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高温超导材料在何应用场景大有可为？产业专家：或为强磁场应用带来新的选择

日期：2023/2/15 来源：络绎科学

超导电性从被发现至今已有百年的历史，已经成为物理学的重要分支。此外，与超导相关的诺贝尔奖也已经被授予过五次。超导材料应用已经在很多方面发挥出不可替代的作用。但是，超导的规模化应用还远没有实现，特别是铜氧化合物高温超导和铁基超导的机理仍未明确。因此，科研工作者将通过持续努力，在探索超导材料方面进行持续不断地创新。本文以“高温超导材料及其应用前沿”为主题，邀请到吉林大学物理学院研究员刘广韬，中国科学院物理研究所研究员罗会仟，上海交通大学感知科学与工程学院副院长赵跃，Venture Lab 投资总监陈昶君共同探讨。

PART 01高温超导材料不同的应用场景

不同的高温超导材料可能有哪些不同的产业化应用场景？对此，几位专家进行了详细的讨论。

多年来，刘广韬始终致力于极端高压强条件下新型功能材料的合成以及结构和物性表征研究，利用实验室自主搭建的实验设备成功制备了一系列富氢化合物的高压超导相。

最近，刘广韬所在的课题组正专注于研究高压下超导富氢化合物的制备，以及超导高压相的物性表征。

他表示，超导材料主要分为传统超导体和非传统超导体。对于传统超导体而言，可以运用经典的 BCS 理论解释其超导态。

BCS 理论认为质量比较轻的元素化合物中原子振动频率较高，所以具有比较高的超导温度。氢作为元素周期表中最轻的元素首当其冲。遗憾的是，由于常压下的氢单质往往具有绝缘性，因此和超导性无法建立联系。

“所以，在基础科学研究领域内，我们认为可以通过高压手段将氢单质金属化，实现高温超导。但是，比较遗憾的是，金属氢的合成条件较高，可能超过 500 万大气压。目前，领域内聚焦于将其它金属元素与氢单质一起合成富氢化合物。然后，可以在富氢化合物中较为容易地实现金属化，观察到高温超导氢化物。”刘广韬补充说。

通过技术水平的不断改进，目前，高温超导氢化物的研究获得突破性进展。刘广韬所在的吉林大学马琰铭教授课题组通过晶体结构预测软件，分别预测出以硫氢体系为代表的共价型氢化物，以及以钙氢和镧氢体系为代表的离子型氢化物，被后续的实验验证其超导温度分别可达 203K 或 250K 之高。

之所以研究超导氢化物，一方面是由于其遵循 BCS 超导理论，超导机制更清楚一些。另一方面，它的超导温度很高，截至目前还保持着最高的超导温度纪录，可能有希望进一步突破室温超导。

“我们可以从相对清晰的超导机制中，根据理论设计并更深入地研究。这将有助于科学家未来理解超导材料，从而在不远的将来实现相关高温超导的应用。”刘广韬最后介绍。

罗会仟目前主要从事高温超导材料的中子散射研究。他认为，目前常压下的高温超导材料主要有铜基和铁基两类。铜基超导的临界温度能够达到 135K 左右，铁基超导块材可以达到 55K 左右。

罗会仟说：“铁基和铜基相比，体系与可选择材料更加丰富。因此，我们更加关注铁基超导材料。”

“我们利用中子散射手段研究铁基超导材料中的磁性相互作用，这类材料中的超导电性的出现在静态磁有序被抑制后，但动态的磁涨落依然存在，进入超导状态以后，动态的磁涨落与超导电性是密切相关的。”他补充说。

赵跃的主要研究方向是高温超导材料制备技术与应用。他介绍说：“我所在的课题组参与超导材料产业化方面的相关工作，为超导材料公司产业化相关方面的研究起到了促进作用，尤其聚焦于稀土钡铜氧材料方面。

PART 02铁基与铜基超导材料的产业化应用

目前具有产业化应用前景的高温超导两大家族，分别是铜氧化物和铁基高温超导材料。近年来，中科院不断推进铁基超导材料的实用化，陆续实现了百米级铁基超导材料、大尺寸铁基超导磁体线圈等成果。

但是，铁基超导材料的临界温度又明显低于铜氧化物超导材料，针对铁基超导的产业化应用与铜氧化物超导材料是否依然将是产业化的主流选择，各位老师各抒己见。

罗会仟研究员认为，从产业应用方面来讲，铜基与铁基超导材料处于不同的研究阶段。铜基材料从被发现到应用已经持续 30 余年。为克服铜基超导材料的弊端，科学家一直在改良技术手段，使铜基超导材料逐渐迈入成熟的应用阶段。

铁基超导材料从 2008 年被发现，同样经历了漫长的探索过程，但实用化研究进展迅速。近些年，其线材指标不断被提升，虽然目前的铁基线材指标与铜基相比仍具有一定的差距，但未来发展很难预测。

