超导材料研究进展以及行业发展综述

超导材料研究进展以及行业发展综述 材料物理一班 李孟君（2009034035） 摘要：简要概述了超导材料的研究进展及其应用，特别是在先进电网中的应用需求和前景，分析了国内外几种典型的实用超导材料的发展趋势和市场需求情况。以及发展超导材料所带来的巨大收益。 关键词：实用超导材料；超导电网。 引言 自从1911 年荷兰物理学家Kamerling Onnes 发现超导现象以来，超导材料的发展经过了一个从简单金属到复杂化合物，即由一元系到二元系、三元系直至多元系及高分子体系的过程。在上世纪80 代末发现铜氧化物超导体之后，在新世纪之初又有两类比较接近实用的超 导材料被发现，即MgB2和Fe 基超导体，新型超导体可谓层出不穷。然而，由于各自不同的本征特性、低温条件、合成技术及其环境污染等因素，各类超导体的实用化水平相差很大，有的基本失去实用性，仅能适于基础研究。基于双轴织构和薄膜外延技术的第2 代高温超导带材，由于克服了晶界弱连接和拥有大量位错缺陷提供的高密度的磁通钉扎中心，在液氮温区具有高的不可逆磁场，就磁场中的超导载流能力而言，它为目前最佳的实用超导材料。更为可贵的是，其技术使用价廉的Ni 基合金或一般的不锈钢带作为衬底，材料成本明显低于第1 代Bi 系高温超导带材。第2 代高温超导带材已经成为发展超导电力应用的基础和必然选择，因此当前，世界主要发达国家均争先恐后地进行研发。 近年来，美、日、韩和欧洲多国，已先后成功研制出长度超过100 m，最长达到1 000 m 且能够传输100 A以上超导电流的第2 代高温超导带材，使氧化物高温超导材料在能源、电力、交通运输、强磁体和军事领域的大规模应用成为可能，应用第2 代高温超导带材进行的电力示范 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 也在不断增加。可以预见，正如半导体带来了资讯时代、光纤带来了传讯时代，高温超导材料将从根本上改变人类的用电方式，给电力、能源、交通以及其它与电磁有关的科技业带来革命性的发展。 1、超导材料及其应用概述 超导材料：具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。超导材料的基本物理特性：1）零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。2）完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。3）约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。 图1给我们展示了这100年来超导材料的研究进程 超导材料除零电阻特性外，还具有完全抗磁性和宏观量子效应等诸多常规材料所不具备的奇特性质。利用超导体的这些特性可以传输大电流、获得强磁场、实现磁悬浮、检测微弱磁场信号等，因此超导材料广泛应用于电力、电子、军事、医疗、交通运输、高能物理等许 多领域。目前，超导材料已发现上千种，包括单质、合金和化合物。从1911 年第1 次发现超导现象到1985 年，超导转变温度最高为铌三锗的23 K，这些超导材料工作在液氦环境，一般称为低温超导材料。1986 年，Bednorz和Muller 发现了Tc达到30 K 的La-Ba-Cu-O 超导体，标志着高温超导研究的开始。紧接着发现了Tc超过液氮温度( 77 K) 的Y-Ba-Cu-O( YBCO，Tc = 92 K) 、Bi-Sr-Ca-Cu-O( Bi2223，Tc = 110 K) ，Tl-Ba-Cu-O( Tl2223，Tc =127 K) 和Hg-Ba-Ca-Cu-O( Hg1223，Tc = 134 K) 等系列氧化物高温超导材料，它们可以工作在廉价的液氮环境，这类材料被称为高温超导材料。1990 年以前，实用化超导材料的研究主要集中在低温超导材料。目前，低温超导材料已经进入产业化阶段，实用化超导材料研究主要集中在铜氧化物的高温超导材料。 虽然近年来各类新型超导材料层出不穷，包2000 年发现的二元化合物MgB2和2008 年发现的FeAs超导材料。然而从实用的角度，特别是就电力能源系统的强电应用而言，只有Bi、Y 系材料才有市场价值。Fe、Tl 和Hg 系由于含有环境危害元素和特殊的制备工艺，失去了作为一种实用超导材料的广泛性和普适性。 上世纪90 年代末，随着第1 代Bi 系超导材料的制备技术取得重大突破，高温超导线材很快形成产业化生产能力，极大地促进了超导应用技术的发展，如高温超导电缆、高温超导限流器、高温超导变压器、高温超导电动机等已经进入示范运行阶段。超导电力技术的应用可望提升电力工业的发展水平和促进电力业的重大变革。因此，世界主要发达国家均把超导电力技术视为具有经济战略意义的高新技术。