ReBCO超導材料及各國超導產(chǎn)業(yè)發(fā)展

1986年，高溫超導體的發(fā)現(xiàn)，使得鉍鍶鈣銅氧（BSCCO）超導材料得到了深入的研究，并在多個超導樣機與示范線中得以應用，但BSCCO材料本身的特性及原料成本限制了其大規(guī)模應用。由稀土（RareEarth，Re）、鋇（Ba）、銅（Cu）、氧（O）元素組成的第2代的高溫超導材料，統(tǒng)寫為ReBCO，可以在較高的溫度與磁場下使用，在性能上具有明顯優(yōu)勢，同時隨著工藝的成熟，成本也有望低于BSCCO，因而成為新的研究重點。稀土元素是一類元素的合稱，包括元素鈧、釔和鑭系元素，共17種元素。因此，在ReBCO化學式中，Re可被任一稀土元素替代，如釔（Y）、釓（Gd）、釤（Sm）等。YBCO是目前研究最多，并已成功實現(xiàn)商品化的第2代高溫超導材料，帶材是最主要的應用形式。不管Re被哪一種具體元素替代，ReBCO超導帶材的結(jié)構(gòu)都包括基板、緩沖層、超導層和保護層。以YBCO高溫超導帶為例，對ReBCO超導帶材的結(jié)構(gòu)作進一步的闡述。YBCO超導帶材是在合金基板上沉積YBCO超導薄膜，基板材料一般為鎳（Ni）合金，如哈氏合金（HastelloyC）。超導層與基板之間具有緩沖層，緩沖層為YBCO的生長提供織構(gòu)模板，有益于提高YBCO的載流能力。緩沖層又可細分為籽晶層、阻擋層及模板層。為了保護超導層，通常還需在YBCO層上制備一層或多層保護層。真空沉積技術(shù)是制備緩沖層的主流方法，以離子束輔助沉積（IBAD）最為典型，濺射法（Sputtering）、脈沖激光沉積法（PLD）、蒸發(fā)法（Evaporation）等常規(guī)真空制膜技術(shù)也可用于緩沖層的制備，常見的緩沖層材料有氧化鈰（CeO2）、釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）、釓鋯氧化物（GZO）、氧化鎂（MgO）等，具體見表1[1-3]。超導層是實現(xiàn)超導性能的核心層，PLD及TFAMOD（三氟乙酸鹽金屬有機物法）是目前最主要的制備方法。相比于PLD法，TFA-MOD法更適合規(guī)模化制備ReBCO超導薄膜，是當前重點發(fā)展方向之一[4]。保護層材料一般為導電導熱性好且具有一定機械強度的金屬材料，如銀（Ag）-Cu復合材料或Ni合金等。一、ReBCO生產(chǎn)廠商表2[5-7]列出了國內(nèi)外著名的ReBCO超導帶材生產(chǎn)產(chǎn)商、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及制備方法。AMSC是生產(chǎn)超導帶材的龍頭企業(yè)。2007年以前，AMSC以一代BSCCO超導帶材作為其核心產(chǎn)品；2007年后，AMSC將重點轉(zhuǎn)移至YBCO帶材，同時停止BSCCO超導帶材的生產(chǎn)。迄今，AMSC生產(chǎn)的帶材已在多條超導電纜中應用。美國Superpower公司可生產(chǎn)3～12mm寬度的超導帶材。根據(jù)不同的用戶需求，可分切至不同的厚度。與AMSC不同，Superpower公司采用電鍍的方式為超導帶材提供保護層，且可根據(jù)實際過流作用的需要調(diào)整鍍層厚度。2007年，Superpower公司利用自制的YBCO帶材繞制的磁場線圈，在4.2K、19T的背景磁場下得到了26.8T強磁場，創(chuàng)造了超導磁體的世界紀錄。2010年，這一紀錄更新為35.4T。日本藤倉公司是生產(chǎn)ReBCO超導帶材的典型代表，同時也是IBAD技術(shù)的首創(chuàng)者。目前，藤倉公司已實現(xiàn)數(shù)百米級ReBCO帶材的制備能力，承擔了日本多個國內(nèi)國家科研項目。