中国高温超导材料及应用发展战略研究

中国工程院咨询项目 中国高温超导材料及应用发展战略研究 StrategyfordevelopmentofHighTemperatureSuperconductorandapplicationinChina 中国工程院 化工、冶金与材料工程学部 项目组人员： 项目负责人：周廉，中国工程院院士、西北有色金属研究院甘子钊，中国科学院院士、北京大学 项目组成员：周廉（中国工程院院士、西北有色金属研究院）甘子钊（中国科学院院士、北京大学） 朱道本(中国科学院院士、国家自然科学基金委)左铁镛（中国工程院院士、北京工业大学） 黄崇祺（中国工程院院士、上海电缆研究所）陈立泉（中国工程院院士、中科院物理所）傅恒志（中国工程院院士、西北工业大学）潘垣（中国工程院院士、华中科技大学）卢强(中国工程院院士、清华大学） 杨国桢（中国科学院院士、中科院物理所）郑建超(中国工程院院士、电力科学研究院）马伟明(中国工程院院士、海军工程大学） 工作组主要成员：张平祥、方俊人、林良真、张其劭、吴培亨、杨乾声、袁冠森、刘宜平、闻海虎、肖立业、冯勇、郑东宁、王福仁、唐跃进、古宏伟、曹必松 目录 摘要4 一.前言5 二.超导领域的基本概况及关键问题7 2.1超导的基本特性7 2.2高温超导材料的发展概况9 2.3高温超导技术发展概况12 2.3.1超导磁体15 2.3.2高温超导强电应用16 2.3.3超导电子技术21 2.3.4军事应用22 2.4高温超导材料及应用的关键问题23 三.实用化高温超导材料研究进展及发展趋势24 3.1高温超导块材进展及发展趋势24 3.1.1大尺寸块材的制备24 3.1.2提高YBCO和REBCO超导体块材性能的研究26 3.1.3REBCO超导块材的生长研究27 3.1.4YBCO超导块材的批量化29 3.2Bi2223超导带材进展及发展趋势30 3.2.1带材性能进展31 3.2.22223前驱粉制备方法35 3.2.3过压合成技术36 3.2.4Bi2223带材的液氮渗透检验38 3.3YBCO涂层导体及高温超导薄膜进展及发展趋势41 3.3.1基带制备技术46 3.3.2阻隔层制备技术51 3.3.3YBCO层制备技术52 3.4MgB2超导材料进展及发展趋势63 3.4.1MgB2超导线材制备技术63 3.4.2提高MgB2超导体的性能研究70 3.4.3MgB2超导磁体及器件制备技术研究73 3.5展望78 四．制冷技术的发展为超导应用奠定基础79 五.高温超导技术发展现状及趋势81 5.1高温超导强电应用81 5.1.1超导磁体88 5.1.2故障电流限制器91 5.1.3超导储能装置96 5.1.4高温超导变压器100 5.1.5HTS传输电缆102 5.1.6超导发电机和电动机104 5.2高温超导弱电应用108 5.2.1高温超导滤波器108 5.2.2基于高温超导结的器件112 六.国内外高温超导产业发展及市场预测115 6.1发展高温超导材料产业的意义116 6.2国外高温超导材料市场、产业化现状和发展趋势118 6.2.1国外高温超导材料市场情况118 6.2.2国外高温超导材料产业化现状和发展趋势122 6.3国内高温超导材料产业市场、产业现状和发展趋势124 6.3.1国内高温超导材料市场现状124 6.3.2国内高温超导材料产业化现状及发展趋势127 七.高温超导技术在军事领域应用129 7.1超导技术在舰艇方面的应用129 7.2超导技术在飞机方面的应用129 7.3超导在武器系统的应用129 7.4超导技术在军事侦察、通信、电子对抗和指挥等方面的应用131 八.美国、日本、欧洲与中国高温超导发展比较133 8.1美国高温超导发展模式133 8.2日本高温超导发展模式134 8.3欧洲高温超导发展模式135 8.4韩国高温超导发展模式136 8.5中国高温超导发展模式136 8.6各国高温超导发展知识产权情况对比145 九.