美国能源部认为超导电力技术将是21 世纪电力工业唯一的高技术储备，发展高温超导电力技术是检验美国将科学发现转化为应用技术能力的重大实践，而日本新能源开发机构( NEDO) 则认为发展高温超导电力技术是在21 世纪的高技术竞争中保持尖端优势的关键所在。可见，超导技术越来越成为1 种不可替代的具有经济战略意义和巨大发展潜力的高新技术。 高温超导材料可广泛应用于电力、电子、医疗、国防军事、交通运输、高能物理等领域，大致可分为两大类: 大电流应用( 强电应用) 、电子学应用( 弱电应用) 。超导技术越来越成为1 种不可替代的具有经济战略意义和巨大发展潜力的高新技术，将会对国民经济和人类社会的发展产生巨大推动作用。特别值得指出的是: 高温超导线带材可制备成各类器件，包括超导储能、变压器、电缆、限流器等等广泛用于先进电网之中( 见图1 ) 。正如光纤的发明催生崭新的信息时代，高温超导线带材也将带来电力工业史上划时代的革命。 目前，世界范围内能源供应越来越紧张，而电能有大量浪费在传输线上。仅美国每年在输电线上的损失就高达400 亿美元。而如果使用高温超导线材，不仅可避免这些损失，还可以节约大量的金属材料。因为同样直径的高温超导材料的导体能力高于普通铜导线的100 倍以上。高温超导线材制成的超导器件具有损耗低、体积小、重量轻和效率高等特点。另外，建设超导智能电网是解决常规电缆远距离输电时对超高压电缆及技术依赖的唯一途径。 2、超导材料行业发展 自1911 年超导被发现以来，超导材料的发展经过了一个从简单到复杂，即由一元系到二元系、三元系直至多元系的过程。根据其适用温度及制备工艺的不同，可简单分为低温超导、第一代高温超导和第2 代高温超导等几类。考虑到最大的需求是超导线带材，这里并没有介绍高温超导块材、单晶外延薄膜和目前尚处于探索阶段的MgB2( Tc = 40 K) 超导体。 2．1 低温金属超导体( NbTi，Nb3Sn 线材: 传统的拉丝技术)以Nb3 Sn、NbTi 为代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的低温超导体已实现了商品化，并得到广泛的应用，尤其在全球医疗和科学仪器方面，如用于医学诊断的核磁共振成像仪( MRI) 及用于谱线分析的核磁共振仪( NMR) 。目前超导应用在全球医疗和科学仪器方面的年产值大约是100 亿美元，低温超导材料占据了整个超导应用领域90% 以上的市场。然而低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵的液氦系统下使用，严重限制了低温超导在电力能源系统中的应用。 2. 2 第1 代高温超导带材( Bi 系: 传统的粉末套装工艺)Bi 系超导线材又称第一代高温超导带材，具有更高的上临界场，可以用来获得更高的磁场。包括中国在内的多家企业可以批量生产出长度为千米级的铋系多芯超导线材。然而Bi 系材料在液氮温区的不可逆场较低，有在较低温度时才适于强电应用; 此外，其交流损耗远太大，不符合交流传输和变化磁场的应用; 另外，普遍使用的粉末套装工艺( PIT) 离不开贵重金属Ag，成本甚高，使得基于它的超导技术在工业上的大规模应用前景变得渺茫，世界各国已逐步放弃第一代超导在电力传输 方面的应用，将研究重点转移到开发基于Y 系的第二代高温超导带材上来。 2. 3 第2 代高温超导带材( Y 系: 现代薄膜生长技术)Y 系带材晶粒间结合较弱，难以用传统的PIT 成材工艺制备带材，其成材通常建立在现代薄膜外延生长技术上，称为第二代高温超导带材( 也称为高温超导涂层导体) 。与第一代高温超导带材相比，Y 系带材具有较高的 不可逆场，在磁场中临界电流密度可维持在很高的水平，突破了Bi 系材料只能实用于直流和低温的限制，是真正的液氮温区下强电应用的超导材料。更为可贵的是第2 代高温超导材料以价廉的Ni 或者Ni 合金为基带，甚至以一般的不锈钢为衬底，材料成本明显优于第1 代导体的Bi-2223 系线带材，性能价格比优势明显，使高温超导在电力工程中的广泛应用成为可能。 2. 4 第3代新型高温超导材料：本东京工业大学的细野秀雄教授等人新近发现了继金属系和铜氧化物系之后的第三代以铁为主要成分的超导物质。新发现的高温超导材料是一种由氧化镧层与砷化铁层交替重叠的层状化合物,一部分氧离子由氟离子置换从而显示超导电现象,电阻达到零值的超导转变温度最高温度为32 K(约为- 241 ℃) 。目前,日本的科学技术振兴局(J ST) 与东京工业大学等单位已联合组建了特别研究小组,正式投入研发工作。 2.5 高温超导带材的性价比及其市场发展需求2008 年3 月美国Bento Stategy 机构公布的超导市场调查结果显示: 世界上大多数研发机构的超导工程计划将选用第2 代高温超导材料。根据2003 美国能源部《美国高温超导材料市场分析与预测报告》预测，随着第2 代高温超导带材产业规模的扩大及带材性能的提高，其性能价格比将大幅下降至接近10 $ /kA·m，低于铜导线的性能价格比，这同时又会促进市场对高温超导带材的需求。