劉秀峰, 盧永進(jìn)

(1. 海軍駐701所軍事代表室，武漢 430064 ; 2. 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

0 引言

超導(dǎo)是一項(xiàng)具有戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)，可廣泛用于能源、通信、醫(yī)療、交通及國(guó)防等領(lǐng)域[1]。自從1911年超導(dǎo)現(xiàn)象被荷蘭科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以來(lái)，各國(guó)紛紛投入大量人力和物力對(duì)超導(dǎo)材料進(jìn)行研制與探索。盡管先后有數(shù)千種超導(dǎo)體誕生，但絕大多數(shù)超導(dǎo)材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc）還達(dá)不到30 K，較低的臨界溫度一直限制了超導(dǎo)材料的實(shí)際應(yīng)用。直到1986年，瑞士蘇黎世IBM實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家J. G. Bednorz和K. A. Muller發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為36 K的La2-xBaxCuO4，從而為探尋在液氮溫區(qū)值的高溫超導(dǎo)體開(kāi)辟了道路[2]。通常情況下，高溫超導(dǎo)材料是指臨界溫度在液氮溫度77 K以上的超導(dǎo)材料。1987年，臨界轉(zhuǎn)變溫度為90 K的YBCO（YBa2Cu3O7-δ）被發(fā)現(xiàn)，使資源豐富、價(jià)格低廉的液氮作為超導(dǎo)體工作的冷卻劑成為可能。隨后，相繼發(fā)現(xiàn)了Tc分別為110 K和125 K的(Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3Oy與Tl2Ba2Ca2Cu3Oy，極大推進(jìn)了高溫超導(dǎo)材料的研究步伐[3,4]。

近十多年來(lái)，世界上研究最多的、最具有產(chǎn)業(yè)化前景的高溫超導(dǎo)材料主要分為兩種：釔鋇銅氧（YBCO）和鉍鍶鈣銅氧（BSCCO）。釔鋇銅氧一般用于制備超導(dǎo)薄膜，應(yīng)用在電子、通信等領(lǐng)域；但由于YBCO的制備受到真空等特殊條件的限制，其工藝路線仍在探索之中，離實(shí)用化還有一段距離。而鉍系（Bi-2223/Ag）高溫超導(dǎo)帶材已基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，其綜合性能已初步滿足工程應(yīng)用的要求，并在強(qiáng)電、弱電領(lǐng)域得到應(yīng)用，可為高溫超導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用提供關(guān)鍵的原材料保障。

本文將結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，總結(jié)以鉍系超導(dǎo)材料為代表的高溫超導(dǎo)材料制備工藝和生產(chǎn)狀況，并對(duì)超導(dǎo)材料在艦船裝備上的應(yīng)用進(jìn)行介紹，最后對(duì)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 高溫超導(dǎo)材料的制備與研究現(xiàn)狀

高溫超導(dǎo)材料是否具備產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力，直接影響超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)的研究。從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，高溫超導(dǎo)材料必須具有可靠性高、成本低廉、機(jī)械強(qiáng)度好等優(yōu)點(diǎn)，才可能被市場(chǎng)所接受，而鉍系高溫超導(dǎo)材料基本滿足以上條件。

目前，鉍系多芯高溫超導(dǎo)帶材的生產(chǎn)途徑采用粉末套管法，整個(gè)工藝流程為：首先將經(jīng)預(yù)處理的前驅(qū)粉(Bi, Pb)2Sr2CaCu2Ox進(jìn)行等靜壓，獲得比較密實(shí)的粉體材料；然后把預(yù)壓實(shí)的超導(dǎo)粉體材料裝入純銀管中進(jìn)行多道次拉拔成形，得到單芯復(fù)合體；根據(jù)實(shí)際需要將多根單芯復(fù)合體套裝到新的銀合金管中進(jìn)行多道次拉拔，獲得直徑為1.7 mm的多芯超導(dǎo)線材；再對(duì)多芯超導(dǎo)線材進(jìn)行軋制，在銀包套內(nèi)形成所期望的織構(gòu)；最后通過(guò)形變熱處理得到高臨界電流密度的Bi-2223/Ag超導(dǎo)帶材產(chǎn)品?？梢?jiàn)，超導(dǎo)帶材的成形是一個(gè)多復(fù)合體多道次塑性成形的工藝過(guò)程，其目的是獲得粉體密實(shí)度高、變形均勻性好、強(qiáng)c軸織構(gòu)的復(fù)合帶材。