赵跃说：“实用超导材料需要满足两个条件，即载流量和磁场值。从应用的角度来讲，评价一种材料是否能够满足实用化需求，更重要是看临界电流和临界磁场。所以，从这个角度讲，并不能够直接比较两类超导体。”

从不同的应用场景来看，两类应用材料都具备应用价值。如产业化程度较好的铜氧化合物，在超导一些应用领域具有不可替代的作用。

从长远角度来看，铁基超导材料的出现有可能专注于某一类比较细分的超导应用市场，因此其具有独特的应用价值。

总体看来，超导材料的产业化应用价值不仅是材料的物理属性或者材料的呈现，更多的是时间的积累与需求的牵引。

PART 03高温超导材料在产业化过程中面临的挑战

近年来，第二代高温超导带材已从实验室转向产业化，国内外已有数家企业实现规模化生产。但是，高温超导材料在研究和产业化中仍面临着挑战。

罗会仟表示：“目前，高温超导材料的应用遇到很大困难。例如，铜基超导材料可应用于电缆和磁体，其中磁体的磁场可以达到很高。但是，结构复杂的超导磁体对制造和使用的要求都非常苛刻，一旦材料发生损坏很容易失超甚至烧毁整个磁体。”

刘广韬认为，目前理论上已经对高压下的二元氢化物开展了相对全面的探索。2017 年，他所在的课题组预言了 LaH10 系列材料的非传统配比。最近，吉林大学团队新发表了一项成果，在二元氢化物的基础上继续增加材料中的氢含量，提出了更加富氢的高温超导体 CeH18。

“虽然超导温度已经获得了重大突破，但是高压手段是较为苛刻的条件，不容易实现。因此，材料距离大规模产业化仍有一定距离。”刘广韬补充说。

罗会仟认为，高压下合成超导体后，若想实用化，需要降低其压力，但是实现途径相对困难。第二种方法是，将高压下形成的结构与自然界中存在的类似材料进行比对，从而发现新的高温超导体。

赵跃说：“目前，对于超导体的研究已经迈入多学科深度交叉融合的阶段，包括凝聚态物理、材料与化学合成、计算机、人工智能、生物工程等，最终实现从最底层到应用的全产业链式发展。”

PART 04超导材料在不同领域的应用

目前，超导材料应用领域最具市场开发前景的是量子计算、加速器以及可控核聚变等。但值得注意的是，现有材料性能和量产水平距离实用化仍有一定的距离。

针对于此，赵跃说：“我所在的课题组涉及超导强电应用研究较多，除了强电应用方向，超导弱电应用还包括量子计算等研究方向，这些方向最近在民营资本与小型初创研究公司的推动加速发展。而以国家投入为主的大科学工程的特点是速度比较慢、建设周期过长、科学目标远大，在投入方面往往不计成本。”

现在，由于资本的引入使超导材料应用向不同的方向发展。尽管近年来基本原理上没有较大的突破，但在材料的选择、建设周期、投入、工程进度等大方向均发生了相应的变化。

一直以来，可控核聚变如果采用原来的基础方案，需要漫长的等待时间，包括预算批复与建设周期等。目前，由于可控核聚变需求的牵引，使得单个第二代高温超导的需求达到万公里量级。这使整个行业产生了巨大的变化，尽管材料的性能和量产水平距离大规模实用化仍有差距。

罗会仟认为：“近五年，随着可控核聚变领域的投入逐渐增多，需要超导材料的数量巨大，技术挑战更大。相比传统的低温超导材料，高温超导材料的应用需求更重要，能够带动相关产业的发展。但是，还存在诸多的不确定性。”

在核磁共振功能成像与大型粒子加速器领域，超导磁体的技术指标是关键。低温超导带材和高温超导带材仍然存在显著性能差异，且后者的工程化仍具有一定难度。在相关领域，国内外正在积极布局，以期推动高场超导磁体在磁共振成像与粒子加速器等重点方向不断发展。

赵跃认为：“超导磁体之所以能够成功应用于磁共振成像与粒子加速器两个领域，都是由于传统低温超导材料工艺比较成熟。但传统超导材料的工作温度较低，使用和维护成本相对较高，这会为超导工程师带来麻烦。”

“实现更高强度磁场需要采用高温超导方案，这使得磁体工作温区大幅提升。因此，随着材料的不断成熟，未来，高温超导会为强磁场的应用带来新的选择。”他补充说。

目前，国内外高温超导带材的产能较低，从材料性能、生产工艺和制备成本等多方面考虑，导致量产规模难以提升仍具有一定的瓶颈。

首先，随着产能的不断扩大，对于设备的要求较高。其次，带材结构设计比较复杂，规模化量产成品率需要提升。第三点是现有高温超导材料体系繁多，需要慎重选择合适的体系并保障原材料的供应。

总的来讲，科学家正在努力实现高温超导材料的规模产业化，以期在不同领域与场景下应用，在材料性能方面获得重大突破。