趙 躍， 張智巍， 朱佳敏， 吳 蔚， 黃 振，李柱永， 洪智勇， 金之儉

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240； 2. 上海超導(dǎo)科技股份有限公司， 上海 201203)

面向?qū)嵱没牡诙邷爻瑢?dǎo)帶材研究進展

趙 躍1,2， 張智巍1,2， 朱佳敏2， 吳 蔚1,2， 黃 振1，李柱永1， 洪智勇1,2， 金之儉1

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240； 2. 上海超導(dǎo)科技股份有限公司， 上海 201203)

自20世紀80年代釔鋇銅氧化合物被發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)電性以來，它受到了世界范圍內(nèi)研究者的廣泛關(guān)注。該材料具有高不可逆場、高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、高臨界電流密度等本征物理優(yōu)勢。這種材料以薄膜外延沉積在織構(gòu)柔性金屬基帶上，被稱為第二代高溫超導(dǎo)帶材。近年來，國內(nèi)外數(shù)家科研機構(gòu)和公司解決了生產(chǎn)公里級超導(dǎo)帶材的技術(shù)瓶頸，已能夠批量生產(chǎn)第二代高溫超導(dǎo)帶材，極大地推動了超導(dǎo)示范工程的開展。此外，超導(dǎo)帶材用戶單位也從應(yīng)用角度向超導(dǎo)帶材性能提出新的要求，拉動了超導(dǎo)帶材材料的發(fā)展。本文結(jié)合國內(nèi)外二代超導(dǎo)帶材發(fā)展的主要趨勢，重點介紹面向?qū)嵱没诙邷爻瑢?dǎo)帶材研發(fā)取得的主要進展。

第二代高溫超導(dǎo)帶材； 臨界電流均勻性； 封裝技術(shù)； 接頭技術(shù)； 復(fù)合線材技術(shù)

1 引言

超導(dǎo)材料具有零電阻特性，完全抗磁性和宏觀量子效應(yīng)等諸多常規(guī)材料所不具備的物理性質(zhì)，其在電力、交通運輸、醫(yī)療、大科學(xué)裝置等許多前沿領(lǐng)域有著不可替代的作用。自1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來，超導(dǎo)材料已發(fā)現(xiàn)上千種，其中僅有幾種具有實用價值。這是因為實用超導(dǎo)材料必須滿足高載流能力、高不可逆場、高化學(xué)穩(wěn)定性和易于工業(yè)化生產(chǎn)等特性[1]。目前，能夠滿足上述要求的實用超導(dǎo)材料包括：①鈮合金線材，即NbTi，Nb3Sn等，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低，被稱為低溫超導(dǎo)材料；②銅氧化合物，其轉(zhuǎn)變溫度高于液氮沸點，其中包括以Bi-Sr-Ca-Cu-O和Re-Ba-Cu-O為代表的高溫超導(dǎo)材料；③近年來發(fā)現(xiàn)的二元化合物MgB2和鐵基超導(dǎo)材料。

與其他實用超導(dǎo)材料相比，Re-Ba-Cu-O具有高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、高載流能力、高不可逆場以及廉價的生產(chǎn)原料等優(yōu)勢。將這種材料以薄膜外延沉積在織構(gòu)柔性金屬基帶上，可獲得“涂層導(dǎo)體”，即第二代高溫超導(dǎo)帶材。最近一系列的國家科技政策文件，如《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》(2006～2020)將高溫超導(dǎo)技術(shù)確立為新材料前沿技術(shù)之一，是未來高技術(shù)更新?lián)Q代和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。國家發(fā)改委《“十二五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》中明確將高性能超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)列入重點扶持領(lǐng)域，《國家智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》中已明確發(fā)展超導(dǎo)電力傳輸、超導(dǎo)電力儲能技術(shù)，國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組會議文件、《中國制造 2025》重點領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新綠皮書，《工業(yè)強基工程2025》等也明確了重點支持高溫超導(dǎo)材料、裝備研制和應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)。這說明高溫超導(dǎo)材料和基于高溫超導(dǎo)材料的超導(dǎo)技術(shù)已被提高到了國家戰(zhàn)略層面。

