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上海超導打破國外壟斷,開啟材料未來之門

發布時間:2018-08-15

說到高溫超導材料,有些人還會感覺到陌生,但說到超導磁懸浮列車、磁共振成像、超導電纜等超導材料的應用,讀者便恍然大悟:原來超導在生活中已有諸多應用。

簡單地說,超導材料指的是在一定溫度下電阻為零的材料。它們具有兩大重要特性:一是零電阻特性。1911年,荷蘭萊頓大學的卡未林·昂內斯用液氮冷卻水銀,意外發現當溫度下降到4.2K(-268.95℃)時,水銀的電阻完全消失(特點是不產生熱損耗且電流損耗為零)。這種現象也稱為超導電性。

二是完全抗磁性。1933年,荷蘭的邁納斯和奧森菲爾德共同發現了超導體完全抗磁性,也稱為邁納斯效應,即當一個磁體靠近處于超導態的材料時,超導體內部的磁感應強度為零。

基于這兩個特性,超導材料成為前沿新材料之一,也是戰略新興產業的重要組成部分。超導材料的超導臨界溫度的每一次提升,都能帶來巨大的經濟效益和技術突破,這也讓超導成為盛產諾貝爾獎的熱門領域之一。

不過,想要制備出廉價的超導材料并不簡單:一方面這需要很高的技術門檻,另一方面是要控制好生產成本。

目前以美國、日本和歐盟為代表的發達國家均在超導材料、超導物理和技術方面大量投入,爭取在未來的大規模應用中占得先機。對于中國來說,上海就有一家民營企業——上海超導科技股份有限公司(以下簡稱“上海超導”),自研自建了第二代高溫超導生產線和生產設備。在“中國品牌日”之“上海科創”專題采訪中,上海超導材料事業部總經理朱佳敏對媒體介紹道,這一成果,不僅標志著中國正式掌握了高性能第二代高溫超導帶材的核心生產技術,也極大地填補了中國在高端制造業生產裝備上的空白。

上海超導成立于2011年,注冊資金5.17億元人民幣,為上海市“十二五”期間特別培育的戰略性高科技企業。成立以來,上海超導與上海交通大學持續深度合作,并建有聯合研究院。

打破國外廠商在超導生產設備上的壟斷

對于超導材料來說,使用環境為其臨界溫度之下。空氣中有豐富的氮氣資源,人們可以生產最廉價的低溫冷質(cryogent),即液氮,其沸點溫度為77.3K(約為-196℃)。因此,尋找臨界溫度高于77.3K的超導體,就成為了重要方向。高溫超導體一般界定為臨界溫度超過40K的超導體,因為通常的電子-聲子機制下超導臨界溫度的上限是40K左右,即所謂麥克米蘭極限。因此,臨界溫度突破40K的超導體便是重中之重。

在過去一百多年的探索中,超導材料主要經過了3次大發展。首先是1960年代的低溫超導材料,這是一種超導臨界轉變溫度在30K以下的超導超導。它的主要應用在磁共振設備、粒子加速器、超導弱電元器件等方面。但它的主要問題在于需要用液氮或液氫制冷,運行成本十分高昂。

第二次發展發生在1990年代,這個時間里出現了第一代高溫超導帶材。它的主要優勢在于可在液氮中實現超導態,相比起低溫超導運行成本大幅下降。但它也有不足,其中70%的原材料是銀,成本高昂,同時,磁場下臨界電流會急劇衰減。

第三次發展發生在2000年,這個時間里出現了第二代高溫超導帶材——釔鋇銅氧(YBCO)。這是世界首個超導臨界溫度在液氮沸點(-196℃)以上的材料。它具有低溫高場性能,一流的自場電流密度、優異的磁體繞制性能、極低的交流損耗,可應用與電力、交通、能源、醫療、高能物理、軍事等各個領域。

上海超導生產的二代高溫超導帶材


2014年,上海超導于開發出了具有全球領先的低溫高場性能的“二代高溫超導(YBCO)帶材”,經第三方認證,其性能比目前國際上最好的產品高出25%左右。此外,上海超導生產的二代高溫超導帶材還擁有自場電流密度(77K、自場下,帶材最高性能可達600A/cm)、極高的磁體繞制成功率和一流的耐過流沖擊能力。

值得一提的是,上海超導還自主研發了先進的“超低阻帶材接頭技術”,實現了全球最低的工業接頭電阻,使二代高溫超導帶材的產業化和應用進程得以進一步加速。

目前,上海超導已掌握第二代高溫超導帶材物理法制備成套設備與工藝,并打破了國外廠商在超導生產設備上的壟斷,獨立掌握并成功自主研發了國內首條千米級第二代高溫超導“交鑰匙”產線,成功實現帶材的穩定量產。

