高温超导材料转向实用化 [复制链接]

第7版(国际)
专栏：院士园地

　　高温超导材料转向实用化
　　中国工程院院士 周廉
　　作者简介著名超导及稀有金属专家。生于1940年3月，中国工程院院士，现任西北有色金属研究院常务副院长、教授、博士生导师。兼任国家超导专家委员会首席专家、中国材料研究学会副理事长、国际低温工程材料委员会和世界钛会执委会委员等职。30多年来，取得多项重大成果，被授予“国家有突出贡献的出国留学人员”、“国家级有突出贡献的专家”、“全国有色金属工业特等劳模”等荣誉称号。
　　在世界科技飞速发展的今天，材料科学将是世界各国面向21世纪展开激烈竞争的一个制高点。超导材料，特别是高温超导材料技术，作为本世纪发展起来的最引人注目的科技新成就、一个非常活跃的重要前沿，在许多技术领域是常规技术所无法实现、无法替代的。应该说，超导材料的完全实用化，将会导致一次新的工业革命。因此，高温超导技术正以它独特的创新效应和巨大的发展潜力，在世界范围内引发着一场划时代的革命。
　　1911年，荷兰科学家昂尼斯发现了电阻在一定温度下突然为零的现象，这就是超导。具体来讲，超导体在满足一定临界条件下具有零电阻和完全抗磁性两个特性。此外，超导体还有三个基本参数———临界温度、临界磁场、临界电流。超导体广泛应用于高能物理、能源、运输、医疗科技、通信系统和微电子等领域，如大家熟知的发电机、输电电缆、核磁共振人体成像仪、磁悬浮列车等。
　　在高温超导体出现以前，以铌钛、铌三锡为代表的低温实用超导材料经过20余年研究与发展获得了成功，已实现了商品化。但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦（4．2K）系统中使用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。
　　1986年，瑞士科学家J．G．Bednorz和K．A．Muller发现高温氧化物超导体，在短短10年时间里使临界温度从以前最高的23．2K提高到了160K，把超导应用的温度从液氦提高到液氮（77K）温区，给工程应用带来了极大的方便。正因为这些在经济和技术上的巨大潜在能力，使这种高新技术在世界范围内引起极大关注，吸引了大量的科学工作者采用最先进的技术装备及手段，对高温超导进行了广泛和深入的研究，其中许多研究工作都涉及到了材料科学的前沿问题。可以说，高温超导体的发现是最近几十年来在物理学和材料科学领域中的重大突破之一，人们期望着高温超导体的发现与应用最终会给人类带来巨大的技术创新与社会变革。
　　高温超导材料要获得应用就需把它做成各种形状的材料，如块材、线材、膜材等。10年来，从事超导研究的科学家进行了大量的基础研究，并针对存在的制造技术方面的问题，发展了许多特种工艺，高温超导材料已在块材、线材和应用等方面取得了重要进展。
　　对高温超导材料来说，最主要的应用性能是磁场下的临界电流密度（Jc）。在高温超导块材方面的工作主要是围绕钇钡铜氧（YBCO）系列材料展开的。1988年，熔融织构工艺（美国）首先在这方面取得了突破，相继发展出液相处理法（美国）、淬火熔融生长法（日本）和粉末熔化处理法（PMP，中国西北有色金属研究院）等熔化工艺，使Jc超过了104A／cm2（77K，1T）。特别是PMP工艺，使Jc值提高到1．4×105A／cm2（77K，1T），处于国际领先水平。研究YBCO超导块材的目标之一是利用它在超导态下的磁悬浮力，应用于超导轴承、贮能以及磁悬浮列车等。日本钢铁公司最近制得的Φ80mm的样品，磁悬浮力达8．3牛顿／cm2，已接近实用化水平。我国西北有色金属研究院制备的Φ20—30mm的YBCO块材磁悬浮力超过11牛顿／cm2（77K），并实现了小批量生产。YBCO大块亦可作为永久磁体用。这些说明YBCO块材有着很大开发和应用潜力。
