国内外高温超导材料的研究发展概述

国内外高温超导材料的研究发展概述***（材料科学与工程学院，中国计量学院，浙江杭州，310018）摘要超导材料技术是21世纪具有战略意义的高新技术，极具发展潜力和市场前景。本文主要从美国、日本、欧洲国家、韩国等国外国家的相关研发计划、政策以及主要科研机构的研发概况出发，结合中国发展现状阐明目前国内外超导材料技术的研究政策和方向。关键词：超导材料技术；超导计划；超导应用；超导发展；研究方向中图分类号：文献标识码：文章编号：Thedevelopmentandapplicationofhightemperaturesuperconductingmaterials***（Collegeofmaterialscienceandengineering,ChinaJiliangUniversity,ZhejiangHangzhou310018）AbstractSuperconductingmaterialsandtechnologiesarestrategicallyhigh-techinthe21stcentury,andhavehighlypotentialandmarketprospects.ThispaperanalyzedtheR&DprogramsandpoliciesoftheUnitedStates,Japan,Europeancountries,SouthKorea,aswellasR&Dprioritiesofmajorscientificresearchinstitutions,introducedthecurrentprogressofsuperconductingmaterialsandtechnologiesresearchpoliciesandprioritiesabroad.Keywords:Superconductingmaterialsandtechnologies,SuperconductivityProjects,R&Dinstitu-tes,Researchpriorities0引言超导材料技术是二十一世纪具有战略意义的高新技术，极具发展潜力和市场前景。世界各发达国家政府纷纷制订相关计划和加大研发投资，积极开展超导材料技术开发和应用。美国、欧洲各国、日本、韩国和中国都竞相开展高温超导电缆、超导故障限流器、超导变压器、超导电机和超导储能装置等的研究，竞争十分激烈。超导材料技术的发展趋势是不断探求更高温度的超导体，实现高温超导材料产业化，使超导材料技术应用更加广泛，主要包括能源、交通运输、电子技术、医疗卫生、军事、重大科学装置等领域，也必将引起这些领域的重大变革。在国际上超导材料具有巨大的市场空间，我国政府和相关行业也将目光投向这一高科技含量的领域，在我国2006~2020年中长期科技发展规划中，高温超导技术被列为前沿技术被列为新材料技术的发展方向之一。1高温超导材料的发展历史1911年，荷兰莱顿大学的卡林·昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98℃时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林·昂尼斯称之为超导态。自卡末林·昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体，如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge，其中Nb3Sn超导体的临界转变温度（Tc）值达到23.2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。图1超导材料的发展历程1986年超导材料的研究取得了突破性进展，IBM瑞士研究中心J.Georg.Bed-norz和K.Alexaner.Mueller发现了超导转变温度为35K的La-Ba-Cu-O，镧系）高温氧化物超导体。镧-钡-铜-氧（氧化物的发现引发了世界范围内研究超导材料的新热潮。1年后，即1987年，美国科学家朱经武和中国科学院赵忠贤院士发现了材料临界转变温度（Tc）达到90K以上的钇-钡-铜-氧（Y-Ba-Cu-O，简写YBCO）化合物，至此，超导材料的研究进入了液氮温区。随后短短的数年内，人们又相继发现了稀土系（主要是Y-Ba-Cu-O，Tc为93K）、铋系（铋-锶-钙-铜-氧（Bi-Sr-Ca-Cu-O，BSCCO），Tc为93K）、铊系（铊-钡-钙-铜-氧（Tl-Ba-Ca-Cu-O），Tc为120K）和汞系（（Hg-Ba-Ca-Cu-O），Tc为130K）等氧化物超导材料，在加压条件，Hg-Ba-Ca-Cu-O氧化物的最高Tc可达160K。这类氧化物超导材料的临界转变温度远高于25K，可以工作在廉价的液氮（Tc为77K，价格1元/L）环境中，所以这类氧化物超导材料被称为高温超导材料。到目前为止，发现的5000多种超导材料中，高温超导材料约有50多种，但是研究较多的是镧系、稀土系、铋系、汞系、铊系和新型超导体二硼化镁（MgB2，Tc为39K）6类材料。到目前为止，研究最广泛的是铋系、钇系氧化物和二硼化镁。2008年2月，东京工业大学研究小组合成了氟掺杂杉氧铁砷化合物，把该化合物中的一部分氧离子转换成氟离子，它就开始表现出超导性，并且在26K时具有超导特性。同年，中科院物理所科研小组报告，锶掺杂锢氧铁砷化合物的超导临界温度为25k，该发现最大的意义在于实现了高温超导基础研究领域上新的突破，为新型高温超导研究指明了一个新的方向，新的铁基超导材料将激发物理学界新一轮的高温超导研究高潮。2国外高温超导体的发展现状目前，高温超导材料已进入实用化的研究开发阶段，氧化物复合超导材料的耐用和稳定性引起材料科学家的广泛重视。下文将对国外的有关研究进行概述。