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打响上海科创品牌丨上海超导打破国外垄断,开启材料未来之门

2018-05-08 09:08:43    澎湃新闻  参与评论()人
说到高温超导材料,有些人还会感觉到陌生,但说到超导磁悬浮列车、磁共振成像、超导电缆等超导材料的应用,读者便恍然大悟:原来超导在生活中已有诸多应用。

简单地说,超导材料指的是在一定温度下电阻为零的材料。它们具有两大重要特性:一是零电阻特性。1911年,荷兰莱顿大学的卡未林·昂内斯用液氮冷却水银,意外发现当温度下降到4.2K(-268.95℃)时,水银的电阻完全消失(特点是不产生热损耗且电流损耗为零)。这种现象也称为超导电性。

二是完全抗磁性。1933年,荷兰的迈纳斯和奥森菲尔德共同发现了超导体完全抗磁性,也称为迈纳斯效应,即当一个磁体靠近处于超导态的材料时,超导体内部的磁感应强度为零。

基于这两个特性,超导材料成为前沿新材料之一,也是战略新兴产业的重要组成部分。超导材料的超导临界温度的每一次提升,都能带来巨大的经济效益和技术突破,这也让超导成为盛产诺贝尔奖的热门领域之一。

不过,想要制备出廉价的超导材料并不简单:一方面这需要很高的技术门槛,另一方面是要控制好生产成本。

目前以美国、日本和欧盟为代表的发达国家均在超导材料、超导物理和技术方面大量投入,争取在未来的大规模应用中占得先机。对于中国来说,上海就有一家民营企业——上海超导科技股份有限公司(以下简称“上海超导”),自研自建了第二代高温超导生产线和生产设备。在近日举行的“中国品牌日”之“上海科创”专题采访中,上海超导材料事业部总经理朱佳敏对澎湃新闻(www.thepaper.cn)等媒体介绍道,这一成果,不仅标志着中国正式掌握了高性能第二代高温超导带材的核心生产技术,也极大地填补了中国在高端制造业生产装备上的空白。

上海超导成立于2011年,注册资金5.17亿元人民币,为上海市“十二五”期间特别培育的战略性高科技企业。成立以来,上海超导与上海交通大学持续深度合作,并建有联合研究院。

打破国外厂商在超导生产设备上的垄断

对于超导材料来说,使用环境为其临界温度之下。空气中有丰富的氮气资源,人们可以生产最廉价的低温冷质(cryogent),即液氮,其沸点温度为77.3K(约为-196℃)。因此,寻找临界温度高于77.3K的超导体,就成为了重要方向。高温超导体一般界定为临界温度超过40K的超导体,因为通常的电子-声子机制下超导临界温度的上限是40K左右,即所谓麦克米兰极限。因此,临界温度突破40K的超导体便是重中之重。

在过去一百多年的探索中,超导材料主要经过了3次大发展。首先是1960年代的低温超导材料,这是一种超导临界转变温度在30K以下的超导超导。它的主要应用在磁共振设备、粒子加速器、超导弱电元器件等方面。但它的主要问题在于需要用液氮或液氢制冷,运行成本十分高昂。

第二次发展发生在1990年代,这个时间里出现了第一代高温超导带材。它的主要优势在于可在液氮中实现超导态,相比起低温超导运行成本大幅下降。但它也有不足,其中70%的原材料是银,成本高昂,同时,磁场下临界电流会急剧衰减。

第三次发展发生在2000年,这个时间里出现了第二代高温超导带材——钇钡铜氧(YBCO)。这是世界首个超导临界温度在液氮沸点(-196℃)以上的材料。它具有低温高场性能,一流的自场电流密度、优异的磁体绕制性能、极低的交流损耗,可应用与电力、交通、能源、医疗、高能物理、军事等各个领域。

上海超导生产的二代高温超导带材

2014年,上海超导于开发出了具有全球领先的低温高场性能的“二代高温超导(YBCO)带材”,经第三方认证,其性能比目前国际上最好的产品高出25%左右。此外,上海超导生产的二代高温超导带材还拥有自场电流密度(77K、自场下,带材最高性能可达600A/cm)、极高的磁体绕制成功率和一流的耐过流冲击能力。

值得一提的是,上海超导还自主研发了先进的“超低阻带材接头技术”,实现了全球最低的工业接头电阻,使二代高温超导带材的产业化和应用进程得以进一步加速。

目前,上海超导已掌握第二代高温超导带材物理法制备成套设备与工艺,并打破了国外厂商在超导生产设备上的垄断,独立掌握并成功自主研发了国内首条千米级第二代高温超导“交钥匙”产线,成功实现带材的稳定量产。

上海超导自主研发的千米级第二代高温超导“交钥匙”产线

朱佳敏称,该产线成功解决了带材向产业化转移所必须克服的镀膜工艺中稳定性、重复性和可靠性等技术难点,从而大幅降低了二代高温超导带材的生产成本,显著提高了二代高温超导带材的性价比与经济适用性。生产线和生产设备的自研自建,也让上海超导成为了全球唯一能够实现第二代高温超导产线对外销售的企业,单条产线在稳定实现高温超导带材生产年产300公里带材(10mm宽带)。

超导应用:走在梦想和创新的最前沿

基于超导材料的特性,超导材料在能源、医疗、交通、国防和大科学工程等方面有许多应用。在国内,上海超导的第二代高温超导带材生产也将在上述几个方面进行对接应用。目前,上海超导生产的超导材料国内市场占有率达到80%,并已经开拓国际市场。

基于超导材料零电阻的特性,超导电缆成为大容量电力输送的最佳技术方案之一。据朱佳敏介绍,新一代超导电缆可采用第二代高温超导材料作为电流传输层,其载流能力至少可达同等尺寸的铜导线的5-10倍。同时输电损耗较常规电缆降低70-80%,且环境友好,无电磁辐射/热辐射。

超导电缆

国际上,德国和美国在超导电缆领域已经有所布局。2008年,美国纽约长岛电力局和美国超导公司联合宣布世界上第一条高温超导电缆已在商业电网中投入运行。2013年德国启动在埃森市区铺设世界上最长的高温超导电缆,这条输电电压为10千伏的陶瓷电缆,长1公里、直径仅15厘米,输电功率达40兆瓦。2014年,该电缆还被成功接入德国埃森市电网并投入使用。

当前,中国相关单位已经开始筹建商业级别的实际供电的超导电缆,在未来5-10年内将有数百公里的超导电缆并网替代传统电缆,以满足长距离低损耗输电和密集城市电力增容的迫切需求。

另一个超导材料的应用领域是超导磁悬浮列车。在探访上海超导总部时,记者发现展览厅里有一辆“冒白烟”的小车正快速运行在圆形轨道上方,同时还有“冒白烟”的小飞碟正稳稳地悬浮在磁体轨道下方。

“超导磁悬浮现象演示”场景

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