近年來，歐美日等技術(shù)發(fā)達國家先后突破了第二代高溫超導(dǎo)帶材的長線帶材制備技術(shù)，公里級帶材的生產(chǎn)工藝已日漸成熟，已為若干示范工程的建設(shè)提供了大量原材料。依托于這些示范工程的成功實施，高溫超導(dǎo)技術(shù)表現(xiàn)出從單一超導(dǎo)電力器件示范逐漸向大型集成超導(dǎo)電力系統(tǒng)方向發(fā)展的趨勢。我國在該領(lǐng)域普遍處于產(chǎn)業(yè)化中試階段。通過政策牽引，國產(chǎn)帶材已經(jīng)逐步實現(xiàn)市場供應(yīng)，為國內(nèi)外多個研發(fā)單位和企業(yè)提供高性價比的超導(dǎo)帶材。在某些應(yīng)用條件下，國內(nèi)超導(dǎo)帶材的性能已超過歐美日等技術(shù)發(fā)達國家，這為進一步推動高溫超導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)示范性應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

面向超導(dǎo)電纜、限流器、磁體和電機等應(yīng)用，本文將從公里級線材電流提升及均勻性改善、超導(dǎo)帶材中低溫外場性能提升、超導(dǎo)帶材封裝技術(shù)、接頭技術(shù)、性能測試技術(shù)以及復(fù)合線材技術(shù)等幾個方面介紹近年來超導(dǎo)帶材的研究進展。

2 第二代高溫超導(dǎo)帶材國內(nèi)外發(fā)展概況

第二代高溫超導(dǎo)帶材為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，主要包括金屬基帶、氧化物過渡層和超導(dǎo)層等。金屬基帶一般為織構(gòu)的Ni基合金或不銹鋼帶，作為后續(xù)氧化物薄膜的載體，能夠有效地對超導(dǎo)層起到支撐作用；過渡層多為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的氧化物，其主要作用是阻止金屬基帶和超導(dǎo)層之間的元素擴散，也起到傳遞織構(gòu)的作用；超導(dǎo)層是核心功能層。按照超導(dǎo)層沉積工藝的不同，二代高溫超導(dǎo)帶材的發(fā)展主要有四種技術(shù)路線：金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、金屬有機物化學(xué)溶液沉積(MOD)、脈沖激光沉積(PLD)和反應(yīng)共蒸發(fā)技術(shù)(RCE)。四種制備技術(shù)各有特點，如PLD技術(shù)易于調(diào)控超導(dǎo)層的顯微結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)過程易于控制，但生產(chǎn)設(shè)備投入較大；MOCVD和RCE技術(shù)可以在鍍膜過程中精確調(diào)整各元素化學(xué)計量比，對工藝參數(shù)要求嚴格；RCE技術(shù)具有較高的薄膜生長速率，但尚未解決提高低溫外場性能的技術(shù)方案；MOD技術(shù)則在制備大面積薄膜和降低生產(chǎn)成本方面具有不可比擬的優(yōu)勢，目前的技術(shù)瓶頸是如何提高成品率。目前，世界上已有多家公司可生產(chǎn)第二代高溫超導(dǎo)長帶，如表1所示。技術(shù)發(fā)達國家主要是美國、日本、歐洲和韓國，生產(chǎn)和研發(fā)水平的主要標志是單根長度、77K下的單位寬度臨界電流值。如日本Fujikura公司制備出長度為1040m、臨界電流(Ic)為582A/cm的 GdBa2Cu3O7超導(dǎo)帶材[2]，韓國SuNAM公司2016年底制備出長度為1000m、平均Ic接近1000A/cm 的GdBCO超導(dǎo)帶材[3]。國內(nèi)近年來組織了二代高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)重大項目攻關(guān)，培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。在上海市政府、蘇州市政府等地方政府的有力支持下，上海超導(dǎo)科技股份有限公司[4](以下簡稱“上海超導(dǎo)”)、上海上創(chuàng)超導(dǎo)科技有限公司[5]、蘇州新材料研究所有限公司[6]等高新技術(shù)民營企業(yè)脫穎而出，有力地推動了國內(nèi)二代高溫超導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展。以上述三家產(chǎn)業(yè)化公司為代表的國內(nèi)超導(dǎo)帶材生產(chǎn)單位，能夠年生產(chǎn)100km以上高性能二代高溫超導(dǎo)帶材，部分企業(yè)也能夠自主設(shè)計和制造全部二代高溫超導(dǎo)帶材千米級生產(chǎn)裝備，為進一步降低產(chǎn)品成本，推動超導(dǎo)示范工程實施奠定了堅實的材料基礎(chǔ)。

