国内外 超导材料及其应用现状 《一文看懂超导材料》
目前,已发现有46种元素(常压下32种、高压下14种)和几千种合金、化合物可以称为超导材料。
图超导体的正常态-起导态转变曲线
超导体不仅在临界温度下具有零电阻特性,而且在一定的条件下具有常规导体完全不具备的电磁特性,因而在电气与电子工程领域具有广泛的应用价值。我国在超导材料及其应用领域总体上处于国际先进行列,基本掌握了各种实用化超导材料的制备技术,在多个应用方面也取得了良好的发展。我国超导材料及其应用领域将不断探索更高临界温度的超导体,提升超导材料及其应用技术的发展水平。
图超导材料及其应用领域
经历了100多年的研究,人已经发现了多达数万种超导体。按照超导体的临界温度,可以将超导体分为低温超导体和高温超导体,临界温度低于25K~30K超导体为低温超导体,临界温度高于25K~30K超导体为高温超导体。目前,基于低温超导材料的应用装置一般工作在液氦温度(4.2K及以下),基于高温超导材料的应用装置一般工作在液氢温度(约20K)至液氮温度(约77K)之间。
如今已经发现了数万种超导体,但真正具有实用价值的超导体并不多。目前得到应用的低温超导体主要包括NbTi、Nb3Sn、Nb3Al等,具有实用价值的高温超导体主要包括:
铋系(BSCCO,Tc约90K-110K,也称为第一代高温超导材料,主要包括BSCCO-2212和BSCCO-2223两种,也简称Bi-2212或Bi-2223)。
钇系(Tc约90K,YBCO或ReBCO,也称为第二代高温超导材料)。
进入21世纪以来,MgB2(Tc为39K)和铁基超导体(Tc最高为55K)相继被发现,成为两种新的具有实际应用潜力的超导体。
超导材料主要包括NbTi、Nb3Sn、Nb3Al等。自上世纪60年代以来,其制备技术与工艺已经相当成熟,并推动了如加速器磁体、核聚变工程用超导磁体、核磁共振(MRI和NMR)磁体、通用超导磁体等的发展,并由此形成了具有一定规模的超导产业。目前,美国、欧盟和日本等国家和地区已经有一大批的企业可以生产各种面向不同应用需求的低温超导材料。2006年,我国加入了国际热核聚变实验堆(ITER)计划,从而使我国低温超导材料的发展迎来了前所未有的机遇。ITER项目极大推动了我国低温超导材料的发展,也为我国自主开发MRI、加速器和核聚变磁体提供了超导材料供应的保障。
尽管受到高温超导材料不断发展的挑战,但是低温超导材料在批量化加工技术、成本、使用稳定性方面的优势无可替代。且随着制冷技术的不断发展,也使得低温超导装置对液氦的依赖程度逐渐降低,低温超导材料在今后相当长的时间内仍将是最主要的超导产业支柱性材料。由于低温超导材料的性能水平和工艺路线已经相当成熟,国际上的竞争主要来自产品性价比的竞争。我国西部超导材料科技有限公司已经在低温超导材料的生产方面形成了自身的竞争优势,今后将进一步根据应用需求不断优化工艺和提高材料的性能水平,特别是围绕中国聚变工程实验堆(CFETR)、超级质子对撞机(SPPC)和国内MRI市场发展需求,形成与国内需求相匹配的生产能力。
在十四五前瞻布局前沿新材料研发的发展重点中,低温超导材料也有被提出。
自上世纪末成功采用粉末套管法制备出长带以来,Bi-2223超导带材的制备技术已经日趋成熟。国内外具备了批量化生产千米级长带能力的公司有美国超导公司(AMSC)、北京英纳公司(INNOST)、德国布鲁克公司(BRUKER)、日本住友电气公司(SUMI TOMO)等多家公司。2006年,日本住友电气公司组建了30MPa的冷壁式Cont roll ed Over pressur e(CT-OP)热处理方案,成功制备临界电流达到150A的带材,这一成果引起了世界同行的极大关注。目前,住友电气已经可以生产出临界电流达到200A的千米级Bi-2223超导带材,这是Bi-2223目前所达到的最高水平。到目前为止,世界上Bi-2223带材的年生产能力总和已达千公里以上,为高温超导电力应用技术的发展打下了坚实的基础。下表列出了目前国内外主要的Bi-2223供应商提供的超导带材的性能。
表目前主要生产厂商提供的典型Bi-2223超导带材的性能
YBCO(或ReBCO)超导体在磁场下的性能比Bi-2223更为优越,它在77K下的不可逆场达到了7T,高出Bi-2223一个量级,因而近年来受到了更多的关注。获得高性能的第二代高温超导(Y系)带材的主要障碍是弱连接问题,相邻的YBCO晶粒间的晶界角是决定超导体能否承载无阻大电流的关键。另外,由于YBCO的电流传输主要在其a-b面内,因此要获得高性能的第二代高温超导带材,必须先在柔性的金属基带上制备出c轴垂直于基带表面的强立方织构的YBCO层。而长尺度的强立方织构YBCO的获得一般需要采用涂层技术的外延生长,因此YBCO超导带材也被称为涂层导体。
与Bi-2223一样,铁基超导带材的制备一般也采用粉末装管法(PIT法)。目前,国内外从事铁基超导线带材研究的主要单位为中国科学院电工研究所、美国佛罗里达州立大学、日本国立材料研究所、东京大学、意大利热那亚大学、日本产业技术综合研究所、澳大利亚卧龙岗大学等。其中,中国科学院电工研究所在高性能铁基超导材料的研制中一直走在世界前列。2014年,中国科学院电工研究所首次将铁基超导线带材的临界电流密度提高到105A/cm2(4.2K,10T),达到实用化水平。