自從1997年丹麥建成世界上首條鉍系高溫超導(dǎo)帶材生產(chǎn)線以來(lái)，不少國(guó)家就開(kāi)始了鉍系超導(dǎo)帶材的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，并投入大量科研經(jīng)費(fèi)進(jìn)行超導(dǎo)帶材的性能提升。目前，從事鉍系超導(dǎo)帶材生產(chǎn)的公司主要有美國(guó)超導(dǎo)（AMSC）、日本住友電氣（SEI）、德國(guó)歐洲先進(jìn)超導(dǎo)（EHTS）和北京英納超導(dǎo)（Innost），各公司產(chǎn)品性能參數(shù)詳見(jiàn)表1，其中尤以采用高壓熱處理技術(shù)的住友公司生產(chǎn)的產(chǎn)品性能最佳。

利用高壓熱處理（Hot Isostatic Pressing，簡(jiǎn)稱HIP）技術(shù)可以對(duì)帶材進(jìn)行原位的形變熱處理，實(shí)現(xiàn)帶材致密化，提高超導(dǎo)芯的密度，減少缺陷，達(dá)到提高帶材性能的目的。2001年，Rikel等報(bào)道了關(guān)于高壓熱處理Bi-2223/Ag帶材的試驗(yàn)結(jié)果，其臨界電流密度Jc從8 kA/cm2提高到30 kA/cm2。后來(lái)日本住友電氣利用高壓方法制備鉍系高溫超導(dǎo)帶材的技術(shù)有了根本突破。2005年底，住友電氣宣布開(kāi)始銷售臨界電流為150 A的帶材產(chǎn)品；2006年又發(fā)布研制成功臨界電流為192 A的超導(dǎo)帶材消息；如今已能制備出高達(dá)200A的百米級(jí)長(zhǎng)帶。此外，Wisconsin大學(xué)的Yuan[7]和清華超導(dǎo)中心的望賢成等[8]成功將HIP技術(shù)運(yùn)用于Bi-2223/Ag超導(dǎo)帶材，并獲得初步成效。由此可見(jiàn)，高壓熱處理方法在提高帶材臨界電流性能，促進(jìn)鉍系超導(dǎo)帶材產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面具有非常重要的意義。

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同時(shí)，一些學(xué)者對(duì)鉍系超導(dǎo)帶材塑性加工工藝展開(kāi)了積極有效的研究。由于傳統(tǒng)粉末套管法中軋制過(guò)程變形量較大，使得整個(gè)帶材截面上存在變形不均勻現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)伴隨裂紋、香腸效應(yīng)等缺陷，從而影響帶材的最終性能。為此，有學(xué)者提出一種對(duì)異型截面多芯超導(dǎo)線材進(jìn)行軋制的方法，以解決線材軋制過(guò)程中截面變形不均勻等問(wèn)題，從而提高最終帶材的性能。N. Bay和M. S. Nielsen運(yùn)用方形線材軋制獲得最終帶材，相對(duì)圓線軋制而言，可提高臨界電流33%。同時(shí)，北京英納公司在通過(guò)拔制橢圓截面線材以改善帶材均勻性和性能方面進(jìn)行了嘗試，并取得了一些進(jìn)展，但與實(shí)際應(yīng)用還存在一定距離。