表1 國內(nèi)外第二代高溫超導(dǎo)帶材生產(chǎn)單位、技術(shù)路線及帶材性能指標

3 面向?qū)嵱没瑢?dǎo)帶材關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)

超導(dǎo)帶材的載流能力及其在長度方向上的均勻性對超導(dǎo)應(yīng)用具有重要意義。超導(dǎo)應(yīng)用的周期長，從穩(wěn)定性考慮，要求帶材具有高度均勻性，較少接頭個數(shù)，以減小帶材缺陷處和接頭處發(fā)熱導(dǎo)致帶材失超的現(xiàn)象。由于電磁工作環(huán)境復(fù)雜，超導(dǎo)帶材需要在外磁場下仍保持較高載流能力，提升超導(dǎo)帶材在中高磁場的載流能力是目前研究的熱點。此外，提高高溫超導(dǎo)帶材力學(xué)性能的封裝技術(shù)、提高超導(dǎo)帶材成纜特性的復(fù)合線材技術(shù)也逐漸受到材料研究者和帶材用戶的關(guān)注。隨著超導(dǎo)帶材市場化的臨近，技術(shù)發(fā)達國家也注重超導(dǎo)帶材電學(xué)-力學(xué)性能測試表征技術(shù)及標準化工作。近年來，帶材供應(yīng)商、科研機構(gòu)與帶材用戶單位緊密配合、相互協(xié)作，在實用化超導(dǎo)帶材材料關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)方面取得了重要進展。

3.1公里級線材電流提升及均勻性改善

公里級超導(dǎo)帶材的電流提升主要包括緩沖層質(zhì)量改善(包括粗糙度、織構(gòu)、化學(xué)及晶體結(jié)構(gòu)與超導(dǎo)層的匹配度等)和保持超導(dǎo)層臨界電流隨厚度增加的線性增加。隨著公里級過渡層工藝的成熟，目前研究者普遍認為超導(dǎo)帶材電流提升的關(guān)鍵是提高設(shè)備穩(wěn)定性、精確控制生長工藝和調(diào)整超導(dǎo)層元素成分及顯微結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)層的質(zhì)量與生長溫度有密切關(guān)系。此外，超導(dǎo)層的其他關(guān)鍵沉積參數(shù)與其技術(shù)路線也有密切關(guān)系。例如，SuperPower采用的MOCVD技術(shù)路線對金屬有機鹽的穩(wěn)定供給有較強關(guān)聯(lián)性；SuNAM采用的RCE技術(shù)則對元素成分的偏析有嚴格的要求。上海超導(dǎo)采用的PLD技術(shù)，從原理上能夠?qū)胁牡某煞志_的轉(zhuǎn)移到帶材上，同時通過具有較高能量的羽輝配合均勻的加熱系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對帶材載流能力的控制，達到百米級高載流能力帶材的穩(wěn)定生產(chǎn)，如圖1所示。

圖1 上海超導(dǎo)生產(chǎn)帶材的臨界電流在長度方向上的分布Fig.1 Ic distribution of several superconducting tapes fabricated by SSTC

3.2超導(dǎo)帶材中低溫外場性能提升

超導(dǎo)磁體中，超導(dǎo)帶材在外加磁場受到洛侖茲力的影響，Ic衰減較大。為此，需要降低工作溫度，以提高帶材的臨界電流。圖2為Fujikura公司給出的超導(dǎo)導(dǎo)線在不同溫度和磁場下的典型應(yīng)用[7]。可以看出，第二代高溫超導(dǎo)帶材在高磁場與高溫區(qū)內(nèi)具備不可替代性。另一方面，為了進一步拓寬其應(yīng)用范圍，使其在外場條件下具備更好的性價比，需要在超導(dǎo)結(jié)構(gòu)中人為引入納米尺度的釘扎中心，減小超導(dǎo)電流所受洛侖茲力的影響，減小超導(dǎo)帶材電流在磁場中的衰減。

