高温超导体发展趋势

超导材料具有的高载流能力和低能耗特性，使其可广泛用于能源、

交通、医疗、重大科技工程和现代国防等领域。超导技术是具有巨大

发展潜力的高技术。以铌钛和铌三锡为主的实用低温超导体的研究和

开发起始于20世纪60年代，到70年代开始广泛用于磁体技术。目前已在两方面形成了较大规模的应用。一是重大科技工程方面，主要是高

能物理研究所需的大型粒子加速器，如正在欧洲建造的周长为27km的

大型质子碰撞机LHC，以及热核聚变反应装置，如ITER和LHD等；二是在医疗诊断方面正在广泛应用的核磁共振成像系统MRI和具有较高科学

与应用价值的核磁共振谱仪NMR。

高温超导体自1986年被发现以来，在材料的各个方面，尤其是成

材技术和超导性能方面取得了很大的进展。与此同时，各种应用开发

研究也已广泛展开，并且取得了可喜的成果。HTS材料具有较高的临界

温度（Tc）和上临界磁场（Hc2），从而使超导技术的应用在材料方面

有了更广泛的选择。首先高温超导材料可以使超导技术在液氮温区实

现应用，高Hc2值使高温超导材料成为制造高场磁体（＞20T）的理想

选择。近年来，千米长线（带）材的成功制造，已使高温超导材料在

电力能源方面的应用成为现实。这些应用包括：磁体、输电电缆、电

动机、发电机、变压器、故障电流限制器等。用高温超导材料制成的

不同量级（1～20kA）的电流引线已于90年代初实现商品化，并广泛应

用于各种超导磁体系统，使得低温超导磁体可由G－M致冷机冷却，无

需液氦，实现了超导磁体可长时间稳定运行的目标。从目前的发展现

状和趋势，可以清楚地预见，在今后20年内，高温超导技术将在广泛

的领域走向实用化和商品化。

目前已发现的高温超导材料都属于氧化物陶瓷材料，不易加工成

材。同时，很强的各异性和极短的相干长度使得高临界电流密度（

Jc）只能在使晶体高度取向的情况下才能实现。在众多的高温超导材

料中，铋锶钙铜氧体系和钇钡铜氧体系最具有实用价值，所以线（带）

材的研究开发主要集中在这两类超导体。超导体的实际应用除了需要

高Jc之外，还需要材料有相当的长度（＞1km）和良好的机械性能及热

稳定性。所以同金属材料复合是必由之路。银（银）及其合金由于其

良好的稳定性和塑性，成为合适的高温超导线材基体材料。经过十余

年的研究和开发，高温超导线（带）材已取得重大进展。

铋－2223线（带）材铋－2223超导体具有较高的超导转变温度（Tc～110K）和上临界磁场（Hc2，0～100T）。特别是其层状的晶体

结构导致的片状晶体很容易在应力的作用下沿铜－氧面方向滑移。所

以，利用把铋－2223先驱粉装入银管加工的方法（PIT法），经过拉拔

和轧制加工，就能得到很好的织构。另外，在铋－2223相成相热处理

时，伴随产生的微量液相能够很好地弥合冷加工过程中产生的微裂纹，

从而在很大程度上克服了弱连接的影响。正由于这两个基本特性，使

人们通过控制先驱粉末、加工工艺及热处理技术，成功地制备出了高

Jc（＞104A／cm2，77K）长带。

目前世界上已有多家公司在开发和生产铋－2223带材。处于前列

水平的公司主要是美国的ASC，欧洲的NST和日本的住友等公司。它们均能够生产单根长度大于1000米的线（带）材，其Jc值大于2×104A／cm2（77K）。在性能水平上已能满足在电工能源应用方面的要求。我

国在铋－2223线（带）材的研发方面最近取得重要进展，西北有色院

成功地制备出了200米长带，其临界电流密度超过30安培，达到国际上长带的先进水平。做为实用超导带材，200米的长带可满足磁体、电缆、电机、变压器及故障限流器等应用。因此，200米长带的研制成功标志

着我国已掌握了制造高温超导长带的关键技术，为高温超导材料的实

用化打下了很好的

院电工所等单位共同承担的国家863超导攻关项目“高温超导输电

电缆”已取得重要进展。经过科技人员的艰苦努力，先后克服了超导

带材的先驱粉、加工及热处理和输电电缆的终端、制冷及绝缘等一系

列关键技术难题，采用铋系带材成功地研制出长6米、临界传输电流达2400安培的超导输电电缆。从总体来看，铋－2223线材在电工领域应

用项目带动下，正朝着提高性能、扩大规模和降低成本方面发展。今

后的基础研究将重点放在铋－2223成相机理和磁通钉扎两个方面。同时，围绕着工程应用，将需要进一步提高线材的机械强度和降低交流

损耗。

钇钡铜氧涂层导体钇钡铜氧超导体在液氮温区（77k）具有较高不

可逆场和载流能力。从本征特性来看，是在液氮温区实现强电应用的

理想材料。遗憾的是，人们不能用传统的PIT法制备高Jc钇钡铜氧线材。但研究发现了利用离子束辅助沉积方法，在双轴织构基带上成功地制

备出了钇钡铜氧涂层导体，其在液氮温区的性能优于低温超导铌钛和

铌三锡在4.2K的性能。目前短样Jc超过2×106A／cm2。所以近年来美国、欧洲和日本等投入了很大的人力和物力从事钇钡铜氧涂层导体的

研究和开发。这种导体一般是由金属基带、阻隔层、超导层和保护层

等组成的多层复合结构。已有多种物理和化学的沉积方法，如磁控溅

射、脉冲激光沉积、化学气相沉积、液相外延和金属有机物沉积等，

被成功地用来在金属基带上制备高Jc钇钡铜氧层，但用这种方法制备

的涂层导体的长度目前不超过10米。

根据目前高温超导线材的发展状况，人们把已开始实现商品化的

铋系线（带）材称为第一代导体，而把将来可能实现商品化生产的钇

钡铜氧涂层导体称为第二代导体。对于第一代导体的实际应用，从技

术上已不存在本质的障碍。但高温超导线材的成本将是制约大规模应

用的主要障碍。

提高高温超导材料的性能和降低成本将是今后的重要课题。从应

用角度而言，超导线材的成本是以每千安米的价格来计算的。所以除

了降低原材料和加工成本外，提高线材的载流能力将会使成本大幅度

降低。多数高温超导应用项目需要线材的性能－价格在10美元／kA·

m左右，因这一价格相当于铜导体实际应用的性能价格。在1999年，铋－2223带材的价格已由1998年以前的1000美元／kA·m降到300美元，预计在5年内成本可降到50美元。