另外,通过对制备过程中涉及的相组分与微结构控制、界面复合体均匀加工等关键技术的系统研究,解决了铁基超导线规模化制备中的均匀性、稳定性和重复性等技术难点,并于2016年成功制备出长度达到115m的7芯铁基百米长线(如下图所示),该工作被誉为是铁基超导材料从实验室研究走向产业化进程的里程碑,奠定了铁基超导材料在工业、医学、国防等诸多领域的应用基础。
图 世界首根100米量级铁基超导长线
由于超导线的载流能力可以达到100~1000A/mm2(大约是普通铜导线或铝导线的载流能力的50~500倍),且其直流状态下的传输损耗为零,因此利用超导线制备的电力设备,具有损耗低、效率高、占空间小的优势。由于超导线在电流超过其临界电流时,会失去超导性而呈现较大的电阻率,因而用超导线制成的限流设备(超导限流器,FCL)可以在电网发生短路故障时自动限制短路电流的上升,从而有效保护电网安全稳定运行。此外,利用超导线研制的超导储能系统(SMES)是一种高效的储能系统(效率可达95%以上),且具有快速高功率响应和灵活可控的特点,对于解决电网的安全稳定性和瞬态功率平衡问题也具有潜在应用价值。
超导材料的性价比是否能够做到与传统的导电材料相近、低温制冷系统能否具有长期运行的可靠性和稳定性。特别是,如果能够探索出更高临界温度的超导体乃至室温超导体,且这类新的超导体具有良好的电磁性能,那么超导电力技术的规模应用必将成为现实。
强磁场条件有助于实现特有的功能和发现新的物理现象,因此在现代科学技术中有重要的应用价值。自从上世纪60年以来,随着实用化低温超导材料的发现,超导磁体技术得到了很大发展,并在核磁共振、大科学工程、科学仪器和工业装备等领域得到广泛的应用,并已经成为一门相当成熟的技术。
高能加速器是超导磁体在大科学工程中应用的一个重要的领域,如欧洲的LHC,美国的RHIC以及德国的DESY、GSI等高磁场加速器磁体系统已相继建成和投入运行。我国中科院高能物理研究所、兰州近代物理所、中科院等离子所、上海应用物理研究所围绕ADS和高能探测器等也开展了系列研究与开发。在核聚变领域,托卡马克(Tokamak)、仿星器(Stellarator)和磁镜(Mirrormachines)以及悬浮等离子体实验装置(LDX)也需要超导磁体作为支撑。
研制大口径高场核磁共振成像系统用超导磁体(9.4T及以上、口径800mm)、磁场强度达25T及以上的核磁共振谱仪用超导磁体以及超高场的通用超导磁体(30T及以上)。这些特种超导磁体的发展对于人类认识物质和生命的结构及活动规律具有重要的意义。
超导电子学应用主要包括微波通信应用、约瑟夫森结的各种应用及单光子探测等。与上述的超导电力技术及超导磁体技术应用不同,超导电子学应用主要是基于超导薄膜材料和超导纳米线等超导材料。目前,超导薄膜的制备(如Nb薄膜和YBCO薄膜)技术已经相当成熟,实验室制备超导薄膜已经成为研究超导物理的基础性实验手段。
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《一文看懂超导材料》
一、超导材料简介
超导,全称超导电性,是20世纪最伟大的科学发现之一,是指某些材料在温度降低到某一临界温度,或超导转变温度以下时,电阻突然消失为零的现象,具备这种特性的材料称为超导材料。
目前,已发现有46种元素(常压下32种、高压下14种)和几千种合金和化合物可以称为超导材料。
二、超导材料的分类
通过材料对于磁场的响应可以把它们分为第一类超导体和第二类超导体。
根据超导材料组成和转变温度可以分为低温超导材料和高温超导材料。
将临界温度Tc在液氦温度以下的超导材料称为低温超导材料;临界温度Tc在液氦沸点以上的超导材料称为高温超导材料。
三、超导材料的发展历程
四、超导材料的应用
超导材料的用途非常广泛,大致可以分为三大类:大电流应用(强电应用)、电子学应用(弱电应用)和抗磁性应用。大电流应用包括超导发电、输电和储能;电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等;抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。
五、超导材料产业链及市场
超导行业产业链由三部分组成:上游矿资源,如钇、钡、铋、锶等金属;中游
是超导材料,如YBCO和BSCCO等;下游是超导应用产品,如超导电缆、超导限流器、超导滤波器、超导储能、超导发电机和超导变压器等。
超导材料是超导行业的核心。
从整个产业链价值分析来讲,超导材料占超导设备40-50%的成本;
从盈利能来讲,超导材料盈利能力最强,毛利率约为50%左右。
目前,技术最成熟、应用最广泛、商业化程度最高的超导材料是BSCCO高温超导材料,各国研发和生产重点超导材料是YBCO高温超导材料,YBCO第二代超导材料是未来超导材料发展的方向。而国内超导材料主要是依赖于美国和日本进口,价格昂贵,占应用产品的50%左右成本。超导行业发展必将产生对超导材料大量的需求,因此,超导行业要发展壮大,超导材料必须国产化。
六、超导技术研究成果及企业
参考资料
[1]肖立业,《超导材料及其应用现状与发展前景》
[2]贾双珠,《低温超导材料研究进展》
[3]干勇,《制造业强国战略与“十三五”新材料发展与规划》
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