韓國SuNAM公司成立于2004年，其后發(fā)展迅猛，2007年開發(fā)了高溫超導帶材高速沉積實驗系統(tǒng)，2009年建立了二代ReBCO高溫超導帶材生廠線，2012年即實現(xiàn)了千米級ReBCO超導帶材的制備能力。隨著ReBCO超導帶材制備技術(shù)的日趨成熟，已有多個以其為核心的超導電力裝置得以示范運營，見表3[8，9]。二、各國超導政策[10-13]目前ReBCO相關(guān)超導產(chǎn)品仍處于示范運行或樣機狀態(tài)，2007年以前，高溫超導產(chǎn)品主要以Bi系超導材料作為載體。2007年后，以ReBCO超導帶材為核心的超導產(chǎn)品逐漸開始出現(xiàn)。縱觀國內(nèi)外發(fā)展情況，ReBCO超導帶材生產(chǎn)廠家主要集中在美、日等國，其掌握核心技術(shù)的同時，發(fā)展速度迅猛，而我國在帶材生產(chǎn)及相關(guān)示范產(chǎn)品的基礎相對薄弱。1.美國美國先后出臺了《電力系統(tǒng)超導計劃（1998年）》、《超導伙伴計劃SPI（1993年）》、《GRID2030計劃（2003）》等超導相關(guān)政策，并于2005年和2006年分別發(fā)布了《2005-2009財年的超導電力系統(tǒng)項目計劃》與《超導技術(shù)基礎研究需求報告》，從相關(guān)政策的數(shù)量與頻繁程度，可以看出美國政府對超導技術(shù)的重視。美國總統(tǒng)奧巴馬的“綠色能源新政”中更是提出：要建設橫跨4個時區(qū)以超導電網(wǎng)和智能電網(wǎng)為主的全國統(tǒng)一電網(wǎng)（用超導電纜將東部、西部、德州電網(wǎng)3大電網(wǎng)連接），可以接入包括風能、太陽能等在內(nèi)的各種可再生能源，并能進行智能化管理，使整個動力系統(tǒng)發(fā)生變革，從而改善美國電力基礎設施。在美國能源部（DOE）的資助及相關(guān)政府部門的協(xié)調(diào)下，各公司、大學與科研院所展開了密集的合作，如美國南線公司（Southwire）、AMSC公司、Supowpower公司、ABB電力和配電公司、布魯克海文國家實驗室、洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）、美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）以及喬治亞輸電公司等，都取得了豐碩的成果。Superpower與LANL公司合作，推動了IBAD法制備YBCO超導帶材的發(fā)展；AMSC與ORNL合作，發(fā)明了RABiTS技術(shù)，并成功批量制備商用YBCO帶材。2006年7月20日，指標為34.5kV/800A/320m的超導電纜在美國國家電網(wǎng)公司通電運行（AlbanyProject）。320m超導電纜完全采用日本SEI公司的Bi系超導帶材，并由SEI公司負責制造。Superpower、英國氧氣公司（BOC）、美國國家電網(wǎng)等參與了項目的實施。該項目得到了DOC與紐約州能源研發(fā)局的資助。隨后，SEI利用Superpower提供的YBCO超導帶材，制成了30m超導電纜，并與前期320m超導相連，于2008年1月通電運行。2006年8月，由DOE資助、長島能源管理局承辦、AMSC主導、耐克森公司與法國液化公司參與的“LIPA”項目進入施工階段。該條電纜長600m、電壓等級138kV，額定傳輸電流2.4kA，由并行排列的3條獨立單相高溫超導電纜組成。2008年4月22日，該條電纜成功并網(wǎng)，并為30萬家庭供電；2007年，“LIPAⅡ”期項目啟動，目標是將“LIPA”項目超導電纜的第二相更換為YBCO超導帶材，該項目仍有DOE自助。2.日本在超導材料及相關(guān)技術(shù)開發(fā)上，日本處于世界領(lǐng)先水平。