圖2 幾種實用超導(dǎo)材料的應(yīng)用及對應(yīng)使用條件Fig.2 Applications and operating conditions for several practical superconductors

不同高溫超導(dǎo)帶材制造工藝引入的釘扎中心具備迥異的尺度與結(jié)構(gòu)，其最佳的應(yīng)用溫度與磁場也有所不同。美國休斯頓大學(xué)Selvamanickam教授課題組在采用MOCVD技術(shù)制備具有納米摻雜結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)薄膜方面開展了大量的研究，其超導(dǎo)性能提升顯著。最近的研究結(jié)果表明，即使在高BaZrO3摻雜量的情況下，超導(dǎo)母相GdY-Ba-Cu-O也可以保持高度的晶體學(xué)取向，展現(xiàn)出非常優(yōu)異的超導(dǎo)電性，Ic高達8000A(//c，30K, 3T)以上。結(jié)構(gòu)研究表明除了形成的BaZrO3柱狀組織以外，大量2～3nm富Cu、Zr相也可作為非關(guān)聯(lián)的各向同向釘扎中心[8]。采用PLD技術(shù)制備超導(dǎo)帶材也可以精確調(diào)控薄膜顯微結(jié)構(gòu)，提升超導(dǎo)性能。以上海超導(dǎo)的超導(dǎo)帶材為例，其采用的本征摻雜方案在30K以下的低溫區(qū)具備較好的釘扎效果，如圖3所示。如采用500A單位寬度臨界電流作為應(yīng)用門檻，那么將高溫超導(dǎo)帶材繞制成在30K、3～5T工作下的磁體，已經(jīng)具備了一定的性價比；在20K，乃至4.2K條件下，則可滿足有更高性能需求的高場磁體應(yīng)用。

圖3 上海超導(dǎo)帶材的特性[4]Fig.3 Performance of superconducting tapes fabricated by SSTC[4]

3.3超導(dǎo)帶材封裝技術(shù)

在二代帶材的制備和應(yīng)用過程中，超導(dǎo)帶材經(jīng)歷了復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變、冷熱循環(huán)、彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸、緊箍力等。例如在高場磁體應(yīng)用中，由于電磁力的作用，超導(dǎo)帶材受到拉伸應(yīng)力(軸向和橫向拉伸應(yīng)力)。由于第二代高溫超導(dǎo)帶材結(jié)構(gòu)各向異性的特點，不同方向的臨界拉伸應(yīng)力相差一個數(shù)量級[9]。由于材料之間的熱膨脹收縮系數(shù)不同，磁體制備環(huán)氧浸漬工藝后的冷熱循環(huán)也極易導(dǎo)致帶材層間的剝離，如圖4所示。解決該問題的有效技術(shù)路線為封裝加強技術(shù)，該技術(shù)不僅可提升帶材力學(xué)性能，也能進一步改善電學(xué)性能，如瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)過流能力。

圖4 REBCO超導(dǎo)線圈中脫層應(yīng)力產(chǎn)生示意圖及帶材分層后的照片[10]Fig.4 Generation of delamination stress in RECBO coils and photo of delaminated tape [10]

目前，世界上多家?guī)Р墓揪_發(fā)出面向不同應(yīng)用的帶材封裝技術(shù)。如美國超導(dǎo)公司在一代高溫超導(dǎo)帶材封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上形成了完整的二代帶材產(chǎn)品體系。在國內(nèi)，上海超導(dǎo)也已實現(xiàn)封裝工藝的全自動化[11,12]，能夠滿足不同超導(dǎo)應(yīng)用的需求。面向電纜應(yīng)用，采用紫銅封裝工藝，超導(dǎo)帶材(4.8mm寬)抗穩(wěn)態(tài)過流能力在500～800A；面向超導(dǎo)電阻型限流器、超導(dǎo)電流引線等應(yīng)用，不銹鋼封裝超導(dǎo)帶材(12mm寬)常溫電阻在120mΩ/m，帶材抗過流沖擊能力顯著提高；利用黃銅封裝的超導(dǎo)帶材，可獲得折衷的電學(xué)性能和力學(xué)性能。此外，封裝工藝能夠大幅提高帶材的臨界拉伸應(yīng)力，提高帶材的臨界脫層強度，有效降低超導(dǎo)線圈在環(huán)氧浸漬情況下的臨界電流衰減。

