨成熟。國內外具備了批量化生產千米級長帶能力的公司有美國超導公司(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注。目前,住友電氣已經可以生產出臨界電流達到200A的千米級Bi-2223超導帶材,這是Bi-2223目前所達到的最高水平。到目前為止,世界上Bi-2223帶材的年生產能力總和已達千公里以上,為高溫超導電力應用技術的發展打下了堅實的基礎。下表列出了目前國內外主要的Bi-2223供應商提供的超導帶材的性能。
表目前主要生產廠商提供的典型Bi-2223超導帶材的性能
YBCO(或ReBCO)超導體在磁場下的性能比Bi-2223更為優越,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注。獲得高性能的第二代高溫超導(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體能否承載無阻大電流的關鍵。另外,由于YBCO的電流傳輸主要在其a-b面內,因此要獲得高性能的第二代高溫超導帶材,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的YBCO層。而長尺度的強立方織構YBCO的獲得一般需要采用涂層技術的外延生長,因此YBCO超導帶材也被稱為涂層導體。
與Bi-2223一樣,鐵基超導帶材的制備一般也采用粉末裝管法(PIT法)。目前,國內外從事鐵基超導線帶材研究的主要單位為中國科學院電工研究所、美國佛羅里達州立大學、日本國立材料研究所、東京大學、意大利熱那亞大學、日本產業技術綜合研究所、澳大利亞臥龍崗大學等。其中,中國科學院電工研究所在高性能鐵基超導材料的研制中一直走在世界前列。2014年,中國科學院電工研究所首次將鐵基超導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構控制、界面復合體均勻加工等關鍵技術的系統研究,解決了鐵基超導線規模化制備中的均勻性、穩定性和重復性等技術難點,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材料從實驗室研究走向產業化進程的里程碑,奠定了鐵基超導材料在工業、醫學、國防等諸多領域的應用基礎。
圖 世界首根100米量級鐵基超導長線
由于超導線的載流能力可以達到100~1000A/mm2(大約是普通銅導線或鋁導線的載流能力的50~500倍),且其直流狀態下的傳輸損耗為零,因此利用超導線制備的電力設備,具有損耗低、效率高、占空間小的優勢。由于超導線在電流超過其臨界電流時,會失去超導性而呈現較大的電阻率,因而用超導線制成的限流設備(超導限流器,FCL)可以在電網發生短路故障時自動限制短路電流的上升,從而有效保護電網安全穩定運行。此外,利用超導線研制的超導儲能系統(SMES)是一種高效的儲能系統(效率可達95%以上),且具有快速高功率響應和靈活可控的特點,對于解決電網的安全穩定性和瞬態功率平衡問題也具有潛在應用價值。
超導材料的性價比是否能夠做到與傳統的導電材料相近、低溫制冷系統能否具有長期運行的可靠性和穩定性。特別是,如果能夠探索出更高臨界溫度的超導體乃至室溫超導體,且這類新的超導體具有良好的電磁性能,那么超導電力技術的規模應用必將成為現實。
強磁場條件有助于實現特有的功能和發現新的物理現象,因此在現代科學技術中有重要的應用價值。自從上世紀60年以來,隨著實用化低溫超導材料的發現,超導磁體技術得到了很大發展,并在核磁共振、大科學工程、科學儀器和工業裝備等領域得到廣泛的應用,并已經成為一門相當成熟的技術。
高能加速器是超導磁體在大科學工程中應用的一個重要的領域,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。在核聚變領域,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)也需要超導磁體作為支撐。
研制大口徑高場核磁共振成像系統用超導磁體(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磁體以及超高場的通用超導磁體(30T及以上)。這些特種超導磁體的發展對于人類認識物質和生命的結構及活動規律具有重要的意義。
超導電子學應用主要包括微波通信應用、約瑟夫森結的各種應用及單光子探測等。與上述的超導電力技術及超導磁體技術應用不同,超導電子學應用主要是基于超導薄膜材料和超導納米線等超導材料。目前,超導薄膜的制備(如Nb薄膜和YBCO薄膜)技術已經相當成熟,實驗室制備超導薄膜已經成為研究超導物理的基礎性實驗手段。
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《一文看懂超導材料》
一、超導材料簡介
超導,全稱超導電性,是20世紀最偉大的科學發現之一,是指某些材料在溫度降低到某一臨界溫度,或超導轉變溫度以下時,電阻突然消失為零的現象,具備這種特性的材料稱為超導材料。
目前,已發現有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材料。
二、超導材料的分類
通過材料對于磁場的響應可以把它們分為第一類超導體和第二類超導體。
根據超導材料組成和轉變溫度可以分為低溫超導材料和高溫超導材料。
將臨界溫度Tc在液氦溫度以下的超導材料稱為低溫超導材料;臨界溫度Tc在液氦沸點以上的超導材料稱為高溫超導材料。
三、超導材料的發展歷程
四、超導材料的應用
超導材料的用途非常廣泛,大致可以分為三大類:大電流應用(強電應用)、電子學應用(弱電應用)和抗磁性應用。大電流應用包括超導發電、輸電和儲能;電子學應用包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等;抗磁性主要應用于磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。
五、超導材料產業鏈及市場
超導行業產業鏈由三部分組成:上游礦資源,如釔、鋇、鉍、鍶等金屬;中游
是超導材料,如YBCO和BSCCO等;下游是超導應用產品,如超導電纜、超導限流器、超導濾波器、超導儲能、超導發電機和超導變壓器等。
超導材料是超導行業的核心。
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從整個產業鏈價值分析來講,超導材料占超導設備40-50%的成本;
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從盈利能來講,超導材料盈利能力最強,毛利率約為50%左右。
目前,技術最成熟、應用最廣泛、商業化程度最高的超導材料是BSCCO高溫超導材料,各國研發和生產重點超導材料是YBCO高溫超導材料,YBCO第二代超導材料是未來超導材料發展的方向。而國內超導材料主要是依賴于美國和日本進口,價格昂貴,占應用產品的50%左右成本。超導行業發展必將產生對超導材料大量的需求,因此,超導行業要發展壯大,超導材料必須國產化。
六、超導技術研究成果及企業
參考資料
[1]肖立業,《超導材料及其應用現狀與發展前景》
[2]賈雙珠,《低溫超導材料研究進展》
[3]干勇,《制造業強國戰略與“十三五”新材料發展與規劃》
