物理所發(fā)布《2025年度REBCO高溫超導(dǎo)帶材戰(zhàn)略研究報告》

1月26日，物理所正式發(fā)布《2025年度REBCO高溫超導(dǎo)帶材戰(zhàn)略研究報告》。這是國際首個聚焦高溫超導(dǎo)帶材發(fā)展的戰(zhàn)略研究報告，系統(tǒng)梳理了稀土鋇銅氧（REBCO）高溫超導(dǎo)帶材在全球范圍內(nèi)的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化與應(yīng)用現(xiàn)狀，并首次凝練提出了該領(lǐng)域面臨的“十大關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題”，為實現(xiàn)高溫超導(dǎo)材料的大規(guī)模應(yīng)用提供了清晰的路線圖。

超導(dǎo)材料具有零電阻和完全抗磁性等非凡特性，被視為21世紀(jì)極具戰(zhàn)略價值的前沿材料，在能源、交通、醫(yī)療、科研等多個關(guān)鍵領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景，是推動未來技術(shù)突破的重要基石。然而，傳統(tǒng)超導(dǎo)材料需要在極低的液氦溫度（-269℃）下工作，制冷成本高且依賴稀缺的氦資源。因此，過去幾十年里，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用一直局限于大型科研裝置（如粒子加速器）和高端醫(yī)療設(shè)備（如核磁共振儀）等少數(shù)領(lǐng)域。

而以REBCO為代表的高溫超導(dǎo)材料的臨界溫度高于液氮溫度（-196℃），制冷成本大幅降低，同時在承載電流和抵抗磁場方面性能顯著提升，為更大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。自2006年實現(xiàn)商業(yè)化制備以來，REBCO高溫超導(dǎo)帶材在磁約束核聚變、高端醫(yī)療設(shè)備、大科學(xué)裝置及超導(dǎo)電力設(shè)備等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用潛力。

盡管REBCO高溫超導(dǎo)帶材已進(jìn)入商業(yè)化初期，但性能仍有很大提升空間。當(dāng)前高溫超導(dǎo)帶材是由合金基帶、緩沖層、超導(dǎo)層和保護(hù)層組成的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。未來發(fā)展的關(guān)鍵在于，系統(tǒng)推進(jìn)材料、工藝與應(yīng)用三者的協(xié)同創(chuàng)新，具體體現(xiàn)在：針對超導(dǎo)層，需優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)其在磁場中的載流能力；圍繞基帶、緩沖層和保護(hù)層，要著力改善強(qiáng)度與韌性的平衡、結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)效率以及層間界面結(jié)合等問題；同時，必須發(fā)展可規(guī)模化、一致性高的制備工藝，實現(xiàn)帶材的低成本、批量穩(wěn)定生產(chǎn)，從而滿足各領(lǐng)域日益增長的規(guī)模化應(yīng)用需求。

更重要的是，報告還首次系統(tǒng)凝練出阻礙REBCO帶材走向大規(guī)模應(yīng)用的十大關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。這些問題源自對產(chǎn)業(yè)鏈從研發(fā)到應(yīng)用的全鏈條深入調(diào)研，貫穿基帶、緩沖層到超導(dǎo)功能層的整個材料體系，是連接基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用的“樞紐”；同時對照核聚變、超導(dǎo)電網(wǎng)等國家重大需求，報告分析現(xiàn)有材料與實際應(yīng)用之間的差距，從而明確了從“能用”到“好用”所需攻克的具體方向。

報告的發(fā)布，將為中國高溫超導(dǎo)領(lǐng)域明確關(guān)鍵攻關(guān)方向與實施路徑，希望通過揭示這些核心科學(xué)技術(shù)問題，匯聚各界創(chuàng)新力量，協(xié)同突破，推動我國在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從跟隨到并行、最終邁向引領(lǐng)的跨越。

