趙 躍， 張智巍， 朱佳敏， 吳 蔚， 黃 振，李柱永， 洪智勇， 金之儉

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240； 2. 上海超導(dǎo)科技股份有限公司， 上海 201203)

面向?qū)嵱没牡诙邷爻瑢?dǎo)帶材研究進(jìn)展

趙 躍1,2， 張智巍1,2， 朱佳敏2， 吳 蔚1,2， 黃 振1，李柱永1， 洪智勇1,2， 金之儉1

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240； 2. 上海超導(dǎo)科技股份有限公司， 上海 201203)

自20世紀(jì)80年代釔鋇銅氧化合物被發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)電性以來，它受到了世界范圍內(nèi)研究者的廣泛關(guān)注。該材料具有高不可逆場(chǎng)、高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、高臨界電流密度等本征物理優(yōu)勢(shì)。這種材料以薄膜外延沉積在織構(gòu)柔性金屬基帶上，被稱為第二代高溫超導(dǎo)帶材。近年來，國內(nèi)外數(shù)家科研機(jī)構(gòu)和公司解決了生產(chǎn)公里級(jí)超導(dǎo)帶材的技術(shù)瓶頸，已能夠批量生產(chǎn)第二代高溫超導(dǎo)帶材，極大地推動(dòng)了超導(dǎo)示范工程的開展。此外，超導(dǎo)帶材用戶單位也從應(yīng)用角度向超導(dǎo)帶材性能提出新的要求，拉動(dòng)了超導(dǎo)帶材材料的發(fā)展。本文結(jié)合國內(nèi)外二代超導(dǎo)帶材發(fā)展的主要趨勢(shì)，重點(diǎn)介紹面向?qū)嵱没诙邷爻瑢?dǎo)帶材研發(fā)取得的主要進(jìn)展。

第二代高溫超導(dǎo)帶材； 臨界電流均勻性； 封裝技術(shù)； 接頭技術(shù)； 復(fù)合線材技術(shù)

1 引言

超導(dǎo)材料具有零電阻特性，完全抗磁性和宏觀量子效應(yīng)等諸多常規(guī)材料所不具備的物理性質(zhì)，其在電力、交通運(yùn)輸、醫(yī)療、大科學(xué)裝置等許多前沿領(lǐng)域有著不可替代的作用。自1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來，超導(dǎo)材料已發(fā)現(xiàn)上千種，其中僅有幾種具有實(shí)用價(jià)值。這是因?yàn)閷?shí)用超導(dǎo)材料必須滿足高載流能力、高不可逆場(chǎng)、高化學(xué)穩(wěn)定性和易于工業(yè)化生產(chǎn)等特性[1]。目前，能夠滿足上述要求的實(shí)用超導(dǎo)材料包括：①鈮合金線材，即NbTi，Nb3Sn等，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低，被稱為低溫超導(dǎo)材料；②銅氧化合物，其轉(zhuǎn)變溫度高于液氮沸點(diǎn)，其中包括以Bi-Sr-Ca-Cu-O和Re-Ba-Cu-O為代表的高溫超導(dǎo)材料；③近年來發(fā)現(xiàn)的二元化合物MgB2和鐵基超導(dǎo)材料。

與其他實(shí)用超導(dǎo)材料相比，Re-Ba-Cu-O具有高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、高載流能力、高不可逆場(chǎng)以及廉價(jià)的生產(chǎn)原料等優(yōu)勢(shì)。將這種材料以薄膜外延沉積在織構(gòu)柔性金屬基帶上，可獲得“涂層導(dǎo)體”，即第二代高溫超導(dǎo)帶材。最近一系列的國家科技政策文件，如《國家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》(2006～2020)將高溫超導(dǎo)技術(shù)確立為新材料前沿技術(shù)之一，是未來高技術(shù)更新?lián)Q代和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。國家發(fā)改委《“十二五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》中明確將高性能超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)列入重點(diǎn)扶持領(lǐng)域，《國家智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》中已明確發(fā)展超導(dǎo)電力傳輸、超導(dǎo)電力儲(chǔ)能技術(shù)，國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組會(huì)議文件、《中國制造 2025》重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新綠皮書，《工業(yè)強(qiáng)基工程2025》等也明確了重點(diǎn)支持高溫超導(dǎo)材料、裝備研制和應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)。這說明高溫超導(dǎo)材料和基于高溫超導(dǎo)材料的超導(dǎo)技術(shù)已被提高到了國家戰(zhàn)略層面。

