产业化并迅速获得广泛应用，这主要是由于这种合金具有良好的加工塑性和很高的强度及优异的超导性能。还有很重要的一点是这种合金的原材料及制造成本远低于其他超导材料。

我们知道，NbTi合金的Tc为9.7 K，其临界场H可达12T，可用来制造磁场达9 T(4 K)或11 T(1.8 K)的超导磁体。NbTi线可用一般难熔金属的熔炼方法加工成合金，再用多芯复合加工法加工成以铜(或铝)为基体的多芯复合超导线，最后用时效热处理及冷加工工艺使其最终合金由β单相转变为具有强钉扎中心的两相(α+β)合金，以满足使用要求。现在的多芯复合NbTi线材的每根截面上排列数百芯乃至数万芯NbTi丝，典型产品截面结构见图1(a)。不同公司工艺流程稍有变化。目前NbTi超导材料主要应用于制造核磁共振成像系统(MRI)、实验室用超导磁体、磁悬浮列车等，其中MRI每年消耗的NbTi超导线约为2500吨左右。因此，NbTi超导材料因其易加工、低成本和耐用，已成为最成功的实用化、商业化的超导材料。有理由相信，NbTi超导体在今后一段相当长时间内将继续得到广泛应用。 3.2 Nb3Sn

产生较高磁场的Nb3Sn材料是由贝尔实验室Matthias于1954年发现的[4]，但因为其脆性大、硬度高，因而直到1970年代初才实现商业化生产。Nb3Sn是一种具有A15晶体结构的铌锡金属间化合物，其超导转变温度为18K，在4.2 K时的上临界磁场可达25 T, 4.2K/l0T磁场下能承载的临界电流密度约为5×10^5

A/cm2，因此，Nb3Sn主要用于制作10 -23 T的超导磁体。Nb3Sn材料因其脆

性不能按照NbTi线同样的工艺制备，历史上先后尝试过多种制造方法，如气相沉积法、青铜法、扩散法、内锡法以及粉末装管法等。虽然各有优缺点，加工工艺均较复杂，产品的力学性能差。实际上，青铜法一直是各种商品化Nb3Sn实用材料的主要制造工艺。

Nb3Sn导体主要应用于核磁共振仪，磁约束核聚变以及高能物理的高场磁体领域，如2011年Bruker公司已采用Nb3Sn开发了23.5 T,1 GHz的NMR系统。 除Nb3Sn以外，比较著名的A15化合物中还有Nb3Al，其T和H比Nb3Sn要高，分别达19.1 K和32.4 T。 Nb3A1是当前的一个研究热点[5]，主要由于它具有

优异的应变特性，但是这种材料的加工窗口更窄，制备更为困难。目前日本国立材料科学研究所((NIMS)对该材料的研究工作较为突出，已能制备高性能长线，并实验绕制了高场内插线圈。

NbTi和Nb3Sn是目前应用最为广泛的两种超导材料。至今，用NbTi合金线材绕制一个8T的超导磁体，用Nb3Sn线材绕制一个15 T的超导磁体已经不存在任何的技术问题。这些导线的主要生产厂家是美国牛津超导((OST)公司、欧洲先进超导公司((EAS)、日本古河公司以及英国Luvata公司、中国西部超导公司等。值得一提的是，我国西部超导公司近年来承担了国际ITER计划的69% NbTi超导线材和7%Nb3Sn超导线材任务。通过参与ITER计划，大大提升了我国低温超导导线研发和产业化能力，成为ITER项目超导线的重要供货商。

图 1 实用化超导导线的界面结构

4 高温超导材料

4.1 铋系高温超导带材

1988年，日本NIMS的Maeda发现了临界温度达110 K的秘系（BiSrCaCuO)氧化物超导体[6]，后经证实他们得到的是Bi2212和Bi2223的混合物，Bi2223的Tc为110 K，而Bi2212的Tc是90 K。铋系超导相是一种陶瓷结构，无法直接加工成带材。通常采用粉末装管法（PIT)，即将脆性的超导粉包裹在金属套管里制备成导线。Bi2223带材工艺流程一般是先将原料粉末装入银管，通过拉拔轧

制，然后退火热处理，见图2。经过十几年的发展，利用这种方法，可以开发出长度为千米级的秘系多芯超导线材，且技术已经比较成熟，已达到商业化生产水平（被称为第一代高温超导带材)。目前工业化生产的Bi2223超导长线的临界电流（截面积为1 mm2的超导导线在77 K温度和0T条件下)一般在100 A以上，最好的能达到200 A。

