强电用超导材料的发展现状与展望_张平祥.pdf

强电用超导材料的发展现状与展望DOI 10.15302/J-SSCAE-2023.01.001强电用超导材料的发展现状与展望张平祥 1,2，闫果 2，冯建情 1，马衍伟 3，朱佳敏 4，陶伯万 5，蔡传兵 6（1.西北有色金属研究院，西安 710016；2.西部超导材料科技股份有限公司，西安 710018；3.中国科学院电工研究所，北京 100190；4.上海超导科技股份有限公司，上海 200135；5.电子科技大学电子科学与工程学院，成都 610054；6.上海上创超导科技有限公司，上海 201400）摘要：超导材料具有常规材料不具备的零电阻、完全抗磁性等宏观量子现象，是典型的量子材料。在强电应用领域，使用超导材料可以实现常规技术无法实现的超强磁场、大容量储能等诸多颠覆性技术，因此，强电用超导材料制备技术一直是国际高技术竞争前沿。本文通过梳理国内外强电用超导材料及其制备技术的发展现状，系统分析和阐明了包括低温超导材料NbTi、Nb3Sn和高温超导材料YBCO涂层导体、Bi-2223带材、Bi-2212线材以及MgB2线材等实用化超导材料在强电应用领域的发展趋势。分析我国强电用超导材料发展存在的问题，我国需要以开发出面向不同强电应用需求的高性能超导材料体系为基础，实现超导材料和强电应用产品的协同发展，推动强电用超导材料制备技术和应用技术的创新水平提升和产业化规模。研究建议，通过国家层面组织“产学研用”联合攻关，实现低温超导材料产业升级，突破高温超导材料批量化制备关键技术的发展思路，实现强电用超导材料的快速发展和应用。关键词：低温超导材料；高温超导材料；超导线带材；制备技术中图分类号：TM26 文献标识码：ADevelopment Status and Prospects of Superconducting Materials for Electric Power ApplicationsZhang Pingxiang 1,2,Yan Guo 2,Feng Jianqing 1,Ma Yanwei 3,Zhu Jiamin 4,Tao Bowan 5,Cai Chuanbing 6(1.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xian 710016,China;2.Western Superconducting Technologies Co.,Ltd.,Xian 710018,China;3.The Institute of Electrical Engineering of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;4.Shanghai Superconducting Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200135,China;5.School of Electronic Science and Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China;6.Shanghai Creative Superconductor Technologies Co.,Ltd.,Shanghai 201400,China)Abstract:Superconducting material is a typical quantum material that features unique zero-resistance and Meissner effects.With the introduction of superconducting materials,numerous disruptive technologies in electric power applications,such as ultra-strong magnetic fields and large-capacity power transmission,can be realized,which makes the fabrication technique of large-current-capacity 收稿日期：2022-11-05；修回日期：2022-12-25通讯作者：张平祥，西北有色金属研究院教授，中国工程院院士，主要研究方向为超导材料与应用技术；E-mail：pxzhangc-资助项目：中国工程院咨询项目“我国先进有色金属材料发展战略研究”(2022-XZ-20)本刊网址： 2023 年 第 25 卷 第 1 期superconducting materials the frontier field worldwide.This study summarizes the development status of superconducting materials for electric power application as well as their fabrication techniques,and clarifies the development trends of several practical superconducting materials,including low-temperature superconducting materials(e.g.,NbTi and Nb3Sn)and high-temperature superconducting materials(e.g.,YBCO coated conductors,Bi-2223 tapes,Bi-2212 wires,and MgB2 wires).Considering the problems existing in the development