近年來，歐美日等技術(shù)發(fā)達(dá)國家先后突破了第二代高溫超導(dǎo)帶材的長(zhǎng)線帶材制備技術(shù)，公里級(jí)帶材的生產(chǎn)工藝已日漸成熟，已為若干示范工程的建設(shè)提供了大量原材料。依托于這些示范工程的成功實(shí)施，高溫超導(dǎo)技術(shù)表現(xiàn)出從單一超導(dǎo)電力器件示范逐漸向大型集成超導(dǎo)電力系統(tǒng)方向發(fā)展的趨勢(shì)。我國在該領(lǐng)域普遍處于產(chǎn)業(yè)化中試階段。通過政策牽引，國產(chǎn)帶材已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)供應(yīng)，為國內(nèi)外多個(gè)研發(fā)單位和企業(yè)提供高性價(jià)比的超導(dǎo)帶材。在某些應(yīng)用條件下，國內(nèi)超導(dǎo)帶材的性能已超過歐美日等技術(shù)發(fā)達(dá)國家，這為進(jìn)一步推動(dòng)高溫超導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)示范性應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

面向超導(dǎo)電纜、限流器、磁體和電機(jī)等應(yīng)用，本文將從公里級(jí)線材電流提升及均勻性改善、超導(dǎo)帶材中低溫外場(chǎng)性能提升、超導(dǎo)帶材封裝技術(shù)、接頭技術(shù)、性能測(cè)試技術(shù)以及復(fù)合線材技術(shù)等幾個(gè)方面介紹近年來超導(dǎo)帶材的研究進(jìn)展。

2 第二代高溫超導(dǎo)帶材國內(nèi)外發(fā)展概況

第二代高溫超導(dǎo)帶材為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，主要包括金屬基帶、氧化物過渡層和超導(dǎo)層等。金屬基帶一般為織構(gòu)的Ni基合金或不銹鋼帶，作為后續(xù)氧化物薄膜的載體，能夠有效地對(duì)超導(dǎo)層起到支撐作用；過渡層多為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的氧化物，其主要作用是阻止金屬基帶和超導(dǎo)層之間的元素?cái)U(kuò)散，也起到傳遞織構(gòu)的作用；超導(dǎo)層是核心功能層。按照超導(dǎo)層沉積工藝的不同，二代高溫超導(dǎo)帶材的發(fā)展主要有四種技術(shù)路線：金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、金屬有機(jī)物化學(xué)溶液沉積(MOD)、脈沖激光沉積(PLD)和反應(yīng)共蒸發(fā)技術(shù)(RCE)。四種制備技術(shù)各有特點(diǎn)，如PLD技術(shù)易于調(diào)控超導(dǎo)層的顯微結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)過程易于控制，但生產(chǎn)設(shè)備投入較大；MOCVD和RCE技術(shù)可以在鍍膜過程中精確調(diào)整各元素化學(xué)計(jì)量比，對(duì)工藝參數(shù)要求嚴(yán)格；RCE技術(shù)具有較高的薄膜生長(zhǎng)速率，但尚未解決提高低溫外場(chǎng)性能的技術(shù)方案；MOD技術(shù)則在制備大面積薄膜和降低生產(chǎn)成本方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，目前的技術(shù)瓶頸是如何提高成品率。目前，世界上已有多家公司可生產(chǎn)第二代高溫超導(dǎo)長(zhǎng)帶，如表1所示。技術(shù)發(fā)達(dá)國家主要是美國、日本、歐洲和韓國，生產(chǎn)和研發(fā)水平的主要標(biāo)志是單根長(zhǎng)度、77K下的單位寬度臨界電流值。如日本Fujikura公司制備出長(zhǎng)度為1040m、臨界電流(Ic)為582A/cm的 GdBa2Cu3O7超導(dǎo)帶材[2]，韓國SuNAM公司2016年底制備出長(zhǎng)度為1000m、平均Ic接近1000A/cm 的GdBCO超導(dǎo)帶材[3]。國內(nèi)近年來組織了二代高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)重大項(xiàng)目攻關(guān)，培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。在上海市政府、蘇州市政府等地方政府的有力支持下，上海超導(dǎo)科技股份有限公司[4](以下簡(jiǎn)稱“上海超導(dǎo)”)、上海上創(chuàng)超導(dǎo)科技有限公司[5]、蘇州新材料研究所有限公司[6]等高新技術(shù)民營(yíng)企業(yè)脫穎而出，有力地推動(dòng)了國內(nèi)二代高溫超導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展。以上述三家產(chǎn)業(yè)化公司為代表的國內(nèi)超導(dǎo)帶材生產(chǎn)單位，能夠年生產(chǎn)100km以上高性能二代高溫超導(dǎo)帶材，部分企業(yè)也能夠自主設(shè)計(jì)和制造全部二代高溫超導(dǎo)帶材千米級(jí)生產(chǎn)裝備，為進(jìn)一步降低產(chǎn)品成本，推動(dòng)超導(dǎo)示范工程實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。

