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(bào)告》。這是國際首個(gè)聚焦高溫超導(dǎo)帶材發(fā)展的戰(zhàn)略研究報(bào)告，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(shí)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(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。

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(shí)，必須發(fā)展可規(guī)?；⒁恢滦愿叩闹苽涔に?，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。

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。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(gè)材料體系，是連接基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用的“樞紐”；同時(shí)對照核聚變、超導(dǎo)電網(wǎng)等國家重大需求，報(bào)告分析現(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。

報(bào)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(shí)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(dòng)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(shí)，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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)。

4.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？

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(dòng)力學(xué)過程與實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)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(dòng)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(jì)與PLD鍍膜工藝參數(shù)的優(yōu)化往往相互獨(dú)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(diǎn)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(dòng)態(tài)沉積環(huán)境（背景氣壓、基帶運(yùn)動(dòng)）共同決定了等離子體羽輝的時(shí)空演化特性，而羽輝的特性又直接控制著薄膜的生長動(dòng)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(yàn)試錯(cuò)，難以實(shí)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(shí)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(dòng)、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(jì)（如多通道獨(dú)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(shí)現(xiàn)RE/Ba/Cu化學(xué)計(jì)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(dòng)，針對該問題需建立涵蓋流體動(dòng)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(shí)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