2.1美国超导材料技术2006年6月美国能源部DOE发布了超导技术基础研究需求报告，指出超导技术在应用、涡旋物质（vortexmatter）超导理论、新现象和超导材料5个方面的基础研究挑战，明确了新超导体的探索与发现、原子级超导体的结构与性能控制、优化超导材料输电能力、理解和开发竞争电子相、超导性能与超导体理论预测、揭示高Tc超导性的基本理论、发展涡旋物质科学等未来7个优先研究方向，以及合成、表征、理论集成新工具和超导利用新能材料2个交叉研究方向。表1为美国超导技术基础研究现状与挑战[15]。表1超导技术基础研究现状与挑战基础研究目前现状挑战超导应用铜酸盐超导体第二代导体研究与开发涂层导体制备更高的临界电流、交流电损失YBCO涂层沉积动力学与反应MgB2低温学支撑技术研发:冷藏系统、低温电介质、低能电子学涡旋物质发展交流电磁场下涡旋玻璃态理论钉扎涡旋和弱键连接发展涡旋钉扎微观理论固态涡旋物质钉扎了解各界面和断层处涡旋钉扎行为输电能力限制开发新方法增强涡旋钉扎，提高临界电流密度达到理论极限结构涡旋变换理清累积钉扎效应性能MgB2双超导能隙了解极高超临界电流下涡旋电气力学涡旋中心微观理论自组装纳米周期阵列设计，实现高密度一对一涡旋钉扎方案表1（续）超导技术基础研究现状与挑战基础研究目前现状挑战涡旋物质未来超导体的涡旋性能利用铁磁缺陷设计磁性钉扎方案开发新一代成像工具，如洛伦兹显微镜、磁力显微镜等超导理论超导BSC理论超导态:电子对相干态将电子结合成对的超导胶提高Tc:寻找不同的超导胶探索临界温度的基本限制检测新型超导体的新工具，如扫描隧道显微镜、光传导、角分辨光电子谱、非弹性中子散射光谱新现象新型超导体赝隙相性质超导涡旋中心的电子态平面隧道和Andreev反射光谱学高临界场是否适于电子对分离量子相转变作用高温超导体量子物质新兴形态新兴实验技术电磁磁化综合制图原子尺度电磁结构成像电子与电子对动力学过程与作用超导材料探索新型超导体新型超导体探索中的理性设计材料先进合成技术新型合成方法纳米超导材料纳米尺度超导结构2003年7月，DOE在公布的《Grid20300ANationalVisionforElectricitypsSecond100Years》报告中，把高温超导技术列为美国电力网络未来30年发展的关键技术之一。该报告制订了2010年、2020年和2030年美国在电力方面高温超导的发展目标，2010年前验证超导技术主干输电网络的可行性，实现10英里长多相超导电缆应用；2020年前HTS发电机、变压器和电缆方面取得重要进展，并实现长距离超导传输电缆应用；2030年前建成国家超导主干输电网络。2.2日本超导材料技术的发展日本超导材料技术的发展一直在国际上处于先进地位。早在1987年9月日本就建立了Super-GM（Eng-ineeringResearchAssociationforSuperconductiveGenerationEquipmentandMaterials）计划，其长期目标是发展超导电动机及相关的电力应用。1988年，日本成立了国际超导产业技术研究中心（In-ternationalSuperconductivityTechnologyCenterISTEC），致力于超导技术的调查研究和基础研究开发，并积极促进超导材料技术的国际交流。超导研究开发预算由日本新能源产业综合技术开发机构NEDO下的新能源技术发展部所控制，但其中大部分的预算均用于电力和电子应用的研究开发中。这表明日本政府在超导方面投入了相当大的精力，NEDO对超导技术研究项目进行大力支持，近年其开展的超导技术研究项目见表2。表2日本超导材料技术主要研发机构及其研发方向研发机构主要研发方向物质材料研究机构超导材料中心新超导体探索、金属和氧化物超导体高品质导线开发、高品质超导材料制备分析、新超导器件的开发、SQUID的开发与应用、高场超导磁铁开发与应用等产业综合技术研究所能源技术研究部超导技术研究小组高温超导氧化物应用、大面积超导氧化物薄膜、故障限流元件、超导薄膜限流器国际超导产业技术研究中心超导块材、带材、线材、涂层导体、低温超导器件实验技术的研发，超导技术国际交流与合作，超导标准化等理化学研究所超级计算机、加速器等科学装置电报电话公司基础研究实验室超导量子物理研究小组超导磁通量子高亮度光科学研究中心Spring-8加速器部门超导扭摆器（wiggler）2.3欧洲超导材料技术的发展欧洲为促进超导电力技术和超导材料技术的发展，欧洲国家应用超导联盟（TheConsortiumofEuropeanCompaniesDeterminedtoUseSuperconductivity,CONECTUS）成立于1994年，是一个非营利性的组织，领导欧洲公司全面超导技术商业化，促进欧洲经济和社会发展。1998年，欧洲基金会ESF（EuropeanScienceFoun-dation）发布了极端尺度和条件下超导涡旋物质项目计划。该计划涉及15个欧洲国家、68个研究团队。NES综合研究设施和技术包括5个层次，第一层为现代样品制备和纳米结构技术；第二层为涡旋可视化局部探针技术和纳米尺度冷凝物波动函数成像；第三层为下一代共享研究设施；第四层为新应用开发的实验平台；第五层为理论方法和技术。大部分的超导研发资助还是来自欧盟各国家项目，主要是在德国、意大利、西班牙、荷兰和英国等。2.4韩国超导材料技术的发展韩国政府在启动21世纪前沿研发计划（21CFrontierR&DProgram）中，明确表示选择一些高新技术与产业，加大力度开发，以期望得到快速发展。2001年7月韩国科技部成立超导应用技术中心（CenterforAppliedSuperconductivityTechn-ology，CAST），主要任务就是发展、促进和利用商业化超导技术，负责管理“应用超导技术发展先进能源系统计划”DAPAS（DevelopmentofAdvancedPowerSystembyAppliedSuperconducti