除傳統(tǒng)封裝技術(shù)，金屬包覆(metal cladding)技術(shù)作為新興的帶材后處理技術(shù)也受到研究者的關(guān)注[13]。采用物理濺射鍍膜技術(shù)在超導(dǎo)帶材周圍沉積一層1～2μm厚的不銹鋼層，可以有效調(diào)控繞制磁體的匝間電阻，進而減少其充放電時間，這將擴寬無絕緣線圈技術(shù)的應(yīng)用場合。

3.4超導(dǎo)帶材接頭技術(shù)

接頭技術(shù)是超導(dǎo)帶材得以大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。與其他超導(dǎo)導(dǎo)線類似，第二代高溫超導(dǎo)帶材接頭的關(guān)鍵指標通常包括連接電阻(Rj)、Ic和力學(xué)性能指標(臨界拉伸應(yīng)力[11]、臨界脫層強度[14]、耐冷熱循環(huán)[15]等)。此外，接頭制造工藝的復(fù)雜性以及與磁體制造過程的兼容性，也很大程度上決定了該接頭技術(shù)的實用性。按照連接電阻值和實際用途，帶材接頭分為如下兩類：

(1)以常導(dǎo)材料作為連接介質(zhì)的非超導(dǎo)接頭。這種情況下接頭電阻幾乎完全來自連接介質(zhì)。通過連接面積(主要是長度)的增加以及介質(zhì)和界面電阻率的優(yōu)化，接頭電阻可降低至1nΩ左右，結(jié)合其不低于單根帶材的臨界電流和力學(xué)性能，非超導(dǎo)接頭可勝任幾乎所有超導(dǎo)電力應(yīng)用系統(tǒng)和采用電源驅(qū)動模式運行的超導(dǎo)磁體。非超導(dǎo)接頭技術(shù)主要包括釬焊、機械壓接法和銀擴散法這三類[16]。其中，釬焊技術(shù)是目前工藝最為簡單、應(yīng)用最為廣泛、通用性和兼容性最強的接頭技術(shù)。表2為目前不同生產(chǎn)商的帶材的典型接頭參數(shù)。常規(guī)釬焊采用手工操作進行，使得接頭的連接長度受到了一定程度的限制。上海超導(dǎo)于2014年報道了一種自動化連續(xù)釬焊技術(shù)[17]，克服了傳統(tǒng)釬焊方法無法制作長接頭的缺點，可連續(xù)、自動化制作連接長度長達數(shù)米的接頭(內(nèi)封接頭)，從而可將連接電阻降低至1nΩ量級，并且在保持帶材臨界電流不變的前提下，接頭的過流性能和臨界軸向拉伸應(yīng)力均不低于帶材本身。接頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

表2 不同生產(chǎn)商帶材的釬焊接頭典型參數(shù)(焊料為Sn63Pb37)Tab.2 Typical parameters of soldered joints prepared by different manufactures (Solder is Sn63Pb37)

圖5 上海超導(dǎo)橋接內(nèi)封超導(dǎo)接頭示意圖Fig.5 Structure of lamination joint(bridge-type) made by SSTC

(2)以超導(dǎo)材料作為連接介質(zhì)或無連接介質(zhì)的超導(dǎo)接頭。這種情況下接頭電阻主要來自于磁通蠕動，通?？傻椭?0-11nΩ或以下量級。其最重要的目標應(yīng)用是用于制造磁共振成像系統(tǒng)中主磁體的閉合線圈，使其可在恒流模式下工作。此類系統(tǒng)對磁場穩(wěn)定性要求極高，通常其主磁場衰減速率需要小于0.01ppm/h[19]，這意味著整個閉合線圈的總電阻需要低至10-11Ω量級。目前超導(dǎo)接頭的發(fā)展尚處于起步階段。