2 高溫超導(dǎo)在艦船裝備中的應(yīng)用

超導(dǎo)材料具有零電阻、通電能力強(qiáng)等特點(diǎn)，它的載電能力是等截面銅導(dǎo)線的100多倍，并且在相同載電能力條件下其電損耗降低7%以上，是一種高效節(jié)能的導(dǎo)電材料。因此，用超導(dǎo)材料制成的設(shè)備和器件，具有體積小、質(zhì)量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)。采用超導(dǎo)帶材制成的潛艇大功率推進(jìn)器，與同功率傳統(tǒng)推進(jìn)器相比，其尺寸只有1/2，重量只有1/3，而且噪音小、節(jié)能效果顯著。

由于海水具有導(dǎo)電特性，在船舶周圍海水中產(chǎn)生磁場(chǎng)和電流場(chǎng)，可使海水受到磁場(chǎng)力，從而推動(dòng)船舶前進(jìn)或后退。超導(dǎo)磁流體推進(jìn)就是通過(guò)把電能轉(zhuǎn)換成流體動(dòng)能，以噴射推進(jìn)取代傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)的新技術(shù)。而超導(dǎo)磁流體推進(jìn)系統(tǒng)核心部件—超導(dǎo)磁體可以產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的磁場(chǎng)，使船舶不再配置螺旋漿，從而大大降低振動(dòng)和噪聲。世界上第一艘超導(dǎo)磁流體推進(jìn)船于1990年在日本誕生，該實(shí)驗(yàn)船被命名為“大和1號(hào)”，如圖2所示，船長(zhǎng)30 m，寬18 m，高8 m，排水量185 T，航速達(dá)15 km/h，引起了廣泛關(guān)注。

目前，世界上多家企業(yè)對(duì)高溫超導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，并用于高溫超導(dǎo)原型機(jī)的研究。在2000年，美國(guó)能源部組建的SPI項(xiàng)目組就完成了1000 hp高溫超導(dǎo)電機(jī)的研制和試驗(yàn)工作，成為超導(dǎo)電機(jī)商業(yè)化應(yīng)用的里程碑。2003年，美國(guó)海軍與美國(guó)超導(dǎo)公司（AMSC）簽訂了36.5 MW船用交流同步高溫超導(dǎo)推進(jìn)電機(jī)的合同，該電機(jī)使用鉍系超導(dǎo)帶材制造，轉(zhuǎn)速為120 r/min，已于2006底制成并移交美國(guó)海軍研究署，其重量是常規(guī)推進(jìn)電機(jī)的1/5～1/4。2007年9月，由日本石川島播磨重工業(yè)（IHI）、住友電氣工業(yè)、富士電機(jī)系統(tǒng)等組成的聯(lián)合研究小組，開(kāi)發(fā)出利用鉍系高溫超導(dǎo)線圈來(lái)驅(qū)動(dòng)的365 kW船舶用超導(dǎo)電機(jī)，并完成了負(fù)載試驗(yàn)。其他各國(guó)的研發(fā)工作也紛紛在各自的框架計(jì)劃內(nèi)進(jìn)行。在國(guó)內(nèi)，作為艦船電力推進(jìn)裝置研制單位，712 研究所通過(guò)與清華大學(xué)、北京英納超導(dǎo)公司合作，以鉍系高溫超導(dǎo)線材為原材料成功研制出100 kW 艦船推進(jìn)用超導(dǎo)電機(jī)，為探索兆瓦級(jí)的船用超導(dǎo)電機(jī)奠定了良好的基礎(chǔ)。圖3所示為高溫超導(dǎo)船用推進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，它采用空心電樞繞組和鉍系超導(dǎo)勵(lì)磁繞組技術(shù)，轉(zhuǎn)子在封閉的低溫環(huán)境中運(yùn)行。高溫超導(dǎo)電機(jī)重量輕，效率可以達(dá)到97.2%，與常規(guī)電動(dòng)機(jī)相比損耗減少 50%，節(jié)省能源，穩(wěn)定可靠，成本低廉。如果艦船的推進(jìn)裝置采用高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)，則推進(jìn)裝置的體積將減小為原裝置的五分之一，特別適合于艦船的電力推進(jìn)裝置。對(duì)海軍艦船而言，這意味著可增加武備和燃料的裝載量，生命力增強(qiáng)，戰(zhàn)斗性能提高。此外，在普遍認(rèn)可的吊艙推進(jìn)系統(tǒng)中，如果選用超導(dǎo)電機(jī)，可使吊艙體積縮小，大大提高推進(jìn)效率。可見(jiàn)高溫超導(dǎo)電機(jī)不僅可配置于艙內(nèi)推進(jìn)系統(tǒng)，也可安裝在吊艙推進(jìn)系統(tǒng)中。

