全球第二代高温超导带材的突起

作者：姚恒美 编译

欢迎访问e展厅 展厅 14 电线电缆/光纤展厅 电线, 电源线, 端子线, 线束, 同轴电缆, ... 全球第二代高温超导带材的突起 科学家们预言，21世纪是超导电缆时代。据世界银行有关机构预测，2020年高温超导电缆将取代80%的城市传统地下电缆。目前，由金属管线内填充超导粉末铋系氧化物（BSCCO）而制成的第一代高温超导带材（又称铋系带材）已迈向商品化，但相当于铜导线100倍的高成本使其难以打入输电线市场。所以，各国正在努力研究开发在金属带状基底上镀上超导层钇系氧化物（YBCO）而制成的第二代高温超导带材（又称钇系带材），以降低成本和提高性能。 较之第一代，第二代高温超导带材具有一系列明显的优势：物理特性上电流密度更高，发生超导的临界温度有进一步提高的潜能；交流损耗低，较容易通过一定形式来限制故障电流；最重要的是省去了贵金属银，理论成本远低于第一代。 第二代高温超导带材的研发历史 1991年日本藤仓公司（Fujikura）采用离子束辅助沉积法(IBAD)，真空条件下在柔软非织构的金属(一般为镍合金)带上获得了一层高度织构钇稳定的氧化锆(YSZ) 膜，接着又用脉冲激光沉积(PLD)工艺，在该基带涂层上外延沉积了钇系氧化物YBCO，宣告第二代高温超导带材的问世。随后，美国洛斯阿拉莫斯实验室（LANL）对这些工艺进行了优化，于1995年宣布制成在77K温度下超导临界电流密度达到1 MA／cm2的短样，这一结果引起了世界范围的轰动，并吸引了越来越多的研究机构和科学家的介入。 此后又经历了近十年缓慢而有成效的努力，第二代高温超导带材取得了突破性的进展，在织构型金属基带、多层过渡层(Buffer Layer) 、连续YBCO 超导膜涂复等工艺技术和系统装备方面有了明显改善。2005年美国《科学》杂志报道，有3家公司宣布开发出新技术。位于马萨诸塞州的美国超导体公司（AMSC）采用高速制造超导导线技术，已制成10米导线，在77K温度下能携带272安培电流，而制成的30米长的导线可携带186安培电流；而位于纽约州的超级动力公司（IGC－superpower）已生产出100米长导线，在77K温度下可携带100安培电流，并计划将于2006年开始生产1000公里二代超导导线。日本和德国的研究机构和企业也已先后研发成功100米长度量级的第二代高温超导带材，并接近大规模商业化应用的边缘。 未来预测与典型国家和地区的规划布局 美国洛斯·阿拉莫斯实验室超导带材研究计划负责人皮特森说：“第二代高温超导导线无疑已可在实际中应用，仅仅存在成本稍高问题。”如果二代高温超导带材成本大大低于第一代高温超导这一优势能够实现，那么即使是最保守的电力公司也无法抗拒其吸引力。作为21世纪具有经济战略意义的高新技术，今后几年将是在未来的超导技术国际竞争中取得优势的关键时期，以美、欧、日、韩为代表的竞争愈发显得激烈。 1、美 国 美国依其一贯的强化资助全力推进策略，组织国内各界优势力量，科技-产业联动突破。能源部从1995年至2005年对高温超导项目的资助经费超过5亿美元，资助项目主要由国家实验室、研发公司与大学承担。2006年美国能源部与国防部空军实验室计划将在第二代高温超导带材项目上分别给予超级动力公司（IGC－superpower）与美国超导公司（AMSC）高达1700万美元和530万美元的资助。能源部计划将从2008年开始大范围推广第二代高温超导带材在能源的生产、传输及转化领域的应用（如高温超导电缆、超导变压器、超导电机、超导发电机等）。美国海空军也大力资助高温超导带材的研发工作，希望在新一代水面战舰、激光武器方面应用高温超导材料的优越性能。 由能源部牵头，美国在第二代高温超导带材研究上形成明确的合作网络，离子束辅助沉积法(IBAD)阵营以洛斯阿拉莫斯实验室（LANL）为首，而双轴再织构合金带(RABiTS)阵营以橡树岭实验室（ORNL）为首，两大阵营均联合有超级动力公司（IGC－superpower）、美国超导公司（AMSC）等研发型公司。此外合作网络中还包括布鲁克海文国家实验室（BNL）、国家可再生能源实验室（NREL）、桑迪亚国家实验室（SNL）、国家标准与技术研究院（NIST）以及威斯康星大学、加州大学圣芭芭拉分校、密苏里大学、斯坦福大学、麻省理工学院、休斯顿大学、纽约州立大学奥伯尼分校、堪萨斯大学、佛罗里达州立大学等科研机构与高校。 