3.5超導(dǎo)帶材性能測試表征技術(shù)

由于第二代高溫超導(dǎo)帶材實用化進程的推進，超導(dǎo)帶材電、力學(xué)以及電-磁-力學(xué)耦合性能測試技術(shù)也不斷發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)帶材Ic在長度方向的均勻性測試。按原理分，測試技術(shù)主要有感應(yīng)法和直流傳輸法。其中感應(yīng)法具有測試速度快、分辨率高等優(yōu)點。代表性的技術(shù)解決方案為北京原力辰公司的磁回路技術(shù)(產(chǎn)品為M-corder)[20]、德國Theva公司的霍爾陣列探頭技術(shù)(產(chǎn)品為TAPEStar)[21]等。此外,日本九州大學(xué)和美國休斯頓大學(xué)等單位也開展二維臨界電流測試技術(shù)，該技術(shù)能夠給出臨界電流在帶材長度和寬度兩個維度的分布。然而感應(yīng)法僅能給出超導(dǎo)帶材臨界電流在長度方向的均勻性，無法給出直流傳輸電流的大小，具有一定的局限性。因此，基于傳統(tǒng)四引線技術(shù)的直流傳輸測量具有不可替代的地位，韓國SuNAM、美國SuperPower和美國超導(dǎo)公司等單位均采用該技術(shù)對帶材進行質(zhì)量控制[22]。我國科研單位和帶材供應(yīng)商在國家超導(dǎo)技術(shù)標準委員會的領(lǐng)導(dǎo)下，已經(jīng)成立了相關(guān)工作組，開展了研究工作。初步的測試結(jié)果表明，長帶材感應(yīng)法和四引線直流傳輸對表征帶材臨界電流的均勻性具有較高的一致性，且兩種技術(shù)均可以達到無損測量的要求，如圖6所示。其中，實線為感應(yīng)法測量的結(jié)果，圓點為直流傳輸法的結(jié)果。

圖6 70m超導(dǎo)帶材感應(yīng)法和直流傳輸法測試結(jié)果比較Fig.6 Comparison study on Ic distribution on 70m long superconducting tape measured by inductive technique and DC transport technique

(2)帶材在外場下臨界電流測試。由于帶材的各向異性，該研究尚局限在實驗室短樣品的測試水平。

(3)第二代高溫超導(dǎo)帶材力學(xué)性能測試，包括臨界脫層強度、臨界拉伸應(yīng)力和臨界雙彎曲半徑等。目前國際相關(guān)組織正在組織有關(guān)科研單位進行循壞比對試驗，確定上述性能指標的測試規(guī)范。

3.6復(fù)合超導(dǎo)線材技術(shù)

面向二代帶材電力系統(tǒng)實際工程的需求，研究人員提出了多種復(fù)合超導(dǎo)帶材(超導(dǎo)導(dǎo)體)技術(shù)。其中包括：①TSTC超導(dǎo)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)[23]，該結(jié)構(gòu)是一種對平行并聯(lián)堆疊帶材，然后通過扭絞外加絕緣或金屬包套的超導(dǎo)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)帶材之間相互支撐，可提高整體力學(xué)性能，彎曲性能良好；②Roebel Cable, 該結(jié)構(gòu)采用正反換位排列的工藝，可降低帶材交流損耗[24]；③CORC導(dǎo)線，這種結(jié)構(gòu)具有柔性好、高載流能力、高工程電流密度、可減少最終成纜過程中帶材載能力的衰減等優(yōu)點，CORC結(jié)構(gòu)將超導(dǎo)帶材螺旋纏繞在銅棒上，外側(cè)用絕緣材料包覆[25]。

