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

大略地说，超导材料指的是在一定温度下电阻为零的材料。

它们具有两大主要特性：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，意外创造当温度低落到4.2K（-268.95℃）时，水银的电阻完备消逝（特点是不产生热损耗且电流损耗为零）。
这种征象也称为超导电性。

二是完备抗磁性。
1933年，荷兰的迈纳斯和奥森菲尔元配合创造了超导体完备抗磁性，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，也是计策新兴家当的主要组成部分。
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能打破，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大略：一方面这须要很高的技能门槛，另一方面是要掌握好生产本钱。

目前以美国、日本和欧盟为代表的发达国家均在超导材料、超导物理和技能方面大量投入,争取在未来的大规模运用中占得先机。
对付中国来说，上海就有一家民营企业——上海超导科技株式会社（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，上海超导材料奇迹部总经理朱佳敏对澎湃新闻（www.thepaper.cn）等媒体先容道，这一成果，不仅标志着中国正式节制了高性能第二代高温超导带材的核心生产技能，也极大地补充了中国在高端制造业生产装备上的空缺。

上海超导成立于2011年，注册资金5.17亿元公民币，为上海市“十二五”期间特殊造就的计策性高科技企业。
成立以来，上海超导与上海交通大学持续深度互助，并建有联合研究院。

冲破国外厂商在超导生产设备上的垄断

对付超导材料来说，利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，探求临界温度高于77.3K的超导体，就成为了主要方向。
高温超导体一样平常界定为临界温度超过40K的超导体，由于常日的电子-声子机制下超导临界温度的上限是40K旁边，即所谓麦克米兰极限。
因此，临界温度打破40K的超导体便是重中之重。

在过去一百多年的探索中，超导材料紧张经由了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。
它的紧张运用在磁共振设备、粒子加速器、超导弱电元器件等方面。
但它的紧张问题在于须要用液氮或液氢制冷，运行本钱十分高昂。

第二次发展发生在1990年代，这个韶光里涌现了第一代高温超导带材。
它的紧张上风在于可在液氮中实现超导态，比较起低温超导运行本钱大幅低落。
但它也有不敷，个中70%的原材料是银，本钱高昂，同时，磁场下临界电流会急剧衰减。

第三次发展发生在2000年，这个韶光里涌现了第二代高温超导带材——钇钡铜氧（YBCO）。
这是天下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、精良的磁体绕制性能、极低的互换损耗，可运用与电力、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，上海超导于开拓出了具有环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赶过25%旁边。
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前辈的“超低阻带材接头技能”，实现了环球最低的工业接头电阻，使二代高温超导带材的家当化和运用进程得以进一步加速。

目前，上海超导已节制第二代高温超导带材物理法制备成套设备与工艺，并冲破了国外厂商在超导生产设备上的垄断，独立节制并成功自主研发了海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，该产线成功办理了带材向家当化转移所必须战胜的镀膜工艺中稳定性、重复性和可靠性等技能难点，从而大幅降落了二代高温超导带材的生产本钱，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环球唯一能够实现第二代高温超导产线对外发卖的企业，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）。

超导运用：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运用。
在海内，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海内市场霸占率达到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运送的最佳技能方案之一。
据朱佳敏先容，新一代超导电缆可采取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落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告天下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天下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利用。

当前，中国干系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，以知足长间隔低损耗输电和密集城市电力增容的急迫需求。

另一个超导材料的运用领域是超导磁悬浮列车。
在探访上海超导总部时，创造展览厅里有一辆“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

“超导磁悬浮现象演示”场景

据上海超导的研究员先容，能产生这两个征象是由于他们将上海自主生产的二代高温超导带材体例成小薄块置于小车和小飞碟内，通过液氮（温度为-196℃）给小车和小飞碟降温，使超导材料达到超导态，以担保超导材料的完备抗磁性与量子锁定能力。
因此，被液氮降温的小车和小飞碟可以正向或反向悬浮在永磁体上/下，或是顺着永磁体轨道快速悬浮“翱翔”。

科学家们正在将这一事理用在轨道交通上，打造未来高铁——超导低空列车。
由于没有与地面的摩擦力，超导低空列车只受空气阻力影响，速率较高铁可提高2-3倍。
目前，国外科学家已利用该技能实现了603km/h的环球轨道交通最高时速，并于2014年开始在东京与名古屋之间兴建第一条商用化的超导低空列车运行线。
如果未来超导低空列车能实现在真空管道内运行，那运行时速有可能达到1500-2000km/h乃至以上。

超导低空列车仿照场景 资料图

超导材料还在可控核聚变领域有主要运用。
国际上，以ITER项目为代表的基于托卡马克技能的可控核聚变发电装置已走入商用样机研制阶段，该类装置具有体积小、能耗低、无污染、无核废物等上风，将彻底改变未来天下能源格局。
目前，全天下有数十家单位正在开展干系研发事情，随着二代高温超导材料性价比的连续提高，将带动可控核聚变发电装置核心部件超导磁体的性能提升和本钱低落，从而大大加快装置的开拓进度。

上海超导也在积极参与海内可控核聚变的项目。
目前已开始为国际紧张可控核聚变发电装置生产商批量供应材料。

ITER项目托卡马克聚变反应堆示意图 资料图

在科研装置上，超导材料还在粒子加速器领域发挥浸染。
粒子加速器是利用磁体磁场对特定粒子进行磁约束，从而进行科学实验和其他微不雅观运用的装置。
全天下在建和在筹的此类工程有数十项，都具有投资金额巨大（数十亿乃至数百亿），持续周期长（十几年）的特点。
超导磁体作为粒子加速器的紧张零部件，采取高温超导材料作为核心材料将大幅提升磁体性能。
可以估量，随着粒子加速器在海内的落地，将极大推动二代高温超导带材的家当化推广。

欧洲大型强子对撞机LHC(Large Hadron Collider) 资料图

此外，粒子加速器还可以用于质子/重离子癌症治疗装置的核心单元，这是人类目前治疗癌症的几种最有效的手段之一。
据统计，仅中国就有50多家医院在培植和筹建质子重离子治疗设备。
该设备采取高温超导材料后可以大幅度减小设备的整体占地面积和重量，使得设备可以在现有医院有限的园地内安装。

据透露，上海超导已与中科院某所互助，依托国家大科学工程，共同探索粒子加速器未来运用。