2、欧 洲 欧洲采取跨国联合共赢策略，超导带材研发工作由德国牵头，英国、法国、意大利、西班牙、芬兰等国积极参与。据洛斯阿拉莫斯实验室（LANL）的超导带材计划负责人Dean Peterson统计，欧洲已有20个国家共计91个组织投入到超导的研究中，形成了良好的合作网络。目前欧洲在第二代高温超导带材研究领域做得比较出色的团队包括德国哥廷根大学、欧洲高温超导公司、英国剑桥大学、德国固体和材料研究所、Theva公司（慕尼黑工业大学1996年创办）等。 3、日 本 日本曾以国家计划的高度统筹推进成功实现或保持了包括尖端仪器设备、机器人、信息技术等领域的领先一步，这一策略同样被用在了超导材料的推进上。日本超导材料的发展一直在国际上处于领先地位，目前在钇系材料的研发上仍优于欧美。为保持优势，新世纪初日本设立了为期五年（2003年－2007年）的第二代高温超导带材研发国家计划，总投资超过1.5亿美元，最终目标是研发出高性能带和低成本带，在77K、自场条件下，每厘米宽度电流大于300安培，带材长500米以上，大大降低制造成本。计划中2005年的预算达3200万美元，加上购置设备花费的500万美元，总计投入了3700万美元。 日本第二代高温超导带材研发国家计划由新能源产业技术综合研发机构来统筹安排，协调管理承担计划的研究机构、高校与研发公司。其中成立于1988年的日本国际超导产业技术研究中心（ISTEC）主要承担五个方面的研究内容：IBAD－PLD途径的高性能带、TFA－MOD途径卷到卷型（reel-to-reel）的低成本带、PLD途径RE123的低成本带、特性描述以及材料设计和颗粒边界控制。此外，藤仓公司（Fujikura）负责IBAD－PLD途径的高性能带的研发，住友公司（sumitomo）负责HoBCO低成本带的研发，九州大学与早稻田大学分别负责研究电磁特性和热导特性的研究，九州电力公司和横滨国立大学分别负责线圈电流损失和Jc分布与电流损失的研究，京都大学和名古屋大学分别负责人工连接控制和控制观察。日本精细陶瓷中心负责在透射电子显微镜（TEM）下的观察，三菱电子电力公司（Chubu）负责MOCVD途径的低成本长带的研发，古川电子公司（Furukawa）负责合金基带的研发，昭和电线电缆公司（Showa）负责TFA-MOD途径的低成本长带的研发。 4、韩 国 韩国虽然在第二代高温超导带材的研究起步较晚，但其秉持着在电子领域的研发传统，以强有力的资金和组织机制作保障，近年来购置大量先进实验设备，并在世界范围内招募专家。2001年韩国设立了应用超导技术发展先进电力系统计划（DAPAS），计划分为三阶段：2001年至2004年，实现20A/cm的5米带长； 2004年至2007年，实现250A/cm的100米带长；2007年至2011年，实现750A/cm的100米带长和500A/cm的1000米带长的产业化。前两个阶段的资助经费将超过1亿美元，单个研究课题年度经费折合人民币超过1000万元。 DAPAS计划由韩国科技部成立的应用超导技术中心（CAST）负责组织协调，具体承担单位包括首尔大学、韩国电子技术研究所（KERI）、韩国机械材料研究所（KIMM）、韩国钢线公司（KISWIRE）等。该计划第二阶段第二个财年（2005年4月至2006年3月）的具体研发组织结构如下：PVD和通常技术由韩国电子技术研究所（KERI）负责，韩国先进技术研究所（KAIST）和安东国立大学联合参与；MOD技术由韩国机械材料研究所（KIMM）负责，韩国原子能研究所（KAERI）、韩国理工大学以及梨花大学联合参与；IBAD技术由首尔大学负责，建国大学、延世大学、釜山大学以及斯坦福大学联合参与；合金带由韩国钢线公司（KISWIRE）负责，韩国原子能研究所参与研究。 主要参考文献 1、《Status of Coated Conductor Development World-Wide》,2005年高温超导体发展研讨会，美国佛罗里达 2、《Current Status of the National Project of Coated Conductors in Japan》 3、《第二代高温超导线材研究进展》，稀有金属快报(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (7/7/2006)