上海超導自主研發的千米級第二代高溫超導“交鑰匙”產線


朱佳敏稱,該產線成功解決了帶材向產業化轉移所必須克服的鍍膜工藝中穩定性、重復性和可靠性等技術難點,從而大幅降低了二代高溫超導帶材的生產成本,顯著提高了二代高溫超導帶材的性價比與經濟適用性。生產線和生產設備的自研自建,也讓上海超導成為了全球唯一能夠實現第二代高溫超導產線對外銷售的企業,單條產線在穩定實現高溫超導帶材生產年產300公里帶材(10mm寬帶)。

超導應用:走在夢想和創新的最前沿

基于超導材料的特性,超導材料在能源、醫療、交通、國防和大科學工程等方面有許多應用。在國內,上海超導的第二代高溫超導帶材生產也將在上述幾個方面進行對接應用。目前,上海超導生產的超導材料國內市場占有率達到80%,并已經開拓國際市場。

基于超導材料零電阻的特性,超導電纜成為大容量電力輸送的最佳技術方案之一。據朱佳敏介紹,新一代超導電纜可采用第二代高溫超導材料作為電流傳輸層,其載流能力至少可達同等尺寸的銅導線的5-10倍。同時輸電損耗較常規電纜降低70-80%,且環境友好,無電磁輻射/熱輻射。

超導電纜


國際上,德國和美國在超導電纜領域已經有所布局。2008年,美國紐約長島電力局和美國超導公司聯合宣布世界上第一條高溫超導電纜已在商業電網中投入運行。2013年德國啟動在埃森市區鋪設世界上最長的高溫超導電纜,這條輸電電壓為10千伏的陶瓷電纜,長1公里、直徑僅15厘米,輸電功率達40兆瓦。2014年,該電纜還被成功接入德國埃森市電網并投入使用。

當前,中國相關單位已經開始籌建商業級別的實際供電的超導電纜,在未來5-10年內將有數百公里的超導電纜并網替代傳統電纜,以滿足長距離低損耗輸電和密集城市電力增容的迫切需求。

另一個超導材料的應用領域是超導磁懸浮列車。在探訪上海超導總部時,記者發現展覽廳里有一輛“冒白煙”的小車正快速運行在圓形軌道上方,同時還有“冒白煙”的小飛碟正穩穩地懸浮在磁體軌道下方。

“超導磁懸浮現象演示”場景


“超導磁懸浮現象演示”場景


據上海超導的研究員介紹,能產生這兩個現象是因為他們將上海自主生產的二代高溫超導帶材編制成小薄塊置于小車和小飛碟內,通過液氮(溫度為-196℃)給小車和小飛碟降溫,使超導材料達到超導態,以保證超導材料的完全抗磁性與量子鎖定能力。因此,被液氮降溫的小車和小飛碟可以正向或反向懸浮在永磁體上/下,或是順著永磁體軌道快速懸浮“飛行”。

科學家們正在將這一原理用在軌道交通上,打造未來高鐵——超導低空列車。因為沒有與地面的摩擦力,超導低空列車只受空氣阻力影響,速度較高鐵可提高2-3倍。目前,國外科學家已利用該技術實現了603km/h的全球軌道交通最高時速,并于2014年開始在東京與名古屋之間興建第一條商用化的超導低空列車運行線。如果未來超導低空列車能實現在真空管道內運行,那運行時速有可能達到1500-2000km/h甚至以上。

超導低空列車模擬場景 資料圖


超導材料還在可控核聚變領域有重要應用。國際上,以ITER項目為代表的基于托卡馬克技術的可控核聚變發電裝置已走入商用樣機研制階段,該類裝置具有體積小、能耗低、無污染、無核廢料等優勢,將徹底改變未來世界能源格局。目前,全世界有數十家單位正在開展相關研發工作,隨著二代高溫超導材料性價比的繼續提高,將帶動可控核聚變發電裝置核心部件超導磁體的性能提升和成本下降,從而大大加快裝置的開發進度。

上海超導也在積極參與國內可控核聚變的項目。目前已開始為國際主要可控核聚變發電裝置生產商批量供應材料。

ITER項目托卡馬克聚變反應堆示意圖 資料圖


在科研裝置上,超導材料還在粒子加速器領域發揮作用。粒子加速器是利用磁體磁場對特定粒子進行磁約束,從而進行科學實驗和其他微觀應用的裝置。全世界在建和在籌的此類工程有數十項,都具有投資金額巨大(數十億乃至數百億),持續周期長(十幾年)的特點。超導磁體作為粒子加速器的主要零部件,采用高溫超導材料作為核心材料將大幅提升磁體性能。可以預計,隨著粒子加速器在國內的落地,將極大推動二代高溫超導帶材的產業化推廣。

歐洲大型強子對撞機LHC(Large Hadron Collider) 資料圖


此外,粒子加速器還可以用于質子/重離子癌癥治療裝置的核心單元,這是人類目前治療癌癥的幾種最有效的手段之一。據統計,僅中國就有50多家醫院在建設和籌建質子重離子治療設備。該設備采用高溫超導材料后可以大幅度減小設備的整體占地面積和重量,使得設備可以在現有醫院有限的場地內安裝。

據透露,上海超導已與中科院某所合作,依托國家大科學工程,共同探索粒子加速器未來應用。


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