在日本政府的支持下，“超導設備和帶材工程研究協(xié)會”、“國際超導產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究中心（ISTEC）”、“新能源產(chǎn)業(yè)綜合技術(shù)開發(fā)機構(gòu)（NEDO）”等研究機構(gòu)與協(xié)會相繼成立，研究領(lǐng)域包括醫(yī)療、電力、交通與軍事等眾多領(lǐng)域。在日本，有很多大公司及科研機構(gòu)如三菱、昭和、SEI、藤倉、九州大學、早稻田大學等從事超導技術(shù)的開發(fā)，且研發(fā)方向相互聯(lián)系而側(cè)重點又各有相同。表4列出了日本2003-2007年度第2代高溫超導帶材研發(fā)國家計劃的分工與開發(fā)內(nèi)容情況。在日本政府一系列舉措下，在各公司、研究機構(gòu)的積極參與下，日本在超導材料開發(fā)及應用方面已具有絕對優(yōu)勢。3.韓國相比于日、美，韓國在超導技術(shù)研究領(lǐng)域起步較晚。2000年后，韓國政府加快了包括超導技術(shù)在內(nèi)的高新技術(shù)的開發(fā)力度。2001年，韓國科技部成立了“超導應用技術(shù)中心（CAST）”負責統(tǒng)籌協(xié)調(diào)“應用超導技術(shù)發(fā)展先進電力系統(tǒng)（DAPAS）計劃”，DAPAS計劃中，韓國電力技術(shù)研究院（KERI）是領(lǐng)導實施的獨立機構(gòu)，負責研究目標與實施計劃的擬定、項目評審與超導技術(shù)的引進，具體承擔單位包括首爾大學、韓國機械材料研究所、韓國原子能機構(gòu)研究所等，研發(fā)方向包括：超導電力設備（電纜/變壓器/限流器）、超導材料、超導通用技術(shù)（低溫/絕緣/損耗）。表5列出了2005年度，ReBCO超導帶材的研發(fā)機構(gòu)與分工。在政府的大力扶持下，韓國SuNAM公司現(xiàn)已成為為數(shù)不多的有能力制備商用ReBC超導帶材的廠家之一。2011年，22.9kV/50MVA/410m冷絕緣三相超導電纜在韓國利川變電站掛網(wǎng)。該項目由韓國知識經(jīng)濟部（MKE）與韓國電力公司（KEPCO）資助，LS電纜公司與KERI為主要參與單位，該條電纜采用的ReBCO超導帶材購自AMSC公司。4.中國我國對超導技術(shù)也持續(xù)給予了政策支持。“九五”至“十二五”期間，分別以“超導技術(shù)專項-高溫超導電纜”、“超導材料與技術(shù)專項”、“實用化超導材料制備與超導工程化示范應用技術(shù)”、“先進超導材料及其應用技術(shù)”為階段目標，予以重點攻關(guān)。《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中提出：要發(fā)展新型高溫超導材料及制備技術(shù)、超導電纜、超導電機、高效超導電力器件以及超導生物醫(yī)學器件、高溫超導濾波器、高溫超導無損檢測裝置等靈敏探測器件等；2012年1月4日，國家工業(yè)和信息化部出臺了《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃中提出：發(fā)展高溫超導千米長線、高溫超導薄膜材料規(guī)模化制備技術(shù)，滿足核磁共振成像、超導電纜、無線通信等需求；2012年3月27日，科學技術(shù)部印發(fā)《智能電網(wǎng)重大科技產(chǎn)業(yè)化工程“十二五”專項規(guī)劃》中，提出要對超導材料產(chǎn)業(yè)進行布局；2012年7月9，國務院印發(fā)了《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確提出：開展超導等共性基礎材料研究和產(chǎn)業(yè)化，提高新材料工藝裝備的保障能力。截至2014年，我國已有3條超導電纜并網(wǎng)運行、2臺超導限流器掛網(wǎng)，實現(xiàn)了千米級Bi系超導帶材及百米級ReBCO高溫超導帶材的制備，碩果累累。