表1 國內(nèi)外第二代高溫超導(dǎo)帶材生產(chǎn)單位、技術(shù)路線及帶材性能指標(biāo)

3 面向?qū)嵱没瑢?dǎo)帶材關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)

超導(dǎo)帶材的載流能力及其在長(zhǎng)度方向上的均勻性對(duì)超導(dǎo)應(yīng)用具有重要意義。超導(dǎo)應(yīng)用的周期長(zhǎng)，從穩(wěn)定性考慮，要求帶材具有高度均勻性，較少接頭個(gè)數(shù)，以減小帶材缺陷處和接頭處發(fā)熱導(dǎo)致帶材失超的現(xiàn)象。由于電磁工作環(huán)境復(fù)雜，超導(dǎo)帶材需要在外磁場(chǎng)下仍保持較高載流能力，提升超導(dǎo)帶材在中高磁場(chǎng)的載流能力是目前研究的熱點(diǎn)。此外，提高高溫超導(dǎo)帶材力學(xué)性能的封裝技術(shù)、提高超導(dǎo)帶材成纜特性的復(fù)合線材技術(shù)也逐漸受到材料研究者和帶材用戶的關(guān)注。隨著超導(dǎo)帶材市場(chǎng)化的臨近，技術(shù)發(fā)達(dá)國家也注重超導(dǎo)帶材電學(xué)-力學(xué)性能測(cè)試表征技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化工作。近年來，帶材供應(yīng)商、科研機(jī)構(gòu)與帶材用戶單位緊密配合、相互協(xié)作，在實(shí)用化超導(dǎo)帶材材料關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)方面取得了重要進(jìn)展。

3.1公里級(jí)線材電流提升及均勻性改善

公里級(jí)超導(dǎo)帶材的電流提升主要包括緩沖層質(zhì)量改善(包括粗糙度、織構(gòu)、化學(xué)及晶體結(jié)構(gòu)與超導(dǎo)層的匹配度等)和保持超導(dǎo)層臨界電流隨厚度增加的線性增加。隨著公里級(jí)過渡層工藝的成熟，目前研究者普遍認(rèn)為超導(dǎo)帶材電流提升的關(guān)鍵是提高設(shè)備穩(wěn)定性、精確控制生長(zhǎng)工藝和調(diào)整超導(dǎo)層元素成分及顯微結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)層的質(zhì)量與生長(zhǎng)溫度有密切關(guān)系。此外，超導(dǎo)層的其他關(guān)鍵沉積參數(shù)與其技術(shù)路線也有密切關(guān)系。例如，SuperPower采用的MOCVD技術(shù)路線對(duì)金屬有機(jī)鹽的穩(wěn)定供給有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性；SuNAM采用的RCE技術(shù)則對(duì)元素成分的偏析有嚴(yán)格的要求。上海超導(dǎo)采用的PLD技術(shù)，從原理上能夠?qū)胁牡某煞志_的轉(zhuǎn)移到帶材上，同時(shí)通過具有較高能量的羽輝配合均勻的加熱系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶材載流能力的控制，達(dá)到百米級(jí)高載流能力帶材的穩(wěn)定生產(chǎn)，如圖1所示。

圖1 上海超導(dǎo)生產(chǎn)帶材的臨界電流在長(zhǎng)度方向上的分布Fig.1 Ic distribution of several superconducting tapes fabricated by SSTC

3.2超導(dǎo)帶材中低溫外場(chǎng)性能提升

超導(dǎo)磁體中，超導(dǎo)帶材在外加磁場(chǎng)受到洛侖茲力的影響，Ic衰減較大。為此，需要降低工作溫度，以提高帶材的臨界電流。圖2為Fujikura公司給出的超導(dǎo)導(dǎo)線在不同溫度和磁場(chǎng)下的典型應(yīng)用[7]?？梢钥闯觯诙邷爻瑢?dǎo)帶材在高磁場(chǎng)與高溫區(qū)內(nèi)具備不可替代性。另一方面，為了進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用范圍，使其在外場(chǎng)條件下具備更好的性價(jià)比，需要在超導(dǎo)結(jié)構(gòu)中人為引入納米尺度的釘扎中心，減小超導(dǎo)電流所受洛侖茲力的影響，減小超導(dǎo)帶材電流在磁場(chǎng)中的衰減。