of the superconducting materials for electric power application in China,it is imperative to establish a high-performance superconducting material system that satisfies varied electric power application requirements to achieve the integrated development of superconducting materials and electric power application products and to promote the innovation and industrial scale of these materials and applications.Furthermore,we suggest that the integrated development of production,education,research,and application should be promoted in the national level to upgrade the low-temperature superconducting material industry and achieve breakthroughs in batch production of high-temperature superconducting materials,thereby realizing the rapid development of superconducting materials for electric power application.Keywords:low-temperature superconducting materials;high-temperature superconducting materials;superconducting wires and tapes;fabrication technique一、前言超导材料具有常规材料不具备的零电阻、完全抗磁性等宏观量子现象，是典型的量子材料。基于超导材料而发展起来的超导技术已成为21世纪具有战略意义的高新技术，在电力能源、医疗装备、交通运输、科学研究及国防军工等方面都有重要的应用价值和应用前景。根据应用过程中超导材料承载能量的差异，一般将超导材料的应用分为强电应用和弱电应用两大类。其中，超导强电应用主要基于超导材料的零电阻效应和完全抗磁性，通过在超导材料中加载大电流，可以实现大电流输运、强磁场等颠覆性技术。超导弱电应用也叫超导电子应用，是基于超导材料的约瑟夫森效应实现弱磁场探测或量子计算等方面的应用。超导强电应用技术，可实现常规技术无法实现的超强磁场、大容量输电储能等诸多颠覆性应用。近年来，我国面向强电应用的多种超导材料研发和产业化取得了突破，有利促进了超导强电应用技术的快速发展，在电力、生物医学、交通和工业及大科学工程等诸多重点领域开始实现示范应用，取得了一批有国际影响的成果1,2，对于引领我国相关技术领域发展起到了坚实的技术支撑作用。同时，相关领域发展过程中以无法替代和节能减排为核心的新型超导应用技术需求也不断涌现3，发展能耗低、环境友好的超导材料及应用技术对我国国民经济、人民生命健康和高质量发展具有重要的战略意义。而在此过程中，高性能超导材料的批量化制备是实现超导技术突破的关键基础。本文梳理了目前主要的强电用超导材料发展现状，对强电用超导材料发展趋势进行深入分析，进而对未来强电用超导材料的发展方向提出建议和展望。二、强电用超导材料进展自1911年超导电性发现以来，已发现的超导材料有上千种，但基于载流性能、热稳定性、成材能力等综合性能的筛选，具有实用化前景的超导材料并不是很多。通常根据各种材料超导临界转变温度（Tc）以及超导电性的形成机理，将现有的几种实用化超导材料分为低温超导材料和高温超导材料两大类。一般将Tc 25 T）最具有应用前景的高温超导材料之一。Bi-2212线材的制备工艺相对简单，可采用粉末装管法经过旋锻、拉拔加工成具有各向同性圆形截面的线材。Bi-2212的圆线结构使其更容易实现多芯化和电缆绞制，从而降低交流损耗，相比其他矩形截面的高温超导材料，更有利于制备管内电缆导体、卢瑟福电缆和螺线管线圈。目前已有多家公司和研究机构具备Bi-2212线材的批量化制备能力，主要包括美国牛津仪器公司（B-OST）、欧洲耐克森（Nexans）公司、日本昭和电线电缆株式会社和西北有色金属研究院等。B-OST研制的Bi-2212线材的工程临界电流密度（Je）在液氦温区45 T磁场下仍能保持266 A/mm2 5,6，这表明Bi-2212线材非常适合于超高磁场条件下的应用。西北有色金属研究院研制的线材在4.2 K，14 T磁场下的Je达到760 A/mm2 7。2.Bi2Sr2Ca2Cu3O10超导材料Bi2Sr2Ca2Cu3O10（简称Bi-2223）高温超导材料是目前临界转变温度（Tc108110 K）最高的实用化高温超导材料。Bi-2223晶体结构为层状，超导电性具有强烈的各向异性，实际使用时以扁形带材为主。Bi-2223带材采用粉末装管法经过旋锻、拉拔、轧制和热处理加工成带材，是首先实现批量化制备的实用化高温超导材料。目前Bi-2223带材已经成功应用于液氮下运行的发电机、传输电缆、分流电压器、故障电流限制器、电动机以及储能装置等设备中。特别是在德国埃森（Essen）市挂网运行的超导电缆，成功证实了该类材料在电网中长期稳定运行的能力。美国超导公司基于其对化学组分和工艺的精确控制以及后退火技术的开发，在国际上率先实现了在77 K自场条件下传输电流100 A的突破，一度处于领跑地位。但2004