●劉思德 趙麗莎/文

一、超導材料概述

超導材料，就是常說的“ 超導體（superconductor）”，主要是指某些金屬、合金和化合物，當溫度降到某一特定值時，其電阻率就會突然減小，甚至消失而無法測量，此現(xiàn)象就是“超導現(xiàn)象”。

超導材料就是能夠發(fā)生超導現(xiàn)象的物質(zhì)，超導材料在宏觀和微觀上都展現(xiàn)出許多神奇的電磁特性，主要有完全導電性、抗磁性和約瑟夫森效應。

完全導電性：當超導材料處于超導狀態(tài)時，其電阻值為零，且傳輸電能可無耗損；抗磁性（邁斯納效應）：當超導材料處于超導狀態(tài)時，若外磁場不超過某一定值，則磁力線就不能透入超導材料的內(nèi)部，故而其內(nèi)磁場恒為零；通量量子化（約瑟夫森效應）：當兩層超導體之間的絕緣層薄至原子尺寸時，電子對可以穿過絕緣層產(chǎn)生隧道電流的現(xiàn)象。

表征超導材料的指標主要有三個：

臨界溫度，即超導體保持其超導性的最高溫度；臨界磁場，即超導體保持其超導性和完全抗磁性的最強磁場；臨界電流，即超導體保持其超導性所能承載的最大電流。目前，已發(fā)現(xiàn)有28 種元素和幾千種合金和化合物，都在不同條件下顯示出超導性，均可作為超導材料。從臨界溫度（Tc）角度劃分，“超導材料家族”可分為兩類：第1 類為高溫超導體（HTS），一般指臨界轉變溫度高于約25K 的超導體；第2 類為低溫超導體（LTS），一般指臨界轉變溫度低于約25K 的超導體。

二、稀土超導材料的發(fā)展史

1.超導材料的發(fā)展史

1911年，荷蘭物理學家昂納斯在研究水銀低溫電阻時發(fā)現(xiàn):當溫度降到4.2K 時,水銀的電阻急劇下降,以至完全消失（即零電阻）。超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，引起了各國科學家的高度重視,并對其寄予很大期望，科學家一直致力于尋找具有高臨界轉變溫度（Tc）的新超導體。

1911年～1957年，是人類對超導的基本探索和認識階段；

1958年～1985年，是人類對超導技術應用的準備階段；

1986年至今，開啟了人類對超導技術的實用階段。

2.稀土超導材料的發(fā)展歷程

稀土超導材料的研發(fā)是隨著超導體研究不斷地深入而展開的。1973年，科學家們研發(fā)出了含有稀土元素鐠（Pr）的鈮鐠合金超導體，其臨界轉變溫度為23.3K。

1986年，科學家們研發(fā)出又一新稀土超導材料——鑭鋇銅氧陶瓷（La-Ba-Cu-O），含有稀土元素鑭（La），并取得了突破性進展，其臨界溫度Tc=35K。1987年之后，中國、美國等國科學家先后獨立各自發(fā)現(xiàn)了稀土高溫超導體——鋇釔銅氧化物（YBa2Cu3O7-x），含有稀土元素釔（Y），其臨界溫度達90K 以上，因遠超過氮的沸點77K，Tc處于液氮溫區(qū)有超導電性，該稀土超導高溫材料可以在液氮溫度下工作，使稀土超導陶瓷一躍成為極具發(fā)展?jié)摿Φ某瑢Р牧?。特別是重稀土，如釓（Gd）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）和鐿（Yb）部分或全部取代稀土釔（Y），形成的一系列高Tc稀土超導材料（簡稱“REBaCuO 或REBCO”），極大推動了超導材料研究和應用的發(fā)展。

2008年，日本發(fā)現(xiàn)了新稀土超導材料，即鑭氧鐵砷材料（LaFeAsO），其臨界溫度為26K，我國科學家采用高溫高壓結合輕稀土元素的合成方案，將鐵基超導體的臨界溫度大幅提升，由26K 提高到55K。

