高温超导体国内外现状.docx

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高温超导体国内外现状

国外超导材料技术研发概况

新材料产业网    作者:

管理员  2010-9-1015:

17:

03　来源:

新材料产业网

　　超导材料技术是21世纪具有战略意义的高新技术，极具发展潜力和市场前景。

世界各主要国家政府纷纷制订相关计划和加大研发投资，推动基础研究和产业化发展，竞争十分激烈。

一、美国

　　美国能源部（DOE）早在1988年就创建了超导计划，该计划将高科技公司、国家实验室和大学结合起来，进行具有高度复杂性的高温超导技术的应用研发工作，并在此基础上于1993年底制定了超导伙伴计划（SuperconductivityPartnershipInitiative，SPI）。

SPI是整个超导计划的一部分，目的是加速高温超导（Hightemperaturesuperconductors，HTS）电力设备走进市场。

DOE在2001年9月24日宣布了新一轮的高温超导计划——SPI二期，投入总资金达1.17亿美元，支持高温超导商业化示范电缆、100MVA高温超导发电机、1000英尺、3相长距离高温超导输电电缆、高温超导变压器、高温超导核磁共振成像装置、超导飞轮储能装置、高温超导磁分离器等7个项目的研发。

　　2003年7月，DOE在公布的《‘Grid2030’ANationalVisionforElectricity’sSecond100Years》报告中，把高温超导技术列为美国电力网络未来30年中发展的关键技术之一。

该计划制订了2010年、2020年和2030年美国在电力方面高温超导的发展目标（表1），其中在2020年前希望在HTS发电机、变压器和电缆方面具有显著改善，并完成长距离超导传输电缆；2030年前建成国家超导主干输电网络。

表1　美国DOE电力方面高温超导的发展目标

　　DOE于2005年1月发布了2005-2009财年的超导电力系统项目计划，主要涉及高性能、低成本高温超导线的研究、工业界的超导合作以及战略研究3个方面，并实施电力传输稳定性计划（PowerDeliveryReliabilityInitiative，PDRI）、导线设计与工程计划（ConductorDesign&EngineeringInitiative，CDEI）、低温学计划（CryogenicsInitiative）等。

2005-2009财年高温超导电缆和器件的发展目标如表2。

表2　2005-2009财年高温超导电缆和器件发展目标

　　2006年6月，DOE发布了超导技术基础研究需求报告，指出了超导技术在应用、涡旋物质（vortexmatter）、超导理论、新现象和超导材料5个方面的基础研究挑战，明确了新超导体的探索与发现、原子级超导体的结构与性能控制、优化超导材料输电能力、理解和开发竞争电子相、超导性能与超导体理论预测、揭示高Tc超导性的基本理论、发展涡旋物质科学等未来7个优先研究方向，以及合成、表征、理论集成新工具和超导支撑材料2个交叉研究方向。

表3为美国超导技术基础研究现状与挑战，表4为DOE确定的未来优先研究方向和面临的挑战。

表3　超导技术基础研究现状与挑战

表4　优先研究方向和挑战

　　DOE电力传输与能源可靠性局2001年设立了分布式能源项目，超导磁体能源存储技术是能源存储系统的关键技术之一。

电力传输与能源可靠性局2009财年的预算申请额为1.34亿美元，用于对电力传输与分布系统进行现代化改造，使其更加安全、可靠、高效。

2009财年预算分配1.002亿美元用于超导电缆和储能技术的研发活动，以增强电网稳定性、减少运行中断的频率和持续时间并提高效率。

　　美国有众多的研究机构和研究小组从事超导材料技术的研发工作，特别是DOE的一些国家实验室，表5简单列出了美国主要超导材料技术研发机构及其研究方向。

表5　美国主要超导材料技术研发机构及其研究方向

二、日本

　　日本在1987年9月建立了Super-GM（EngineeringResearchAssociationforSuperconductiveGenerationEquipmentandMaterials）计划，其长期目标是发展超导电动机及相关的电力应用。

1988年，日本成立了国际超导产业技术研究中心（InternationalSuperconductivityTechnologyCenter，ISTEC），致力于有关超导技术的调查研究和基础研究开发以及国际交流的促进。

　　为推动日本产业进行持续和独立自主的技术创新，保持竞争优势，日本经济产业省2005年3月首次制定了国家层面的“战略技术路线图”，确定了20项战略重点技术；2006年4月，又新增了超导技术、能源、癌症对策及人性化技术等4项战略重点技术；2007年又增至25项，分属信息与通讯、生命科学、环境与能源、纳米技术与材料、制造业等5个领域。

　　超导技术的战略路线图提出了要在2020年实现超导技术为社会服务的前景。

其进度预期为：

2010年大多数超导技术开始进入应用，而在2020年达到普及。

由于超导技术牵涉面广，该路线图分为4个部分：

①能源电力（发电技术、输配电技术、能源储存技术）；②工业交通（磁场应用技术、计测仪器技术、发动机技术、列车用变压器技术）；③医疗诊断（磁体应用技术、加速器应用技术、高频器件技术、SQUID应用技术）；④信息通讯（计算机网络机器技术、无线存取访问机器技术、计测仪器技术）。