隨著艦船技術(shù)的發(fā)展，綜合電力推進(jìn)是未來(lái)推進(jìn)技術(shù)的重要發(fā)展方向，以“系統(tǒng)化、模塊化和集成化”為設(shè)計(jì)思想，可簡(jiǎn)化推進(jìn)系統(tǒng)布局，節(jié)省艙容，提高艦船的經(jīng)濟(jì)性、操縱性和安全性。美國(guó)海軍更是引入綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃，譽(yù)之為“海上革命的基礎(chǔ)”。目前，開(kāi)始批量服役的英國(guó)45驅(qū)逐艦就采用了綜合電力推進(jìn)技術(shù)，使得軍艦擺脫了發(fā)電機(jī)組和推進(jìn)機(jī)組分別消耗大量燃料的狀況，全艦用電均由主發(fā)動(dòng)機(jī)提供，極大降低了油耗。船舶綜合電力系統(tǒng)將推進(jìn)系統(tǒng)用電、日常用電、高能武器用電與大功率探測(cè)設(shè)備用電各部分綜合在一起，電力資源在這些系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和分配。伴隨新興技術(shù)的發(fā)展，高溫超導(dǎo)材料制備的超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)、超導(dǎo)變壓器等具有常規(guī)產(chǎn)品無(wú)法比擬的結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低、容量大等優(yōu)點(diǎn)，將廣泛應(yīng)用于綜合電力推進(jìn)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）能量密度大，體積小，釋放能量快，它可以訊速向電力系統(tǒng)提高有功、無(wú)功功率，從而提高電能質(zhì)量，改善供電品質(zhì)，可作為全船失電狀態(tài)下的艦船重要設(shè)備的緊急備用電源。2007年，韓國(guó)電工所成功開(kāi)發(fā)出600 kJ高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)，在熱穩(wěn)定性試驗(yàn)中工作電流可達(dá)360 A，其下一步研制目標(biāo)是兆焦級(jí)的超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)。因此，SMES裝置能夠解決未來(lái)艦船上新技術(shù)運(yùn)用帶來(lái)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性以及綜合能源管理問(wèn)題。

超導(dǎo)限流器能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)故障短路電流的限制，大大減小系統(tǒng)設(shè)備的短路容量值，從而增強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性，提高電力質(zhì)量，增大電力的輸送容量與規(guī)模。由中科院電工研究所聯(lián)合多家單位研制的10.5 kV/1.5 kA高溫超導(dǎo)限流器，如圖4所示。于2005年底在湖南省婁底市高溪變電站進(jìn)行了三相短路試驗(yàn)，成功地將三相接地短路電流從無(wú)限流器時(shí)的3.5 kA限制到635 A，此后該設(shè)備投入電網(wǎng)，進(jìn)行載荷并網(wǎng)長(zhǎng)期示范運(yùn)行。同時(shí)，由美國(guó)能源部支持的115 kV超導(dǎo)限流器項(xiàng)目正在由AMSC牽頭研制。據(jù)估計(jì)，2020年國(guó)內(nèi)超導(dǎo)限流器潛在市場(chǎng)容量約為1500億元，足見(jiàn)其前景廣闊。若與艦船電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)施兼容，可減少電力線路中的斷路器和熔斷器的使用，延長(zhǎng)電氣設(shè)備壽命，成為發(fā)展艦船大容量電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