三、我國稀土超導材料的突破

1.我國稀土超導材料的研發(fā)

我國的超導研究起步于20 世紀50年代。

上世紀80年代中后期，以中國科學院物理研究所趙忠賢為代表的中國科學家加入國際高溫超導競爭，他帶領實驗團隊在釔鋇銅氧中發(fā)現(xiàn)了臨界轉變溫度93K（-180℃）的液氮溫區(qū)超導體，實現(xiàn)了一個世界級突破，從-268.8℃的液氦溫區(qū)提高到-196℃的液氮溫區(qū)，意味著制冷難度和成本的大幅度降低。1986年，趙忠賢等因“液氮溫區(qū)氧化物超導體的發(fā)現(xiàn)及研究”走在當時世界超導領域的最前沿，于1989年獲得國家自然科學一等獎。

21 世紀初，在日本科學家發(fā)現(xiàn)鐵基超導體后，趙忠賢帶領團隊將超導臨界溫度先是提高到顯著超過40K（-233℃）的麥克米蘭極限，之后創(chuàng)造了大塊鐵基超導體55K（-218℃）的最高臨界溫度紀錄。2013年，趙忠賢等因“40K 以上鐵基高溫超導體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”再捧得國家自然科學獎一等獎。2015年，趙忠賢榮獲國際超導領域重要獎項馬賽厄斯獎，并因在超導領域杰出的貢獻，獲得2016年度國家最高科學技術獎。

近年來，中國科學家在高溫超導領域又陸續(xù)取得一系列突破。清華大學和中科院物理所的團隊在僅有一個原子層的FeSe 薄膜上發(fā)現(xiàn)了65K（-208℃）以上的超導電性，在上海交通大學、復旦大學、北京大學等研究團隊的推動下，發(fā)現(xiàn)這類超導現(xiàn)象可能源于界面效應，還有可能出現(xiàn)100K（-173℃）以上的高溫超導電性；2014年，吉林大學的研究人員從理論上預言一種化合物在高壓下可實現(xiàn)191K（-82℃）的高溫超導，將突破164K（-109℃）的臨界溫度紀錄。2016年中科院電工所成功研制出世界首根100 米量級鐵基超導長線，這一成果開創(chuàng)了鐵基超導材料從實驗室研究走向產(chǎn)業(yè)化進程的里程碑，標志著我國在鐵基超導材料技術領域的研發(fā)走在了世界最前沿。

2.稀土超導材料研究的熱點和難點

1986年，銅氧化合物高溫超導體的發(fā)現(xiàn)為超導研究開辟了一個全新的領域，在全世界范圍內(nèi)掀起了高溫超導研究的熱潮。

2008年，在鐵基高溫超導體的研究中我國再次取得重大突破，引領了高溫超導研究的第二次“熱潮”，實現(xiàn)了我國在高溫超導研究領域的全面趕超。在全世界超導研究熱潮中，一系列超導轉變溫度高于液氮溫度的超導體被發(fā)現(xiàn)，包括BiSrCaCuO（根據(jù)超導相不同分別簡寫為Bi2223、Bi2212）、REBaCuO（簡寫為RE123，RE 為Y、Gd 等稀土元素）、TlBaCaCuO（簡寫為Tl2223）和HgBaCaCuO（簡寫為Hg1223）等一系列氧化物高溫超導材料。由于釔系超導體在大電流、高磁場條件下應用的潛力，并可制成多晶粉、薄膜、厚膜、塊材、線（帶）材、單晶等多種可應用的形式以及稀土元素間性能相似導致的可互換性，稀土超導體在高溫超導研究開發(fā)活動中一直占居首位，在每年發(fā)表的超導論文中始終占據(jù)著突出位置。

采用薄膜外延生長制備的雙軸織構稀土RE123涂層導體克服了晶界弱連接問題，其本征特性和制備工藝決定了RE123 面內(nèi)面外織構程度高，晶界弱連接小，而由其島狀生長機制提供的大量位錯缺陷形成的高密度有效磁通釘扎中心，具有明顯優(yōu)勢。更為可貴的是，其基帶可選擇價格低廉的鎳基合金或常規(guī)的不銹鋼帶，材料成本具有很大的下降空間。因此，基于RE123 的第二代高溫超導帶材成為實用高溫超導材料的研究熱點和應用期盼。