圖2 幾種實(shí)用超導(dǎo)材料的應(yīng)用及對(duì)應(yīng)使用條件Fig.2 Applications and operating conditions for several practical superconductors

不同高溫超導(dǎo)帶材制造工藝引入的釘扎中心具備迥異的尺度與結(jié)構(gòu)，其最佳的應(yīng)用溫度與磁場(chǎng)也有所不同。美國休斯頓大學(xué)Selvamanickam教授課題組在采用MOCVD技術(shù)制備具有納米摻雜結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)薄膜方面開展了大量的研究，其超導(dǎo)性能提升顯著。最近的研究結(jié)果表明，即使在高BaZrO3摻雜量的情況下，超導(dǎo)母相GdY-Ba-Cu-O也可以保持高度的晶體學(xué)取向，展現(xiàn)出非常優(yōu)異的超導(dǎo)電性，Ic高達(dá)8000A(//c，30K, 3T)以上。結(jié)構(gòu)研究表明除了形成的BaZrO3柱狀組織以外，大量2～3nm富Cu、Zr相也可作為非關(guān)聯(lián)的各向同向釘扎中心[8]。采用PLD技術(shù)制備超導(dǎo)帶材也可以精確調(diào)控薄膜顯微結(jié)構(gòu)，提升超導(dǎo)性能。以上海超導(dǎo)的超導(dǎo)帶材為例，其采用的本征摻雜方案在30K以下的低溫區(qū)具備較好的釘扎效果，如圖3所示。如采用500A單位寬度臨界電流作為應(yīng)用門檻，那么將高溫超導(dǎo)帶材繞制成在30K、3～5T工作下的磁體，已經(jīng)具備了一定的性價(jià)比；在20K，乃至4.2K條件下，則可滿足有更高性能需求的高場(chǎng)磁體應(yīng)用。

圖3 上海超導(dǎo)帶材的特性[4]Fig.3 Performance of superconducting tapes fabricated by SSTC[4]

3.3超導(dǎo)帶材封裝技術(shù)

在二代帶材的制備和應(yīng)用過程中，超導(dǎo)帶材經(jīng)歷了復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變、冷熱循環(huán)、彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸、緊箍力等。例如在高場(chǎng)磁體應(yīng)用中，由于電磁力的作用，超導(dǎo)帶材受到拉伸應(yīng)力(軸向和橫向拉伸應(yīng)力)。由于第二代高溫超導(dǎo)帶材結(jié)構(gòu)各向異性的特點(diǎn)，不同方向的臨界拉伸應(yīng)力相差一個(gè)數(shù)量級(jí)[9]。由于材料之間的熱膨脹收縮系數(shù)不同，磁體制備環(huán)氧浸漬工藝后的冷熱循環(huán)也極易導(dǎo)致帶材層間的剝離，如圖4所示。解決該問題的有效技術(shù)路線為封裝加強(qiáng)技術(shù)，該技術(shù)不僅可提升帶材力學(xué)性能，也能進(jìn)一步改善電學(xué)性能，如瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)過流能力。

圖4 REBCO超導(dǎo)線圈中脫層應(yīng)力產(chǎn)生示意圖及帶材分層后的照片[10]Fig.4 Generation of delamination stress in RECBO coils and photo of delaminated tape [10]

目前，世界上多家?guī)Р墓揪_發(fā)出面向不同應(yīng)用的帶材封裝技術(shù)。如美國超導(dǎo)公司在一代高溫超導(dǎo)帶材封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上形成了完整的二代帶材產(chǎn)品體系。在國內(nèi)，上海超導(dǎo)也已實(shí)現(xiàn)封裝工藝的全自動(dòng)化[11,12]，能夠滿足不同超導(dǎo)應(yīng)用的需求。面向電纜應(yīng)用，采用紫銅封裝工藝，超導(dǎo)帶材(4.8mm寬)抗穩(wěn)態(tài)過流能力在500～800A；面向超導(dǎo)電阻型限流器、超導(dǎo)電流引線等應(yīng)用，不銹鋼封裝超導(dǎo)帶材(12mm寬)常溫電阻在120mΩ/m，帶材抗過流沖擊能力顯著提高；利用黃銅封裝的超導(dǎo)帶材，可獲得折衷的電學(xué)性能和力學(xué)性能。此外，封裝工藝能夠大幅提高帶材的臨界拉伸應(yīng)力，提高帶材的臨界脫層強(qiáng)度，有效降低超導(dǎo)線圈在環(huán)氧浸漬情況下的臨界電流衰減。

