《2025年度REBCO高溫超導(dǎo)帶材戰(zhàn)略研究報(bào)告》在北京發(fā)布

程金光研究員發(fā)布并解讀報(bào)告

作為國際首個(gè)聚焦高溫超導(dǎo)帶材發(fā)展的戰(zhàn)略研究報(bào)告，中國科學(xué)院高溫超導(dǎo)戰(zhàn)略研究系列報(bào)告的第一份報(bào)告——《2025年度REBCO(稀土鋇銅氧)高溫超導(dǎo)帶材戰(zhàn)略研究報(bào)告》，1月26日由中國科學(xué)院物理研究所在北京正式發(fā)布。

這份最新出爐的報(bào)告，系統(tǒng)梳理了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，并首次凝練提出該領(lǐng)域面臨的十大關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，為實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)材料的大規(guī)模應(yīng)用提供了清晰路線圖。

多領(lǐng)域展現(xiàn)重要應(yīng)用潛力

中國科學(xué)院物理研究所科研團(tuán)隊(duì)介紹說，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(jià)值的前沿材料，在能源、交通、醫(yī)療、科研等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景，是推動(dòng)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(shí)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(shí)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(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用潛力。整體來看，其應(yīng)用主要集中在電力系統(tǒng)與磁體系統(tǒng)兩大方向。

電力系統(tǒng)中，REBCO帶材可用于制造超導(dǎo)電纜和以故障限流器為代表的超導(dǎo)電力裝備。超導(dǎo)電纜能在液氮溫度下實(shí)現(xiàn)大電流、低損耗輸電，尤其適合城市電網(wǎng)升級改造;故障限流器能在電網(wǎng)短路時(shí)迅速限制電流，保障電網(wǎng)安全。當(dāng)前技術(shù)重點(diǎn)在于繼續(xù)提高帶材的載流能力、保證長距離性能均勻、降低損耗并控制成本。

磁體系統(tǒng)中，REBCO帶材憑借其強(qiáng)磁場下載流能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可應(yīng)用于核聚變裝置、高場磁共振成像、超導(dǎo)電機(jī)等重要設(shè)備。這些應(yīng)用對材料的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性提出了很高要求。未來，隨著不同應(yīng)用場景對材料性能的需求日益細(xì)化，發(fā)展“按需定制”的超導(dǎo)帶材將成為推動(dòng)其規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵。

首提十大關(guān)鍵科技問題

更重要的是，報(bào)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，貫穿基帶、緩沖層到超導(dǎo)功能層的整個(gè)材料體系，是連接基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用的“樞紐”，攻克它們需要材料、物理、工程等多學(xué)科的深度協(xié)同。這些問題具體如下：

一是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?

二是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?

三是在極薄厚度條件下如何實(shí)現(xiàn)離子束輔助沉積織構(gòu)的穩(wěn)定性和長帶均勻性控制?

四是高速沉積環(huán)境下，不同帽子層的生長動(dòng)力學(xué)及調(diào)控機(jī)理是什么?

五是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?

六是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?

七是如何闡明“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?

八是如何提升金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法系統(tǒng)的穩(wěn)定性以保證帶材性能的一致性?

九是如何厘清金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法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?

十是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?

中國科學(xué)院物理研究所所長方忠院士表示，這十大關(guān)鍵問題源自該所對產(chǎn)業(yè)鏈從研發(fā)到應(yīng)用的全鏈條深入調(diào)研。科研團(tuán)隊(duì)通過逐層剖析REBCO帶材的結(jié)構(gòu)，找出每一層材料的性能瓶頸與層間匹配難點(diǎn)。同時(shí)，對照核聚變、超導(dǎo)電網(wǎng)等國家重大需求，分析現(xiàn)有材料與實(shí)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。

明確未來攻關(guān)方向與路徑

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)。

在中國科學(xué)院物理研究所副所長程金光研究員看來，未來發(fā)展的關(guān)鍵在于，系統(tǒng)推進(jìn)材料、工藝與應(yīng)用的協(xié)同創(chuàng)新，具體體現(xiàn)包括：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;必須發(fā)展可規(guī)模化、一致性高的制備工藝，實(shí)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。

“這份報(bào)告的發(fā)布，為中國高溫超導(dǎo)領(lǐng)域明確了關(guān)鍵攻關(guān)方向與實(shí)施路徑。我們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(dòng)中國在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從跟隨到并行、最終邁向引領(lǐng)的跨越。”程金光說。