同时，把超导线材、块材、器件以及制冷与低温技术作为公共基础技术划分出来。

日本超导技术战略路线图明确阐述了超导技术每一个领域所要发展的核心技术及其时间表。

　　日本新能源产业综合技术开发机构（NEDO）对超导技术研究项目进行了大力支持，近年开展的超导技术研究项目见表6。

表7为日本超导材料技术主要组织及其研发方向。

表6　NEDO超导技术研究项目

表7　日本超导材料技术主要组织及其研发方向

三、欧洲

　　欧洲为促进超导电力技术和超导材料技术的发展，也批准了超导电力联接计划（SUPERPOLI计划）和欧洲超导技术公司合作计划（CONECDUC计划）的实施。

欧盟于1997年开展了超导电性欧洲网（EuropeanNetworkofSuperconductivity，SCENET），共分为2个阶段，第一阶段为1997-2001年，第二阶段为2002-2006年，研发基金由欧盟提供，共涉及14个欧洲国家的42个学术机构和21工业卓越中心。

目标是为欧洲超导研究区建立一个组织，收集和传播超导信息，进行研究和预测，为技术和科学讨论提供一个平台，促进科技转让，并提升产业界和学术界沟通。

　　2007年，欧洲基金会（Europeansciencefoundation，ESF）发布了2007-2012年的超导纳米科学与工程项目计划（NanoscienceandEngineeringinSuperconductivity，NES），涉及15个欧洲国家、68个研究团队，项目共分为5个主题：

①纳米尺度超导电性演变，纳米孔等有限区域超流态；②超导态－正常态（SN）和超导态－磁态（SM）混合纳米系统的超导性；③纳米结构超导体和SN/SM混合纳米系统的受限通量（Confinedflux）；④弱耦合超导冷凝物的Josephson效应和隧道效应；⑤磁通量子、超导器件基本原理研究。

NES综合研究设施和技术包括5个层次：

第一层为现代样品制备和纳米结构技术；第二层为涡旋可视化局部探针技术和纳米尺度冷凝物波动函数成像；第三层为下一代共享研究设施；第四层为新应用开发的实验平台；第五层为理论方法和技术。

表8为欧洲主要研发机构及其研发方向。

表8　欧洲主要研发机构及其研发方向

四、韩国

　　韩国政府在启动“21世纪前沿研发计划”（21CFrontierR&DProgram）时，明确表示要选择一些高新技术与产业，加大力度开发，以期望得到快速改变。

2001年7月，韩国科技部成立了超导应用技术中心（CenterforAppliedSuperconductivityTechnology，CAST）作为21世纪前沿研发计划中的一部分，主要任务就是发展、促进和利用商业化超导技术，负责管理“应用超导技术发展先进能源系统”计划（DevelopmentofAdvancedPowersystembyAppliedSuperconductivitytechnologies，DAPAS）的实施。

　　DAPAS计划在2011年前发展和商业化HTS线、以及超导地下电缆、变压器、限流器、马达等超导能源设备，为社会贡献一个环境良好、能源损耗小且高等级信息社会的能源架构体系。

表9和表10分别为DAPAS的阶段目标和工作分工，DAPAS计划发展路线图见图2。

在DAPAS实施过程中，韩国电工技术研究院（KERI）是领导实施的独立机构，负责拟定研究目标和实施计划、挑选和评审各个项目，包括对外商授权委托提供超导线材和招标引进国外超导技术。

KERI将以10年的时间完成韩国的商业化高温超导产品研制，并实现超导线材的自供能力。

表9　DAPAS阶段目标

表10　DAPAS计划工作分工

图2　DAPAS计划发展路线图

五、其它国家

　　澳大利亚、以色列等国家对超导材料技术的研究也由来已久，并且也取得了一定的成绩。

　　澳大利亚伍仑贡大学超导和电子材料中心主要从事超导和电子材料的研究，目标是建立世界一流的材料技术与制造多学科研究团队，提高新兴材料技术的商业化发展潜力，强化和发展国际合作关系，提供良好的大学生教育和培训。

主要研究小组有应用超导小组、能源储存小组、自旋和电子材料小组、薄膜技术小组、纳米结构小组和Tweahertz科学与固态物理小组。

超导材料技术方面的主要研究有：

HTS技术与应用，HTS和MgB2线材带材制作与应用，HTS和MgB2超导体的微结构、通量钉扎和临界电流密度，HTS和MgB2超导体粉末工艺和表征，HTS薄膜技术等。

　　以色列魏茨曼科学研究院超导实验室专注于研究超导体，主要兴趣在于涡旋动力学和涡旋物质相图，在材料方面，主要是常规超导体和高Tc超导体。

该实验室配备有多种低温和电子系统，具备利用砷化镓分子束外延、光学和电子束光刻技术制造霍尔传感器的能力。

主要研究项目有：

“多孔”涡旋物质熔化；无序诱导涡旋晶格熔化的温度变化；涡旋晶格熔化转变可视化；剪切诱导涡旋退耦；涡旋物质动态稳定性和记忆效应；Corbino磁盘形状无序驱动转变和涡旋不稳定等。