但必須認識到，我國第2代ReBCO高溫超導帶材產(chǎn)業(yè)化上仍處于落后地位，暫無國產(chǎn)ReBCO超導帶材市售的報道。5.其他國家俄羅斯也將超導技術(shù)作為重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)之一。2010年12月，俄政府向“俄羅斯國家原子能公司”下?lián)?.65億盧布經(jīng)費（約1.4億RMB），以發(fā)展“創(chuàng)新能源”項目框架下的“超導產(chǎn)業(yè)”。目前俄羅斯已建成一條200m超導電纜（采用SEI公司Bi系超導帶材）示范線，其他的基礎研究也在開展之中。歐洲的很多國家也在從事超導技術(shù)的研究與開發(fā)工作，如英國劍橋大學、阿伯丁大學、丹麥技術(shù)大學與國家實驗室、德國卡爾斯魯爾技術(shù)研究院（KIT）以及荷蘭的萊頓大學（超導現(xiàn)象在此發(fā)現(xiàn)），從事ReBCO超導帶材的研究單位主要集中在德國，歐盟的其它國家則以基礎研究為主。為了促進超導材料及相關(guān)技術(shù)發(fā)展，歐洲先后實施了《超導電性歐洲網(wǎng)》計劃與《超導電力連接計劃》。2011年9月，德國RWE公司、KIT以及Nexans啟功了“AmpercityProject”項目，擬用ReBCO超導帶材，建造一條10kV/2.3kA/1000m超導電纜，2013年3月該電纜在德國埃森市開始鋪設，2013年底至2014年初完成調(diào)試，這是目前世界上利用ReBCO制造的最長超導電纜。三、結(jié)語從世界各國都在進行超導技術(shù)的開發(fā)，足以看出超導技術(shù)的應用潛力，但要想真正的實現(xiàn)規(guī)模化應用，還有待時日。高溫超導技術(shù)想要實用化，必須首先解決高溫超導帶材長帶批量化制備問題。作為目前最具性能及價格優(yōu)勢的ReBCO高溫超導帶材，正在逐漸向長帶化發(fā)展。我國從“九五”后一直從事超導技術(shù)的開發(fā)工作，取得了豐碩的成果，但在ReBCO高溫超導研發(fā)上，與美、日等國還有很大差距（盡管美、日等國也并不具備批量化生產(chǎn)千米級以上ReBCO超導長帶的能力）。相信在國家政策的持續(xù)推動下，ReBCO超導長帶制備技術(shù)有望取得突破。Reference[1]王醒東，夏芳敏，林中山，等.二代YBCO超導帶材的制備及其臨界電流測試方法[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2012，（12）：28-32.[2]XuYongli，ShiDonglu.AReviewofCoatedConductorDevelopment[J].TsinghuaScienceandTechnology，2003，8（3）：342-369.[3]熊杰.YBCO高溫超導帶材的制備及實用化研究[D].成都，電子科技大學，2007.[4]王醒東.商用超導材料技術(shù)概況[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2013（2）：51-55.[5]馮峰，史鍇，瞿體明，等.制備高溫超導涂層導體的技術(shù)路線分析[J].中國材料進展，2011，30（3）：9-15.[6]和泉輝郎，宮田成紀，山田穣，等.MOD法を用いた次世代超電導線材の開発[J].昭和電線，2007，57（1）：45-49.[7]SongXiaokun，HongDan，WangYing，etal.TheInfluenceofTemperatureDistributiononYBCOCoatedConductorDepositedbyReel-to-ReelPLDMethod[J].JSupercondNovMagn，2011（24）：1793-1796.[8]王醒東.超導技術(shù)在強電領(lǐng)域的應用及市場