稀土高溫超導基礎研究成績斐然，但長期以來未能實現(xiàn)高溫超導的產(chǎn)業(yè)化及大規(guī)模應用。主要原因包括：RE123 材料具有強各向異性，載流能力強烈依賴晶界夾角，必須實現(xiàn)原子級晶粒的雙軸織構排列才能獲得高性能帶材；RE123 屬于陶瓷材料，機械加工難度大，需要結合柔性基帶，制備工藝復雜，成膜效率低，帶材長度方向的連續(xù)性、穩(wěn)定性問題難以解決；批量化、連續(xù)化制備的專門裝備系統(tǒng)缺乏，成本居高不下，影響下游產(chǎn)品的開發(fā)。

近年來，我國稀土高溫超導取得很多研究進展，不乏較為優(yōu)秀的技術突破，上海大學“第二代高溫超導帶材關鍵制備技術”項目組，針對RE123 材料實用化瓶頸問題，攻克雙軸織構生長和連續(xù)化制備關鍵技術難題，實現(xiàn)了具有自主知識產(chǎn)權的稀土高溫超導帶材技術路線。項目采用非真空化學法技術路線，具有組分易控制、溶液100%利用，適于大面積、寬帶化和批量化制備等優(yōu)點，是稀土高溫超導帶材低成本產(chǎn)業(yè)化的理想路徑。

同樣，中國科學家在鐵基超導研究洪流中，不僅僅局限于新超導材料的發(fā)現(xiàn)和臨界溫度的提升，這個研究群體從材料、實驗、理論和應用四大方面都取得了世界矚目的前沿成果，我國科學家已經(jīng)成為鐵基超導研究的主力軍，引領了國際超導研究潮流。

四、稀土超導材料的應用

1.稀土超導材料的應用領域

超導材料，有三大特征：完全導電性、抗磁性和約瑟夫森效應。三種效應都有非常廣泛的應用。稀土超導材料的潛在市場非常巨大，發(fā)展前途十分廣闊，可將其用于采礦、能源、電子工業(yè)、醫(yī)療設備、懸浮列車等許多領域。

2.我國稀土超導材料應用成果

我國科研團隊在高溫稀土超導材料的研究中，一直居于世界第一梯隊。

超導帶材

2021年1月23 日，上海交通大學物理系李貽杰教授團隊歷時3年，采用獨特的技術路線，成功研發(fā)一整套具有自主知識產(chǎn)權的百米級第二代高溫超導帶材，實現(xiàn)了國內(nèi)超導帶材領域的新突破。該超導帶材的超導層應用稀土氧化物。經(jīng)過反復試驗和測試，國產(chǎn)百米級第二代高溫超導帶材已經(jīng)成功解決了從實驗室研究成果向產(chǎn)業(yè)化轉移所必須克服的鍍膜工藝穩(wěn)定性、重復性和可靠性等技術難點，從而為后續(xù)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎。

目前國際上第二代高溫超導帶材已處于大規(guī)模市場化應用的邊緣，我國大力發(fā)展這一領域的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)項目恰逢其時。此外，由于第二代高溫超導帶材中的超導層屬稀土氧化物系列，就原材料而言，我國具有稀土資源優(yōu)勢，開展第二代高溫超導帶材的研制可將我國的資源優(yōu)勢轉化為技術優(yōu)勢。

超導輸電

2021年12月22 日，國家電網(wǎng)有限公司（下稱國家電網(wǎng)）在上海興建的全球首條35 千伏公里級超導電纜示范工程（下稱示范工程）投入運行。示范工程敷設的超導電纜核心采用二三十根0.4 毫米厚的第二代超導帶材，這是高溫超導電纜輸電技術在國內(nèi)的首次商業(yè)化應用。該項目核心技術國產(chǎn)化率達100%，并填補多項國際標準空白，標志著我國在高溫超導輸電領域已居于國際領先地位。