近年來，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院、國內(nèi)的華北電力大學(xué)和上海交通大學(xué)都開展了針對堆疊帶材制備復(fù)合超導(dǎo)帶材的工作。上海交通大學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)團隊首次提出制備寬度為1mm超導(dǎo)細絲的穩(wěn)定工藝，其主要工藝包括：將超導(dǎo)帶材沿電流傳輸方向完全分切成更窄的超導(dǎo)細絲，然后在錫爐中進行表面鍍錫、結(jié)合等過程，最終制備成一根截面接近方形的新型超導(dǎo)線[26]。該新型導(dǎo)線可減少外界磁場對超導(dǎo)帶材表面的影響，同時易于超導(dǎo)細絲扭絞化。后續(xù)通過封裝工藝可將數(shù)根超導(dǎo)細絲封裝成具有高載流量的超導(dǎo)方形線，復(fù)合超導(dǎo)線具有良好的電機械性能。圖7為1mm寬度新型高溫超導(dǎo)方形線的照片。

圖7 1mm寬度新型高溫超導(dǎo)方形線的照片F(xiàn)ig.7 Photo of novel soldered-stacked-square HTS wires with 1mm width

4 結(jié)論

隨著二代帶材工業(yè)化和實用化進程的加快，超導(dǎo)材料本征優(yōu)勢凸顯。第二代高溫超導(dǎo)帶材在高溫高場應(yīng)用場景下具有不可替代的作用，應(yīng)用廣泛。和實用化低溫超導(dǎo)材料、第一代高溫超導(dǎo)材料制備過程中采用的拉拔擠壓或軋制等機械加工工藝相比，二代帶材需要多層鍍膜工藝。經(jīng)歷了較長時間的探索后，國際和國內(nèi)已有多家超導(dǎo)公司能夠生產(chǎn)出公里級長的超導(dǎo)帶材，該類實用超導(dǎo)材料已進入到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的前夜。超導(dǎo)電纜、限流器、儲能、磁體以及超導(dǎo)電機等示范工程的開展，對第二代高溫超導(dǎo)帶材生產(chǎn)能力、長度、均勻性、電磁力學(xué)性能有更高的實用需求，這極大地促進了帶材研發(fā)水平的提高。隨著對材料本身和工藝理解的深入，二代帶材的載流能力將不斷提升，均勻性不斷改善，成品率大幅提升。第二代高溫超導(dǎo)帶材正在向低成本、高性能和產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

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Progressofsecondgenerationhightemperaturesuperconductorsforpracticalapplications

ZHAO Yue1,2, ZHANG Zhi-wei1,2, ZHU Jia-min2, WU Wei1,2, HUANG Zhen1, LI Zhu-yong1, HONG Zhi-yong1,2, JIN Zhi-jian1

(1. School of Electronic, Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240, China; 2. Shanghai Superconductor Technology Co. Ltd.，Shanghai 201203, China)

Since the superconductivity being observed in 1980s, ReBa2Cu3O7(ReBCO)family has attracted much attention from researchers worldwide. These materials have intrinsic physical features, such as high irreversibility field, high transition temperature and high critical current density. ReBCO is deposited on textured flexible metallic substrates by epitaxy growth techniques, so-called the second generation high temperature superconductor (2G HTS). Recently, several research institutes and companies have resolved the bottle-necks of fabrication of kilometer-long superconducting tapes. Industrialization of the 2G HTS tapes greatly promoted the development of superconducting demonstration projects. Besides, the users propose new requirements of superconducting tapes for practical applications, which also pull the development of superconducting materials. In the light of the achievements of 2G-HTS tapes worldwide, this paper reviewed the main progress in the research and development of 2G-HTS tapes for practical applications.

2G HTS; uniformity of critical current; lamination techniques; joint techniques; cabling techniques

10.12067/ATEEE1706067

1003-3076(2017)10-0069-07

TM26

2017-06-29

國家自然科學(xué)基金項目(51577119)、 國家自然科學(xué)基金委員會應(yīng)急管理項目(51641704)、 上海市科技創(chuàng)新行動計劃高新技術(shù)領(lǐng)域項目(17511102306)、 上海市浦江人才計劃項目(17PJ1430900)

趙 躍(1981-), 男, 天津籍, 研究員， 博士, 研究方向為超導(dǎo)材料與應(yīng)用；張智巍(1985-), 男, 福建籍, 副研究員， 博士, 研究方向為超導(dǎo)材料與應(yīng)用。