高溫超導(dǎo)帶材亟待解決的十大關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題

1.如何大幅提升合金基帶的屈服強(qiáng)度與疲勞耐受性以滿足高場應(yīng)用需求？

功能層：基帶

當(dāng)前商用基于哈氏合金基帶的高溫超導(dǎo)帶材（屈服強(qiáng)度約650MPa@77K）在面向未來40T級以上極高場磁體時，其機(jī)械性能面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。高場強(qiáng)帶來的巨大電磁力要求高溫超導(dǎo)帶材具有更高的屈服強(qiáng)度（1200MPa@77K以上）和優(yōu)異的抗循環(huán)載荷能力。但現(xiàn)有哈氏合金材料的性能提升已接近其本征極限，這直接制約了下一代高場超導(dǎo)磁體的設(shè)計與安全運(yùn)行。

2.如何突破各緩沖層材料在電學(xué)和熱學(xué)性能方面的固有局限性？

功能層：緩沖層

當(dāng)前REBCO超導(dǎo)帶材中的緩沖層材料均為絕緣體，其電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率均處于較低水平。這一特性在帶材實際運(yùn)行中帶來顯著挑戰(zhàn)：在電學(xué)方面，絕緣特性使緩沖層無法在電流沖擊或局部失超時提供有效的分流路徑；在熱學(xué)方面，較低的熱導(dǎo)率限制了超導(dǎo)層產(chǎn)生的熱量向金屬基帶的快速擴(kuò)散。這些因素共同影響了帶材的穩(wěn)定性和可靠性，成為制約超導(dǎo)帶材整體性能提升的關(guān)鍵瓶頸之一。

3.在極薄厚度條件下如何實現(xiàn)IBAD織構(gòu)的穩(wěn)定性和長帶均勻性控制？

功能層：緩沖層

IBAD-MgO緩沖層的厚度僅為數(shù)納米，是獲取高質(zhì)量雙軸織構(gòu)的“取向源頭”。但其織構(gòu)形成對離子束參數(shù)（能量、角度、通量）和沉積條件極為敏感，工藝窗口較窄。在卷對卷連續(xù)生產(chǎn)中，微小的工藝波動或設(shè)備狀態(tài)變化（如離子束均勻性、基帶張力）都會導(dǎo)致織構(gòu)退化，從而造成千米級長帶性能（如臨界電流）的顯著不均勻和不可預(yù)測波動。

4.高速沉積環(huán)境下，不同帽子層的生長動力學(xué)及調(diào)控機(jī)理是什么？

功能層：緩沖層

在工業(yè)化高速沉積過程中，作為外延模板的帽子層（如LaMnO?或CeO?）表面原子遷移、界面反應(yīng)等動力學(xué)過程與實驗室低速條件截然不同。不同材質(zhì)的帽子層與REBCO超導(dǎo)層在高溫、高速下的晶格匹配行為、界面擴(kuò)散機(jī)制尚不明確，這直接影響超導(dǎo)薄膜的初始成核、晶體質(zhì)量和最終性能，是制約高速工藝穩(wěn)定性和材料選擇的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題。

5.如何提升帽子層與超導(dǎo)層之間的結(jié)合強(qiáng)度和力-電綜合性能？

功能層：緩沖層

帽子層與REBCO超導(dǎo)層之間的異質(zhì)界面是帶材多層結(jié)構(gòu)中的力學(xué)薄弱環(huán)節(jié)。在磁體制備和服役經(jīng)歷的熱循環(huán)與電磁力作用下，易發(fā)生界面脫層，導(dǎo)致帶材失穩(wěn)或性能衰減。同時，界面處的微觀結(jié)構(gòu)也顯著影響電流傳輸和磁通釘扎行為。界面結(jié)合強(qiáng)度不足與力-電性能的耦合衰退機(jī)制是影響帶材工程應(yīng)用可靠性的核心瓶頸之一。