3 展望

美國(guó)海軍對(duì)高溫超導(dǎo)技術(shù)給予高度重視，并期望未來(lái)艦船能配置包括高溫超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)電纜在內(nèi)的高溫超導(dǎo)電力系統(tǒng)。此外，由于受蒸汽彈射器釋放能量的制約，美國(guó)海軍極力推進(jìn)電磁彈射替代蒸汽彈射研究計(jì)劃。同時(shí)，隨著美國(guó)宣布電磁炮的試射成功，引起了廣大人員的興趣和關(guān)注?，F(xiàn)有技術(shù)采用高壓電容器驅(qū)動(dòng)電磁炮發(fā)射裝置，為尋求理想的高功率脈沖電源，最近提出了超導(dǎo)電感儲(chǔ)能新技術(shù)，既節(jié)約了電能損耗，又克服了驅(qū)動(dòng)電源質(zhì)量過(guò)大的缺點(diǎn)。而超導(dǎo)技術(shù)有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，相信高溫超導(dǎo)技術(shù)在不久的將來(lái)會(huì)應(yīng)用于電磁武器。

2008年，韓國(guó)研制的1 MW高溫超導(dǎo)電機(jī)已接近于商品化產(chǎn)品。在韓國(guó)“應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展先進(jìn)能源系統(tǒng)”（DAPAS）計(jì)劃中，發(fā)展、促進(jìn)和利用商業(yè)化超導(dǎo)技術(shù)是其主要發(fā)展任務(wù)，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)產(chǎn)品的全面商業(yè)化。

盡管在高溫超導(dǎo)設(shè)備上已有重大進(jìn)展，但在大型艦船電力系統(tǒng)上的應(yīng)用尚未見(jiàn)報(bào)道。其關(guān)鍵技術(shù)主要涉及高轉(zhuǎn)矩密度推進(jìn)技術(shù)、高功率密度發(fā)電技術(shù)、大功率電能變換技術(shù)、中壓大電流限制與開(kāi)斷技術(shù)和電力監(jiān)控系統(tǒng)。在今后的研究中，將開(kāi)展電力系統(tǒng)對(duì)超導(dǎo)裝置的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性要求、超導(dǎo)電力裝置在電力系統(tǒng)中的優(yōu)化配置、多臺(tái)裝置之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行與匹配特性、超導(dǎo)電力裝置的裝艦技術(shù)等研究，以滿足艦船電力系統(tǒng)對(duì)高溫超導(dǎo)技術(shù)的需求。

4 結(jié)論

高溫超導(dǎo)技術(shù)是發(fā)展中的新學(xué)科和新技術(shù)，涉及超導(dǎo)材料、凝聚態(tài)物理、電力電子、電機(jī)與電器、低溫工程等學(xué)科的交叉和融合。運(yùn)用高溫超導(dǎo)技術(shù)，能夠滿足常規(guī)技術(shù)和方法不能或很難達(dá)到的設(shè)計(jì)要求，并在實(shí)踐中解決一些看似幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，為船舶設(shè)計(jì)人員提供了嶄新的設(shè)計(jì)思路。盡管超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)尚處于示范運(yùn)行階段，隨著各國(guó)在人力、財(cái)力和物力上的不斷投入，高溫超導(dǎo)技術(shù)正引來(lái)黃金時(shí)期。只有通過(guò)加強(qiáng)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，高溫超導(dǎo)產(chǎn)品性能才有提升的可能，才能引領(lǐng)未來(lái)艦船推進(jìn)和電力技術(shù)的發(fā)展方向，促進(jìn)艦船工業(yè)發(fā)生巨大變革。

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