除傳統(tǒng)封裝技術(shù)，金屬包覆(metal cladding)技術(shù)作為新興的帶材后處理技術(shù)也受到研究者的關(guān)注[13]。采用物理濺射鍍膜技術(shù)在超導(dǎo)帶材周圍沉積一層1～2μm厚的不銹鋼層，可以有效調(diào)控繞制磁體的匝間電阻，進(jìn)而減少其充放電時(shí)間，這將擴(kuò)寬無絕緣線圈技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合。

3.4超導(dǎo)帶材接頭技術(shù)

接頭技術(shù)是超導(dǎo)帶材得以大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。與其他超導(dǎo)導(dǎo)線類似，第二代高溫超導(dǎo)帶材接頭的關(guān)鍵指標(biāo)通常包括連接電阻(Rj)、Ic和力學(xué)性能指標(biāo)(臨界拉伸應(yīng)力[11]、臨界脫層強(qiáng)度[14]、耐冷熱循環(huán)[15]等)。此外，接頭制造工藝的復(fù)雜性以及與磁體制造過程的兼容性，也很大程度上決定了該接頭技術(shù)的實(shí)用性。按照連接電阻值和實(shí)際用途，帶材接頭分為如下兩類：

(1)以常導(dǎo)材料作為連接介質(zhì)的非超導(dǎo)接頭。這種情況下接頭電阻幾乎完全來自連接介質(zhì)。通過連接面積(主要是長(zhǎng)度)的增加以及介質(zhì)和界面電阻率的優(yōu)化，接頭電阻可降低至1nΩ左右，結(jié)合其不低于單根帶材的臨界電流和力學(xué)性能，非超導(dǎo)接頭可勝任幾乎所有超導(dǎo)電力應(yīng)用系統(tǒng)和采用電源驅(qū)動(dòng)模式運(yùn)行的超導(dǎo)磁體。非超導(dǎo)接頭技術(shù)主要包括釬焊、機(jī)械壓接法和銀擴(kuò)散法這三類[16]。其中，釬焊技術(shù)是目前工藝最為簡(jiǎn)單、應(yīng)用最為廣泛、通用性和兼容性最強(qiáng)的接頭技術(shù)。表2為目前不同生產(chǎn)商的帶材的典型接頭參數(shù)。常規(guī)釬焊采用手工操作進(jìn)行，使得接頭的連接長(zhǎng)度受到了一定程度的限制。上海超導(dǎo)于2014年報(bào)道了一種自動(dòng)化連續(xù)釬焊技術(shù)[17]，克服了傳統(tǒng)釬焊方法無法制作長(zhǎng)接頭的缺點(diǎn)，可連續(xù)、自動(dòng)化制作連接長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)數(shù)米的接頭(內(nèi)封接頭)，從而可將連接電阻降低至1nΩ量級(jí)，并且在保持帶材臨界電流不變的前提下，接頭的過流性能和臨界軸向拉伸應(yīng)力均不低于帶材本身。接頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

表2 不同生產(chǎn)商帶材的釬焊接頭典型參數(shù)(焊料為Sn63Pb37)Tab.2 Typical parameters of soldered joints prepared by different manufactures (Solder is Sn63Pb37)

圖5 上海超導(dǎo)橋接內(nèi)封超導(dǎo)接頭示意圖Fig.5 Structure of lamination joint(bridge-type) made by SSTC

(2)以超導(dǎo)材料作為連接介質(zhì)或無連接介質(zhì)的超導(dǎo)接頭。這種情況下接頭電阻主要來自于磁通蠕動(dòng)，通?？傻椭?0-11nΩ或以下量級(jí)。其最重要的目標(biāo)應(yīng)用是用于制造磁共振成像系統(tǒng)中主磁體的閉合線圈，使其可在恒流模式下工作。此類系統(tǒng)對(duì)磁場(chǎng)穩(wěn)定性要求極高，通常其主磁場(chǎng)衰減速率需要小于0.01ppm/h[19]，這意味著整個(gè)閉合線圈的總電阻需要低至10-11Ω量級(jí)。目前超導(dǎo)接頭的發(fā)展尚處于起步階段。

3.5超導(dǎo)帶材性能測(cè)試表征技術(shù)