我国高温超导材料及应用发展战略及对策分析147 9.1我国高温超导材料及应用发展需要解决的问题147 9.2高温超导材料及应用产业发展的战略目标148 9.3高温超导材料及应用产业化发展重点148 9.4高温超导材料及应用产业化发展对策建议150 摘要 高温超导材料与技术作为一个具有巨大潜在商业应用前景的高技术产业，一直是高技术领域中的主要热点之一,在能源、信息、交通、科学仪器、医疗技术、国防、重大科学工程等方面将有重要应用。经过十多年的发展，高温超导材料与技术已从基础性研究和开发示范性的应用技术项目向真正的实用化和形成产品转化。美、日、欧等均制订了相应的发展计划，以提高本国在高温超导材料及应用的全球竞争能力，并取得了重要的进展。预计高温超导在低压大电流输电、变压器、限流器、中小型储能、超导磁体、移动通信和精密电磁测量、卫星通信等方面的应用将在21世纪成为现实。 目前高温超导材料与技术产业处于起飞的前夜，今后十年是研发高温超导材料先进制备技术和超导应用技术的关键时期，也是我国能否在未来超导技术产业的国际竞争中取得优势的关键时期。我国已将高温超导材料与技术列入“国家中长期科技发展规划”。如何推动我国高温超导材料及其应用的发展及产业化进程，参与超导材料国际市场竞争，提升我国先进材料制造技术、高新技术和制冷技术发展，成为亟待解决的战略性课题。 在上述背景下，在12位中国科学院和中国工程院院士的倡议和组织下，通过本项目组织了国内相关超导研究、产业部门的专家，对国内外高温超导材料 及应用的现状进行了系统调研，指出了未来10-20年高温超导材料及应用的发展趋势，在此基础上提出了发展我国高温超导材料及其应用的重点和对策。 关键词：高温超导材料高温超导应用技术关键技术产业化战略对策 一.前言 材料是社会进步的物质基础和先导，对国民经济和国防建设起着关键的支撑作用。新材料指的是那些新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优异性能的材料。超导材料就是一种具有特殊性质的高技术新材料。超导技术被认为是当代凝聚态物理中最重要的研究领域之一，是当代材料科学一个十分活跃的重要前沿，它与凝聚态物理中一系列有重大意义的基本科学问题都有紧密联系，并将推动功能材料科学的深入发展。超导技术又是21世纪具有战略意义的、有广泛应用和巨大发展潜力的高新技术，在能源、医疗、交通、科学研究及国防军工重大工程等方面有重要的应用价值和巨大的开发前景。人类能源危机的最终解决也将寄希望于它。超导技术越来越成为一种不可替代的具有经济战略意义和巨大发展潜力的高新技术，将会对国民经济和人类社会的发展产生巨大推动作用。美国能源部认为：超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术储备，是检验美国将科学发现转化为应用技术能力的重大实践。芬兰科学家最新的研究结果表明，全面应用超导技术可节省能耗、减少二氧化碳的排放、从而可帮助欧洲达到京都议定书的目标。因此发展能耗低、环境友好的超导材料技术对我国在21世纪国民经济和人与社会协调发展具有重要的战略意义。 1986年，IBM瑞士研究中心的J.G.Bednorz和K.A.Mueller发现了La系 高温超导材料。随后的几年时间里，Y系、Bi系、Tl系和Hg系高温超导材料（临界温度为85K－160K）相继被发现。高温超导设备可在液氮温度（77K）运行，与低温超导设备（运行于液氦温度，4.2K）相比，不仅运行成本大大降低，而且 磁－热稳定性大大提高。这就使得超导技术的大规模应用成为可能。因此，发展高温超导应用技术成为国际超导技术界所关注的热点。 近几年来，高温超导带材、薄膜和块材已经商品化，美国、德国、丹麦、日本、中国和澳大利亚已经可以批量生产高温超导带材。高温超导带材的长度可达到1-2km、工程电流密度达到了120A/mm2（77K，0T），已经基本上满足电工应用的要求。目前，全球已经有多家超导技术公司开始批量生产高温超导带材，实用高温超导材料的价格也正在大幅度下降。预计2010年其价格可以降低到＄50/kA·m，而性能可望大幅度提高。