　　在高温超导线（带）材方面，目前已在铋锶钙铜氧系复合带（线）材中取得了很大进展。人们利用粉末套管法制备铋系长线（带）材取得了成功，1996年，美国超导公司和日本住友公司制备的1200米带材的Jc值均超过1．7×104A／cm2，并且能够稳定生产。各国研究人员也积极尝试一些新工艺以期取得带材性能的突破，中国西北有色金属研究院最近制备的数百米长带材的Jc达到2×104A／cm2，并已具备批量生产能力。由于铋系超导体在液氮温度下磁场中应用性能低的弱点，使得其实际应用领域受到较大的限制，科学家们除了正在研究改进这种带材外，还在开发第二代涂层超导线材，以满足在各领域中的应用需求。
　　10年来，高温超导材料在大电流引线、贮能、限流器、电缆和电机等方面的应用取得了很大的进展。
　　在电流引线方面，高温超导体由于能量损耗小、热导率低等优点，因此大大优越于常规电流引线。1995年美国超导公司第一次宣布了它的高温超导电流引线已开始商业销售。日本东芝公司等也都开发出了500—2000A的电流引线并开始实用化。目前，我国西北有色金属研究院已能稳定生产1000A级的高温超导电流引线，这种电流引线在低温磁体系统中将具有广阔的应用前景。
　　在磁体方面，用铋系材料绕制的磁体具有高的稳定性和可靠性。日本住友电工报道了他们制备的铋系高温超导磁体，在20K下可产生7T的磁场，为目前最高记录。并将该磁体插入铌钛及铌三锡组合磁体中，在4．2K产生了24T的磁场，已能满足1G赫兹核磁共振磁体要求。此外，高温超导磁体做船舶推进马达，可提高船体系统的稳定性、可靠性和安全性。
　　输电电缆被认为是实现高温超导应用的最有希望的领域。高温超导电缆同常规地下电缆相比具有明显的优越性，从而有可能替代目前使用的地下电缆。美国超导公司已开发出30米长3000A的铋系电缆。日本的东京电力等已联合开发出50米长、3000A的输电电缆。我国“九五”超导重点攻关项目，高温超导输电电缆的研制，在国家超导中心的组织下，由西北有色金属研究院、北京有色金属研究院和中科院电工所，联合成功地研制出1米长、1200A的输电电缆。专家们预测，到2010年左右，高温超导输电电缆可能实现商品化。
　　高温超导电子器件将在生物磁性测量，寻找矿藏，制造高速、超小体积的大型计算机等领域发挥巨大的作用。
　　高温超导材料经过十年的发展，在各个方面都取得了令人振奋的成绩。但在实用化方面仍存在许多困难，需要在材料科学的基础研究、线材制备技术和器件相关技术等方面继续进行深入研究，进一步提高材料的实用性能，同时大幅度降低成本。
　　从超导技术发展的历程来看，新的更高临界温度材料的发现和制造技术的突破都大有可能。目前高温超导材料正从研究阶段向应用发展阶段转变，未来的十年是市场发展和材料产业化的十年。自从高温超导材料发现以来，世界上许多国家都投入了大量的经费进行全方位的研究开发工作，美、日的研究经费每年都维持在2亿美元左右，最近制定了许多计划，推动材料的制备及实用化进程。我国也根据目前国内外研究和发展的现状及动向，制定了“九五”攻关的多个研究和开发项目。
　　据预测，到2000年和2010年，世界超导工业市场将分别达到76亿美元／年和370亿美元／年，到2020年超导市场将达到1220亿美元—2440亿美元／年。用发展的眼光看，人们有理由相信，再过15年，即超导体发现100年的时候，超导材料研究将会在高温超导机制、更高临界温度超导体探索以及应用等方面取得重大进展。
　　中国有一支高水平的超导物理、材料及应用的研究队伍，也有一批先进科研成果，亦有十分丰富的资源和巨大的市场。今后十年是超导技术发展的最关键时期，也是超导市场孕育和高温超导商品化的重要时期，中国的超导研究面临着机遇和挑战。我们应该抓住时机发展有自己特点的技术，加强应用开发力度，根据国内情况确定超导产业化目标，发展我国自己的超导高技术产业，以便在未来把握住中国巨大的超导市场的同时，积极跻身国际市场。（附图片）