由于第二代高溫超導(dǎo)帶材實(shí)用化進(jìn)程的推進(jìn)，超導(dǎo)帶材電、力學(xué)以及電-磁-力學(xué)耦合性能測(cè)試技術(shù)也不斷發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)帶材Ic在長(zhǎng)度方向的均勻性測(cè)試。按原理分，測(cè)試技術(shù)主要有感應(yīng)法和直流傳輸法。其中感應(yīng)法具有測(cè)試速度快、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。代表性的技術(shù)解決方案為北京原力辰公司的磁回路技術(shù)(產(chǎn)品為M-corder)[20]、德國Theva公司的霍爾陣列探頭技術(shù)(產(chǎn)品為TAPEStar)[21]等。此外,日本九州大學(xué)和美國休斯頓大學(xué)等單位也開展二維臨界電流測(cè)試技術(shù)，該技術(shù)能夠給出臨界電流在帶材長(zhǎng)度和寬度兩個(gè)維度的分布。然而感應(yīng)法僅能給出超導(dǎo)帶材臨界電流在長(zhǎng)度方向的均勻性，無法給出直流傳輸電流的大小，具有一定的局限性。因此，基于傳統(tǒng)四引線技術(shù)的直流傳輸測(cè)量具有不可替代的地位，韓國SuNAM、美國SuperPower和美國超導(dǎo)公司等單位均采用該技術(shù)對(duì)帶材進(jìn)行質(zhì)量控制[22]。我國科研單位和帶材供應(yīng)商在國家超導(dǎo)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的領(lǐng)導(dǎo)下，已經(jīng)成立了相關(guān)工作組，開展了研究工作。初步的測(cè)試結(jié)果表明，長(zhǎng)帶材感應(yīng)法和四引線直流傳輸對(duì)表征帶材臨界電流的均勻性具有較高的一致性，且兩種技術(shù)均可以達(dá)到無損測(cè)量的要求，如圖6所示。其中，實(shí)線為感應(yīng)法測(cè)量的結(jié)果，圓點(diǎn)為直流傳輸法的結(jié)果。

圖6 70m超導(dǎo)帶材感應(yīng)法和直流傳輸法測(cè)試結(jié)果比較Fig.6 Comparison study on Ic distribution on 70m long superconducting tape measured by inductive technique and DC transport technique

(2)帶材在外場(chǎng)下臨界電流測(cè)試。由于帶材的各向異性，該研究尚局限在實(shí)驗(yàn)室短樣品的測(cè)試水平。

(3)第二代高溫超導(dǎo)帶材力學(xué)性能測(cè)試，包括臨界脫層強(qiáng)度、臨界拉伸應(yīng)力和臨界雙彎曲半徑等。目前國際相關(guān)組織正在組織有關(guān)科研單位進(jìn)行循壞比對(duì)試驗(yàn)，確定上述性能指標(biāo)的測(cè)試規(guī)范。

3.6復(fù)合超導(dǎo)線材技術(shù)

面向二代帶材電力系統(tǒng)實(shí)際工程的需求，研究人員提出了多種復(fù)合超導(dǎo)帶材(超導(dǎo)導(dǎo)體)技術(shù)。其中包括：①TSTC超導(dǎo)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)[23]，該結(jié)構(gòu)是一種對(duì)平行并聯(lián)堆疊帶材，然后通過扭絞外加絕緣或金屬包套的超導(dǎo)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)帶材之間相互支撐，可提高整體力學(xué)性能，彎曲性能良好；②Roebel Cable, 該結(jié)構(gòu)采用正反換位排列的工藝，可降低帶材交流損耗[24]；③CORC導(dǎo)線，這種結(jié)構(gòu)具有柔性好、高載流能力、高工程電流密度、可減少最終成纜過程中帶材載能力的衰減等優(yōu)點(diǎn)，CORC結(jié)構(gòu)將超導(dǎo)帶材螺旋纏繞在銅棒上，外側(cè)用絕緣材料包覆[25]。

近年來，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院、國內(nèi)的華北電力大學(xué)和上海交通大學(xué)都開展了針對(duì)堆疊帶材制備復(fù)合超導(dǎo)帶材的工作。上海交通大學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)團(tuán)隊(duì)首次提出制備寬度為1mm超導(dǎo)細(xì)絲的穩(wěn)定工藝，其主要工藝包括：將超導(dǎo)帶材沿電流傳輸方向完全分切成更窄的超導(dǎo)細(xì)絲，然后在錫爐中進(jìn)行表面鍍錫、結(jié)合等過程，最終制備成一根截面接近方形的新型超導(dǎo)線[26]。該新型導(dǎo)線可減少外界磁場(chǎng)對(duì)超導(dǎo)帶材表面的影響，同時(shí)易于超導(dǎo)細(xì)絲扭絞化。后續(xù)通過封裝工藝可將數(shù)根超導(dǎo)細(xì)絲封裝成具有高載流量的超導(dǎo)方形線，復(fù)合超導(dǎo)線具有良好的電機(jī)械性能。圖7為1mm寬度新型高溫超導(dǎo)方形線的照片。