超導輸電是當今電力行業(yè)最具革命性的前沿技術之一。其原理是在-196℃的液氮環(huán)境中，利用超導材料的超導特性，使電力傳輸介質(zhì)接近于零電阻，電能傳輸損耗趨近于零，從而實現(xiàn)低電壓等級的大容量輸電。一條35 千伏超導電纜相當于傳統(tǒng)220 千伏電纜的輸送容量，可以替代4～6 條相同電壓等級傳統(tǒng)電纜，可節(jié)省70%的地下管廊空間。這種傳輸效能和空間經(jīng)濟性上的顯著優(yōu)勢，使得超導電纜非常適用于寸土寸金的城市中心區(qū)域大容量輸電。

3.高溫超導應用前景廣闊

超導電機

2019年，中船重工第712 研究所表示，最新研制的全國首臺2 兆瓦高溫超導風力發(fā)電機，正在進行最后的技術驗證和測試。這款超導風力發(fā)電機，相比傳統(tǒng)2 兆瓦銅導帶風力發(fā)電機，體積更小，其承載電流能力，是常規(guī)銅導帶的100 倍。高溫超導材料在低溫環(huán)境下具有零電阻特性，其載流能力遠遠超普通銅導線，具有重量輕、體積小、效率高、噪音小、易維護、操作靈活、單機極限容量大等優(yōu)點。高溫超導電機技術是一項涉及應用新材料、新方法、新工藝的多學科高新技術，隨著高溫超導材料技術的不斷發(fā)展，高溫超導電機技術將實現(xiàn)工程化應用，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟和社會效益。

超導高速磁浮列車工程化樣車

2021年1月13 日，由西南交通大學研制的高溫超導高速磁浮工程化樣車投入試運行。這是由我國自主研發(fā)的、世界上第一臺高溫超導高速磁懸浮工程化樣車，列車設計時速620 公里/小時。采用的高溫超導磁浮技術，利用超導材料的超導現(xiàn)象，其產(chǎn)生的釘扎效應，超導電磁鐵與感應磁場之間產(chǎn)生相互吸引或排斥力，使列車穩(wěn)定懸浮在軌道上面。采用大載重釘扎磁浮技術，從而實現(xiàn)載客能力。加上無接觸磁浮可以減少車軌之間的機械阻力，從而進一步提高速度，可以實現(xiàn)低真空條件下的超高速運行。

五、稀土超導材料發(fā)展前景

稀土超導材料，它以比液氦便宜50 倍的液氮為工作介質(zhì)，具有低溫超導材料無法比擬的優(yōu)點，其中釔系材料的開發(fā)由于釹鋇銅氧（NdBCO）、釤鋇銅氧（SmBCO）等輕稀土鋇銅氧超導材料的加盟和平行發(fā)展，使稀土在高溫超導材料研究開發(fā)、商品化活動中的領先地位得到進一步加強。自YBaCO 超導體研究方面取得重大突破以來，稀土超導材料應用技術研究正在向縱深發(fā)展，超導技術已轉入實際應用開發(fā)階段，并進入高新技術產(chǎn)業(yè)。

隨著稀土超導材料產(chǎn)業(yè)化，包括高溫超導電纜、高溫超導變壓器、高溫超導限流器、高溫超導磁浮列車、高溫超導電磁推進器和高溫超導成像儀已逐步走進我們的生活。

自1911年發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象以來，尤其是1987年進入高溫超導時代以后，每當有新的超導材料被世人發(fā)現(xiàn)，總會掀起新的研究熱潮，如此一波接一波的推動超導材料及科學研究向更高的超導轉變溫度和更多的實質(zhì)性應用前進?？梢哉f，超導技術將是21 世紀最具經(jīng)濟戰(zhàn)略意義的高新技術之一，稀土超導材料研發(fā)是具有重大發(fā)展?jié)摿Φ念I域，市場前景無限廣闊。