6.如何建立針對不同工藝的釘扎中心形成理論，定制化適配不同應(yīng)用場景的高性能REBCO帶材？

功能層：超導(dǎo)層

在低溫高場（如聚變磁體所需的4.2K, 20T）與高溫低場（如電力傳輸?shù)?7K, 自場）等不同應(yīng)用場景下，需要不同類型和分布的磁通釘扎中心以實現(xiàn)最優(yōu)載流能力。然而，各類釘扎中心形成的熱力學(xué)和動力學(xué)機(jī)制在不同工藝路線中差異顯著，其控制與優(yōu)化已成為各技術(shù)路線發(fā)展的共性瓶頸問題。針對PLD工藝，靶材的化學(xué)組分設(shè)計與PLD鍍膜工藝參數(shù)的優(yōu)化往往相互獨立，缺乏系統(tǒng)性的協(xié)同調(diào)控理論；針對MOCVD工藝，其生長過程趨近于熱力學(xué)平衡態(tài)，不同類型的釘扎中心的形成過程存在關(guān)聯(lián)，釘扎中心形成與高溫超導(dǎo)相生長同樣存在協(xié)同和競爭關(guān)系，然而這種關(guān)系背后的機(jī)制并不清晰；針對MOD工藝，其異位生長的特點導(dǎo)致在熱處理過程中釘扎中心容易發(fā)生團(tuán)聚，難以控制釘扎中心的尺寸和類型，因此往往需要借助輻照等方法進(jìn)行二次處理引入釘扎，但仍然無法達(dá)到令人滿意的程度。

7.如何闡明“激光參數(shù)-等離子體羽輝-薄膜生長”的跨尺度物理機(jī)制，并構(gòu)建可預(yù)測、可調(diào)控的工藝模型？

功能層：超導(dǎo)層

激光參數(shù)（能量密度、頻率、波長）與動態(tài)沉積環(huán)境（背景氣壓、基帶運(yùn)動）共同決定了等離子體羽輝的時空演化特性，而羽輝的特性又直接控制著薄膜的生長動力學(xué)與最終微觀結(jié)構(gòu)。目前，對這一從等離子體羽輝激發(fā)到薄膜生長的具體物理、化學(xué)過程尚缺乏系統(tǒng)認(rèn)知，特別是各環(huán)節(jié)間的定量關(guān)聯(lián)機(jī)制不明確。這導(dǎo)致工藝優(yōu)化嚴(yán)重依賴經(jīng)驗試錯，難以實現(xiàn)對薄膜織構(gòu)、缺陷密度及成分的精準(zhǔn)控制，成為制約長帶性能均勻性與重復(fù)性的根本瓶頸。

8.如何提升MOCVD系統(tǒng)的穩(wěn)定性以保證帶材性能的一致性？

功能層：超導(dǎo)層

利用MOCVD技術(shù)制備超導(dǎo)層時涉及長距離輸送前驅(qū)體有機(jī)源，在該過程中前驅(qū)體濃度易波動、管路易堵塞，導(dǎo)致薄膜成分偏離。針對該問題，需研發(fā)高揮發(fā)性、低團(tuán)聚的新型金屬有機(jī)源，優(yōu)化氣路設(shè)計（如多通道獨立溫控），并開發(fā)基于光譜原位監(jiān)測的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)RE/Ba/Cu化學(xué)計量比長期偏差<1%，保障千米級帶材性能一致性。

9.如何厘清MOCVD制備中的多物理場耦合機(jī)制以提高超導(dǎo)層厚度和成分均勻性？

功能層：超導(dǎo)層

在MOCVD技術(shù)路線中，由于反應(yīng)腔內(nèi)的氣流、溫度、濃度場不均勻，導(dǎo)致超導(dǎo)薄膜的厚度和成分出現(xiàn)波動，針對該問題需建立涵蓋流體動力學(xué)、傳熱傳質(zhì)與氣相反應(yīng)的多物理場耦合模型，優(yōu)化噴淋頭結(jié)構(gòu)、基座加熱方式與抽氣布局等，實現(xiàn)12mm寬幅帶材厚度均勻性>95%。

10.如何通過新材料與新結(jié)構(gòu)突破當(dāng)前REBCO帶材的成本與性能瓶頸?

功能層：超導(dǎo)層

現(xiàn)有REBCO帶材在降低成本、提升極端場下性能及拓展應(yīng)用形式上遭遇瓶頸。需系統(tǒng)探索“寬帶”與“雙面膜”技術(shù)以提升載流效率；研發(fā)Cu1234等新型材料體系尋求更高臨界參數(shù)；發(fā)展超導(dǎo)絲材以滿足交流低損耗需求。通過前沿探索打破現(xiàn)有技術(shù)天花板，為下一代高溫超導(dǎo)線帶材提供材料和技術(shù)儲備。

文章轉(zhuǎn)載自“中科院物理所”微信公眾號