圖7 1mm寬度新型高溫超導(dǎo)方形線的照片F(xiàn)ig.7 Photo of novel soldered-stacked-square HTS wires with 1mm width

4 結(jié)論

隨著二代帶材工業(yè)化和實(shí)用化進(jìn)程的加快，超導(dǎo)材料本征優(yōu)勢(shì)凸顯。第二代高溫超導(dǎo)帶材在高溫高場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景下具有不可替代的作用，應(yīng)用廣泛。和實(shí)用化低溫超導(dǎo)材料、第一代高溫超導(dǎo)材料制備過程中采用的拉拔擠壓或軋制等機(jī)械加工工藝相比，二代帶材需要多層鍍膜工藝。經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的探索后，國際和國內(nèi)已有多家超導(dǎo)公司能夠生產(chǎn)出公里級(jí)長(zhǎng)的超導(dǎo)帶材，該類實(shí)用超導(dǎo)材料已進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的前夜。超導(dǎo)電纜、限流器、儲(chǔ)能、磁體以及超導(dǎo)電機(jī)等示范工程的開展，對(duì)第二代高溫超導(dǎo)帶材生產(chǎn)能力、長(zhǎng)度、均勻性、電磁力學(xué)性能有更高的實(shí)用需求，這極大地促進(jìn)了帶材研發(fā)水平的提高。隨著對(duì)材料本身和工藝?yán)斫獾纳钊?，二代帶材的載流能力將不斷提升，均勻性不斷改善，成品率大幅提升。第二代高溫超導(dǎo)帶材正在向低成本、高性能和產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

[1] Gurevich A. To use or not to use cool superconductors?[J]. Nature Materials, 2011, 10(4): 255-259.

[2] Iijima Y, Kakimoto K, Igarashi M, et al. BMO doped REBCO coated conductors for uniform in-fieldIcby hot-wall PLD process using IBAD template[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017，27(4): 6602804.

[3] Lee Jae-Hun, Lee Jae-Hun，Chung Woosuk，et al. Recent highlights of SuNA: HTS conductor & magnet[A]. Aceelerator Physics Meeting[C]. Hong Kong, China, 2017.

[4] 上海超導(dǎo)科技股份有限公司(Shanghai Superconductor Technology Co., Ltd.).超導(dǎo)帶材(Superconducting tapes) [DB/OL]. http://www.shsctec.com/Pages/ SpecialProductList.aspx?ID=61&cl=cn, 2017-07-20.

[5] 上海上創(chuàng)超導(dǎo)科技有限公司(Shanghai Creative Superconductor Technologies Co., Ltd.). 上創(chuàng)產(chǎn)品(SCSC products) [DB/OL]. http://www.china-superconductor.com/, 2017-08-02.

[6] 蘇州新材料研究所(Suzhou Advanced Materials Research Institute). 帶材類(Tape categorize)[DB/OL]. http://www.samri.org.cn/,2015-09-25.

[7] Fujikura Ltd. Application: Yttrium-based 2G superconductor leading the next generation [EB/OL]. http://www.fujikura.com/solutions/superconductingwire, 2013.

[8] Selvamanickam V. Progress of 2G HTS tapes developed in University of Houston [R]. 2017.

[9] Wang Y. Fundamental elements of applied superconductivity in electrical engineering[M]. Singapore: John Wiley & Sons, 2013.

[10] Miyazaki H, Iwai S, Tosaka T, et al. Delamination stresses of different types of REBCO-coated conductors and method for reducing radial thermal stresses of impregnated REBCO pancake coils [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2015, 25(3): 6602305.

[11] Ma J, Zhu J M, Wu W, et al. Axial tension and overcurrent study on a type of mass-producible joint for ReBCO coated conductors [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(4): 8400505.

[12] 朱佳敏，陳思侃，洪智勇(Zhu Jiamin, Chen Sikan, Hong Zhiyong).一種超導(dǎo)帶材封裝裝置(A lamination setup of superconducting tapes)[P].中國專利(Chinese Patent)：CL201710416026.8，2017-06-06.

[13] Kim J, Yoon S, Cheon K, et al. Effect of resistive metal cladding of HTS tape on the characteristic of no-insulation coil[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(4): 4601906.

[14] Liu W, Zhang X, Zhou J, et al. Delamination strength of the soldered joint in YBCO coated conductors and its enhancement [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2015, 25(4): 6606109.

