ReBCO 超导材料及各国超导产业发展

ReBCO 超导材料及各国超导产业发展

作者：王醒东

来源：《新材料产业》 2014年第8期

文/ 王醒东

富通集团（天津）超导技术应用有限公司

富通集团有限公司

1986年，高温超导体的发现，使得铋锶钙铜氧（B S C C O）超导材料得到了深入的研究，并在多个超导样机与示范线中得以应用，但BSCCO材料本身的特性及原料成本限制了其大规模

应用。由稀土（Rare Earth，Re）、钡（B a）、铜（Cu）、氧（O）元素组成的第2代的高温

超导材料，统写为R e B C O，可以在较高的温度与磁场下使用，在性能上具有明显优势，同

时随着工艺的成熟，成本也有望低于B S C C O，因而成为新的研究重点。

稀土元素是一类元素的合称，包括元素钪、钇和镧系元素，共17种元素。因此，在R e B C O化学式中，R e可被任一稀土元素替代，如钇（Y）、钆（G d）、钐（S m）等。Y B C O

是目前研究最多，并已成功实现商品化的第2代高温超导材料，带材是最主要的应用形式。不

管R e被哪一种具体元素替代，R e B C O超导带材的结构都包括基板、缓冲层、超导层和保

护层。以Y B C O高温超导带为例，对R e B C O超导带材的结构作进一步的阐述。

Y B C O超导带材是在合金基板上沉积Y B C O超导薄膜，基板材料一般为镍（Ni）合金，如哈氏合金（HastelloyC）。超导层与基板之间具有缓冲层，缓冲层为Y B C O的生长提供织

构模板，有益于提高YBCO的载流能力。缓冲层又可细分为籽晶层、阻挡层及模板层。为了保护超导层，通常还需在YBCO层上制备一层或多层保护层。

真空沉积技术是制备缓冲层的主流方法，以离子束辅助沉积（I BAD）最为典型，溅射法

（S p u t t e r i n g）、脉冲激光沉积法（PLD）、蒸发法（Evaporation）等常规真空制膜技术也可用于缓冲层的制备，常见的缓冲层材料有氧化铈（CeO2）、钇稳定氧化锆（YS Z）、

钆锆氧化物（GZO）、氧化镁（MgO）等，具体见表1[1-3]。超导层是实现超导性能的核心层，PLD及TFAMOD（三氟乙酸盐金属有机物法）是目前最主要的制备方法。相比于P LD法，TFA-MOD法更适合规模化制备Re BCO超导薄膜，是当前重点发展方向之一[4]。保护层材料一般为

导电导热性好且具有一定机械强度的金属材料，如银（Ag）-Cu复合材料或Ni合金等。

一、ReBCO 生产厂商

表2[5-7]列出了国内外著名的R e B C O超导带材生产产商、产品结构及制备方法。AMS C是生产超导带材的龙头企业。2007年以前，AMSC以一代BSCCO超导带材作为其核心产品；2007年后，AMSC将重点转移至YBCO带材，同时停止BS C CO超导带材的生产。迄今，AMS C 生产的带材已在多条超导电缆中应用。

美国Superpower公司可生产3 ～12mm宽度的超导带材。根据不同的用户需求，可分切至不同的厚度。与AMSC不同，Superpower公司采用电镀的方式为超导带材提供保护层，且可根据实际过流作用的需要调整镀层厚度。2007年，Superpower公司利用自制的Y B C O带材绕制的磁场线圈，在4.2K、19T的背景磁场下得到了26.8T强磁场，创造了超导磁体的世界纪录。2010年，这一纪录更新为35.4T。

日本藤仓公司是生产ReBCO超导带材的典型代表，同时也是IB AD技术的首创者。目前，藤仓公司已实现数百米级R e B C O带材的制备能力，承担了日本多个国内国家科研项目。

韩国SuNAM公司成立于2004年，其后发展迅猛，2007年开发了高温超导带材高速沉积实验系统，2009年建立了二代R e B C O高温超导带材生厂线，2012年即实现了千米级Re B CO 超导带材的制备能力。

随着ReBCO超导带材制备技术的日趋成熟，已有多个以其为核心的超导电力装置得以示范运营，见表3[8,9]。

二、各国超导政策[10-13]

目前ReBCO相关超导产品仍处于示范运行或样机状态，2007年以前，高温超导产品主要以B i系超导材料作为载体。2007年后，以ReBCO超导带材为核心的超导产品逐渐开始出现。纵观国内外发展情况，R e B C O超导带材生产厂家主要集中在美、日等国，其掌握核心技术的同时，发展速度迅猛，而我国在带材生产及相关示范产品的基础相对薄弱。

1. 美国

美国先后出台了《电力系统超导计划（1998年）》、《超导伙伴计划S P I（1993年）》、《GRID 2030计划（2003）》等超导相关政策，并于2005年和2006年分别发布了《2005-2009

财年的超导电力系统项目计划》与《超导技术基础研究需求报告》，从相关政策的数量与频繁

程度，可以看出美国政府对超导技术的重视。美国总统奥巴马的“绿色能源新政”中更是提出：要建设横跨4个时区以超导电网和智能电网为主的全国统一电网（用超导电缆将东部、西部、

德州电网3大电网连接），可以接入包括风能、太阳能等在内的各种可再生能源，并能进行智

能化管理，使整个动力系统发生变革，从而改善美国电力基础设施。在美国能源部（D O E）的资助及相关政府部门的协调下，各公司、大学与科研院所展开了密集的合作，如美国南线公司（So u t hwi re）、AMSC公司、Supowpower公司、ABB电力和配电公司、布鲁克海文国家实

验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）、美国橡树岭国家实验室（O R N L）以及乔治亚输电公司等，都取得了丰硕的成果。S u p e r p o w e r与L A N L公司合作，推动了I B A D

法制备Y B C O超导带材的发展；AMS C与ORNL合作，发明了RAB i TS技术，并成功批量制

备商用YBCO带材。

2006年7月20日，指标为34.5k V /800A /320m的超导电缆在美国国家电网公司通电运

行（A l b a n yProject）。320m超导电缆完全采用日本S E I公司的B i系超导带材，并由

S E I公司负责制造。Superpower、英国氧气公司（B O C）、美国国家电网等参与了项目的实施。该项目得到了D O C与纽约州能源研发局的资助。随后，S E I利用Superpower提供的YBCO超导带材，制成了30m超导电缆，并与前期320m超导相连，于2008年1月通电运行。2006年8月，由DOE资助、长岛能源管理局承办、AMSC主导、耐克森公司与法国液化公司参与的“L I PA”项目进入施工阶段。该条电缆长600m、电压等级138kV，额定传输电流2.4kA，

由并行排列的3条独立单相高温超导电缆组成。2008年4月22日，该条电缆成功并网，并为

30万家庭供电；2007年，“LIPAⅡ”期项目启动，目标是将“L I PA”项目超导电缆的第二相更换为YBCO超导带材，该项目仍有DOE自助。

2. 日本

在超导材料及相关技术开发上，日本处于世界领先水平。在日本政府的支持下，“超导设

备和带材工程研究协会”、“国际超导产业技术研究中心（ISTEC）”、“新能源产业综合技术开发机构（NE DO）”等研究机构与协会相继成立，研究领域包括医疗、电力、交通与军事等众多领域。在日本，有很多大公司及科研机构如三菱、昭和、S E I、藤仓、九州大学、早稻田大学等从事超导技术的开发，且研发方向相互联系而侧重点又各有相同。表4列出了日本2003-2007年度第2代高温超导带材研发国家计划的分工与开发内容情况。