随着性能价格比的提高，开展各种大规模超导应用也将变为可能，市场需求和产值也将会有显著提高，根据2003 美国能源部《美国高温超导材料市场分析与预测报告》初步估计，从2010 年起，高温超导限流器、电缆等应用将逐渐占据市场主要份额，至2020 年，超导电动机将占据市场的79% ，其它超导电力设备的市场份额为: 超导变压器76%、超导发电机50%、超导电缆80%。国际超导科技界( 2007 年世界超导工业峰会) 和相关产业部门预测，到2020 年，全球超导产业超过2400 亿美元。以上估算还只是在美国政府尚未公布推进智能电网和超导电网计划的预测值。 为了摆脱2008 年起的全球金融危机，美国希望发起一场新的能源革命。2009 年美国白宫发布的经济复苏计划意味着奥巴马政府能源计划的下一步将是发展智能电网，以帮助美国走出困境。智能电网是当今世界电力系统发展变革的最新动向，并被认为是21 世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势。美国政府的新能源计划主要包括两张网: 即智能电网和超导电网。目前超导电缆的技术、成本、市场等已经具备了进入美国电网改造的主要市场的能力，美国能源法也肯定了超导电缆电网的作用。如果美国的超导电网计划真正实施，超导的产值将会有一个跳跃式的市场需求。中国著名能源研究专家韩晓平预测，美国发展智能电网，8～ 10 年内整个产业规模将超过5 万亿美元; 同时美国发展超导输电，8 ～ 10 年内产业规模将陡增超过30 万亿美元。通过超导电网战略，美国超导的电力应用产业规模在8 ～ 10 年内将达到25 万亿美元。2008 年美国国民生产总值约为14. 33 万亿美元，按照平均增长率3% ，到2020 美国GDP 将达到20. 43 万亿美元，10 年内总GDP 约为194. 7 万美元，超导电力应用平均约占GDP 的12. 8%。虽然中国在超导电力研发和应用都落后于美国，如果我们抓住机会大力发展，有理由相信中国超导电力应用在晚于美国5 年( 2025 年) 后可以获得其1 /3 的规模( 占全国GDP 的5% ) 。2008 年中国总GDP 为4. 22 万亿美元，如果保持9% 的增长速率，到2020 年可达到11. 9 万亿美元，到2025 年为18. 26 万美元。则2025 年 中国超导电力规模可望达到9 130 亿美元，其中超导电缆约占55% ，即5020 亿美元，占全国GDP 的2. 75%。2008 年中国电线电缆生产总值占全国GDP 的1. 6% 左右，约为700 亿美元，其中电力电缆约占30% ，即210 亿美元。有关预测显示，我国电线电缆行业在21世纪前10 年将按10% ～ 15% 的速度增长，如果我们大力发展高温超导电力应用，电力电缆行业可望获得25% 的增长速度，到2025 年，全国电力电缆产值将达到0. 94 万亿美元，约占全国GDP 的5. 1%。美国估计其2020 年超导电缆将取得80% 的电缆市场，2025 年我国超导电缆有望取得电力电缆市场的50% ～ 55% ，约为4 700 － 5 200 亿美元。 小结 每一次国际金融危机都会带来一场上大变革，而决定经济危机应对取得胜利的关键是科技的力量。培育新的经济增长带，特别是新兴的战略型产业占领科技的制高点，也就是占领新型产业的制高点，将决定着一个国家的未来。超导技术无疑已成为目前世界各国全力争取的科技制高点之一。 超导技术是21 世纪具有战略意义的综合性高新技术，具有前瞻性、战略性。超导带材是超导电力应用的基础，第二代高温超导带材作为目前实用超导材料最为理想的选择和必然发展趋势。毫无疑问，它的研制和发展是占领超导技术与相关高新科技产业制高点的重要途径，可创造具有巨大的经济效益和社会效益。 参考文献 ［1］ 蔡传兵 高温超导涂层导体-RE123 双轴织 构技术及其发展状态［J］． Progress in Physics( 物理学进展) ， 2007( 4) : 467． ［2］蔡传兵（高温超导应用研究) ［M］． Shanghai: Shanghai Science and Technology Press，2008． ［3］ Service R F，Superconductivity- New Wave of Electrical Wires Inches Closer to Market［J］． Science，2005，308: 348． ［4］Joseph Mulholland，Thomas Sheahen P，Ben Mcconnell． Analysis of Future Prices and Markets for High Temperature Superconductors ［R］． U S Department of Energy，2003