[15] Isozaki K, Iwasaki S, Anazawa T, et al. Influence of repeated tensile stresses on current transfer characteristics of YBCO coated conductors with solder joints [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, 24(4): 8400304.

[16] 張涵, 馬光同, 李興田, 等(Zhang Han, Ma Guangtong, Li Xingtian, et al.). 高溫超導(dǎo)涂層帶材接頭工藝研究進(jìn)展(Research progress of joints between high temperature coated superconductors)[J]. 低溫與超導(dǎo)(Cryogenics & Superconductivity), 2016, 44(4): 43-54.

[17] Miao Q, Zhu J, Cheng M, et al. Fabrication and characteristic tests of a novel low-resistance joint structure for YBCO coated-conductors[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2015, 25(4): 6600705.

[18] Fleiter J, Ballarino A. In-field electrical resistance at 4.2 K of REBCO splices [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, 27(4): 6603305.

[19] Senatore C, Alessandrini M, Lucarelli A, et al. ChemInform abstract: Progresses and challenges in the development of high-field solenoidal magnets based on RE123 coated conductors[J]. ChemInform, 2016, 47(28):103001.

[20] Gu C, Qu T M, Zou S N, et al. Contactless measurement of critical current of high temperature superconductor tape by magnetic circuit[J]. Review of Scientific Instruments, 2010, 81(8):1101.

[21] Nakao K, Machi T, Miyata S, et al. Non-destructive characterization of long coated conductors using a Hall sensor array[J]. Physica C - Superconductivity & Its Applications, 2006, 445-448(1):669-672.

[22] 國家超導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(National Technical Standardization Committee of Superconductivity). 國家超導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)[2016] 013號(hào)文件，《2016-IEC/TC90美國博爾德會(huì)議情況介紹》(Summary of 2016-IEC/TC90 conference at US Boulder)[Z].2017-09-27.

[23] Takayasu M, Chiesa L, Bromberg L, et al. HTS twisted stacked-tape cable conductor[J]. Superconductor Science and Technology, 2011, 25(1):014011.

[24] Lakshmi L S, Thakur K P, Staines M P, et al. Magnetic AC loss characteristics of 2G Roebel cable[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2009, 19(3): 3361-3364.

[25] van der Laan D C. YBa2Cu3O7-δcoated conductor cabling for low ac-loss and high-field magnet applications[J]. Superconductor Science and Technology, 2009, 22(6): 065013.

[26] Li Z Y, Li J, Wang Y, et al. A study on critical current and AC loss characteristics of novel 2G HTS narrow wires[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(4): 8201104.

Progressofsecondgenerationhightemperaturesuperconductorsforpracticalapplications

ZHAO Yue1,2, ZHANG Zhi-wei1,2, ZHU Jia-min2, WU Wei1,2, HUANG Zhen1, LI Zhu-yong1, HONG Zhi-yong1,2, JIN Zhi-jian1

(1. School of Electronic, Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240, China; 2. Shanghai Superconductor Technology Co. Ltd.，Shanghai 201203, China)

Since the superconductivity being observed in 1980s, ReBa2Cu3O7(ReBCO)family has attracted much attention from researchers worldwide. These materials have intrinsic physical features, such as high irreversibility field, high transition temperature and high critical current density. ReBCO is deposited on textured flexible metallic substrates by epitaxy growth techniques, so-called the second generation high temperature superconductor (2G HTS). Recently, several research institutes and companies have resolved the bottle-necks of fabrication of kilometer-long superconducting tapes. Industrialization of the 2G HTS tapes greatly promoted the development of superconducting demonstration projects. Besides, the users propose new requirements of superconducting tapes for practical applications, which also pull the development of superconducting materials. In the light of the achievements of 2G-HTS tapes worldwide, this paper reviewed the main progress in the research and development of 2G-HTS tapes for practical applications.

2G HTS; uniformity of critical current; lamination techniques; joint techniques; cabling techniques

10.12067/ATEEE1706067

1003-3076(2017)10-0069-07

TM26

2017-06-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51577119)、 國家自然科學(xué)基金委員會(huì)應(yīng)急管理項(xiàng)目(51641704)、 上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃高新技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目(17511102306)、 上海市浦江人才計(jì)劃項(xiàng)目(17PJ1430900)

趙 躍(1981-), 男, 天津籍, 研究員， 博士, 研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)材料與應(yīng)用；張智巍(1985-), 男, 福建籍, 副研究員， 博士, 研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)材料與應(yīng)用。