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。
磨内喷水 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。
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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。
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在日本政府一系列举措下，在各公司、研究机构的积极参与下，日本在超导材料开发及应用方面已具有绝对优势。
3. 韩国
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相比于日、美，韩国在超导技术研究领域起步较晚。2000年后，韩国政府加快了包括超导技术在内的高新技术的开发力度。2001年，韩国科技部成立了“超导应用技术中心（C A S T）”负责统筹协调“应用超导技术发展先进电力系统（DAPAS）计划”，DAPAS计划中，韩国电力技术研究院（KE R I）是领导实施的独立机构，负责研究目标与实施计划的拟定、项目评审与超导技术的引进，具体承担单位包括首尔大学、韩国机械材料研究所、韩国原子能机构研究所等，研发方向包括：超导电力设备（电缆/变压器/限流器）、超导材料、超导通用技术（低温/绝缘/损耗）。表5列出了2005年度，R e B CO超导带材的研发机构与分工。
在政府的大力扶持下，韩国S u N AM公司现已成为为数不多的有能力制备商用R e B C超导带材的厂家之一。
2011年，22.9k V /50M V A /410m冷绝缘三相超导电缆在韩国利川变电站挂网。该项目由韩国知识经济部（MKE）与韩国电力公司（KE PCO）资助，LS电缆公司与KERI为主要参与单位，该条电缆采用的R e B C O超导带材购自AMSC公司。
4. 中国
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我国对超导技术也持续给予了政策支持。“九五”至“十二五”期间，分别以“超导技术专项-高温超导电缆”、“超导材料与技术专项”、“实用化超导材料制备与超导工程化示范应用技术”、“先进超导材料及其应用技术”为阶段目标，予以重点攻关。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中提出：要发展新型高温超导材料及制备技术、超导电缆、超导电机、高效超导电力器件以及超导生物医学器件、高温超导滤波器、高温超导无损检测装置等灵敏探测器件等；2012年1月4日，国家工业和信息化部出台了《新材料产业“十二五”发展规划》，规划中提出：发展高温超导千米长线、高温超导薄膜材料规模化制备技术，满足核磁共振成像、超导电缆、无线通信等需求；2012年3月27日，科学技术部印发《智能电网重大科技产业化工程“十二五”专项规划》中，提出要对超导材料产业进行布局；2012年7月9，国务院印发了《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》明确提出：开展超导等共性基础材料研究和产业化，提高新材料工艺装备的保障能力。截至2014年，我国已有3条超导电缆并网运行、2台超导限流器挂网，实现了千米级Bi系超导带材及百米级ReBCO高温超导带材的制备，硕果累累。但必须认识到，我国第2代ReBCO高温超导带材产业化上仍处于落后地位，暂无国产ReBCO超导带材市售的报道。
5. 其他国家
俄罗斯也将超导技术作为重点发展产业之一。2010年12月，俄政府向“俄罗斯国家原子能公司”下拨7.65亿卢布经费（约1.4亿RMB），以发展“创新能源”项目框架下的“超导产业”。目前俄罗斯已建成一
机器人 单片机条200m超导电缆（采用S E I公司B i系超导带材）示范线，其他的基础研究也在开展之中。
欧洲的很多国家也在从事超导技术的研究与开发工作，如英国剑桥大学、阿伯丁大学、丹麦技术大学与国家实验室、德国卡尔斯鲁尔技术研究院（KI T）以及荷兰的莱顿大学（超导现象在此发现），从事R e B C O超导带材的研究单位主要集中在德国，欧盟的其它国家则以基础研究为主。为了促进超导材料及相关技术发展，欧洲先后实施了《超导电性欧洲网》计划与《超导电力连接计划》。2011年9月，德国RWE公司、KIT以及Ne x a n s启功了“Amp e r c i t y P r o j e c t”项目，拟用ReBCO超导带材，建造一条10kV/2.3kA/1000m 超导电缆，2013年3月该电缆在德国埃森市开始铺设，2013年底至2014年初完成调试，这是目前世界上利用ReBCO制造的最长超导电缆。
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