从长远看来，随着第二代高温超导带材成材技术的发展，实用高温超导材料的价格降低到约$10/kA·m以下也是完全可能的。 随着实用高温超导材料的研究取得重大进展，世界各国和相关的公司在高 温超导技术的研发方面投入了大量的资金和力量。例如，1996年，美国能源部成立了以发展高温超导电工技术为目的的SPI计划，其中有多家国家实验室和超导技术公司参与研究工作。2001年，美国能源部（DOE）宣布对7个超导应用产品下一阶段的支持，总资金达到1.17亿美元，其中DOE拨款5700万美元，比上一轮（八个项目，DOE投资3255万美元）有较大的增长。 目前，高温超导技术产业化的呼声越来越高。在强电应用技术方面，高温超导电流引线已经商品化，高温超导磁体技术已经达到实用化水平，高温超导电缆、高温超导限流器和高温超导变压器已经进入示范试验运行阶段；单极高温超导电动机、磁悬浮系统（包括磁悬浮车和磁悬浮飞轮储能系统）以及高温超导磁储能系统也有相应的试验模型问世。在弱电应用技术方面，用于移动通讯的高温超导滤波器在技术方面已经接近实用化的水平，美国已有约2000台超导滤波器子系统在移动通信基站进行试验运行；高温超导量子干涉器件已有产品出售，美国、德国和日本等国家已经有多家公司出售此类产品。 我国在超导技术研究领域已有相当的工作基础。目前，我国在铋系带材、 钇系准单畴块材、钇系大面积双面薄膜和微波技术应用、超导量子干涉器件以及钇系新型涂层带材等方向与国际水平相当或相近。2001年4月，研制出数根长度超过300米（最长503米）、电流密度超过5000安培/平方厘米的Bi系高温超导线材刷新了中国在该领域的纪录。目前已经具有规模生产的能力，为超导强 电应用技术的开发和生产提供了材料基础。完成6米2kA高温超导电缆的研制，标志我国在高温超导电缆技术研究开发方面跻身于世界先进行列。高温超导限流器、高温超导电缆和高温超导变压器的并网示范试验运行样机的研制正在进行。已经能够制备出2英寸以上的高质量钇钡铜氧高温超导双面薄膜，用于微波通讯滤波子系统的研制。YBCO高温超导块材制备工艺获科技部科技进步2等奖；2000年12月利用自己生产的340余块钇钡铜氧块材制备出了世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车。目前，块材水平达国际同类材料先进水平，其中，磁浮力大于12牛顿/cm2，直径Φ30mm的单畴块材已实现批量生产。研制成功了适合于我国GSM1800移动通信系统的超导滤波器子系统，其技术参数已达到国外商用产品的水平。但是需要指出，目前我国高温超导材料及应用研究、产业化的总体水平仍落后于发达国家。 根据第五届国际超导工业峰会的预测，高温超导应用技术将在今后5-10 年左右的时间内达到实用化的水平，并将在2010年左右形成具有一定规模的产 业；到2010年，全球超导产业的产值将达到260亿美元，2020年，将达到2400 亿美元以上。美国科学家描绘的景观是：超导技术在21世纪将如同半导体技术 在20世纪的境况。美国能源部认为超导电力技术将是21世纪电力工业唯一的高技术储备，发展高温超导电力技术是检验美国将科学发现转化为应用技术能力的重大实践。可以认为：超导技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术， 今后5-10年将是在未来的超导技术国际竞争中取得优势的关键时期。 二.超导领域的基本概况及关键问题 2.1超导的基本特性 超导材料具有三个常规材料所不具备的基本特性： （1）零电阻：1908年荷兰莱顿大学昂内斯教授成功地液化了地球上最后一种“永久气体”─氦气，并且获得了接近绝对零度（零下273.2摄氏度，标为OK）的低温：4.2K（零下269摄氏度）。1911年昂内斯发现：汞的电阻在4.2K左右的温度时急剧下降，以致完全消失（即零电阻）。1913年他在一篇论文中首次以“超导”一词来表达这一现象。后来科学家又相继发现了数千种金属、合金、化 合物和有机物等都能呈现超导电性。超导现象被发现之后，