图 2采用粉末套管法制备Ｂi２２２３带材的工艺流程

具备Bi2223长线批量化生产能力的厂家主要有美国超导体公司、德国布鲁克公司、日本住友公司、北京英纳公司等（前2家公司已停产)。目前Bi2223导线已基本满足实用要求，并且已在超导输电电缆、磁体、发电机、变压器、限流器等多个项目中获得示范应用，特别是中国科学院电工研究所成功研制了世界首座超导变电站并进行了并网试验。真正接人电网进行商业运行的1 km长三相Bi2223超导电缆安装在德国小城Essen,其电压为10 kV，总功率为40 MVA。自从2014年10月正式替代原来一根110 kV的铜电缆以来，已安全运行了近1年。

然而Bi2223超导体具有较强的各向异性，在液氮温区的不可逆场较低（<0.5 T)，在较小的磁场下，其临界电流会显著降低，不适合用于强磁场场合。因此，在液氮温区，Bi2223超导体主要面向“超导电缆”应用。

4.2 钇系高温超导带材

临界温度达93 K的钇系（YBaCuO,缩写为YBCO)超导体是第一个被发现的Tc超过77 K的高温超导体[7]。和Bi2223相比，YBCO的各向异性γH较弱，约为

5-7左右，同时在77 K时具有很高的不可逆场，高达7T，也就是说，钇系可以在77 K强磁场下承载较大的临界电流，是真正的液氮温区下强电应用的超导材料。由于YBCO带材在强磁场下具有更为优异的性能，近年来，它已成为超导材料的研究热点，研究重点是降低成本和提高性能。但是钇系超导体晶粒间结合较弱，难以用传统的PIT工艺制备带材，其成材通常建立在薄膜外延生长技术上，称为第二代高温超导带材（也称为涂层导体)。

第二代高温超导带材主要是由金属基带、多层隔离层、YBCO超导层、保护层等组成。金属基带一般为Ni或者Ni合金（如哈氏合金)，甚至不锈钢，其厚度为50 -100 μm，其上沉积总厚度小于1μm的几层隔离层，随后外延生长1- 4 μm的YBCO超导层，最后覆盖几个μm的保护层，典型结构见图1。这样的工艺结构主要是为了得到具有双轴织构特性的YBCO超导层，从而最大程度地避免材料中的大角度晶界，消除超导相之间的弱连接，获得大的传输电流。 织构化基带的制备工艺路线主要有3种: 轧制辅助双轴织构基带技术（RABiTS)、离子束辅助沉积技术（IBAD)、倾斜衬底技术（ISD)。隔离层一般采用磁控溅射或脉冲激光沉积获得，除了具有阻挡原子扩散的作用外，还具有将织构传递给超导层的作用。超导层的几种主流沉积方法有: 脉冲激光沉积(PLD）、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、金属有机沉积(MOD)以及电子束共蒸发（CE)技术等。采用上述工艺获得的YBCO薄膜临界电流密度JC一般在106- 107 A/cm2，之间（77 K,0 T)。目前YBCO薄膜的研究重点是:一个是引入人工钉扎中心，进一步提高磁场下的JC;另一个是通过增加YBCO薄膜的厚度来提高涂层导体的临界电流。

自1999年第一根100 m长YBCO带材被制备出来以后，第二代高温超导带材的研发单位已逐步发展成为以企业公司为主，主要的研发单位为:美国Superpower公司，日本Fujikura和SWCC公司，美国AMSC公司，德国THEWA公司以及韩国SuNAM公司等。其中美国Superpower公司是世界上第一家制备出千米级(1065 m, 2009年)的YBCO带材厂商，目前仍然保持着长度方面的世界纪录。该公司生产的首根1065 m长YBCO带材的最小电流是282 A/cm，整根带材的负载电流(电流ICx长度L)超过300000 A·m。值得一提的是，韩国通过设立“应用超导技术发展先进能源系统”的10年计划(即DAPAS计划)，

经过有效组织、整合，采用合适的技术路线，近年来获得了突破性的进展，于2012年成功研制出1000 m长的YBCO带材，其负载电流达到422 A×1000 m = 422000 A·m。近几年来，我国进行YBCO带材产业化研发的主要单位有上海超导科技公司、苏州新材料研究所以及上海上创超导公司等。

YBCO带材的缓冲层及超导层，多采用真空沉积法制备，复杂的薄膜制备工艺不仅导致其成材率较低，而且价格至今也远高于第一代Bi2223导线。因此，今后面临的挑战是进一步优化制造工艺，提高电流性能，降低成本，这样才有望获得规模化的电力应用。

5.小结

如文中所述，实用化超导材料NbTi, Nb3Sn, Bi2223均是采用拉拔、挤压或轧制等机械加工工艺获得超导线带材，该方法制造成本低廉，易于规模化制备，而YBCO导体必须采用多层镀膜的方法，需要人们付出更多的努力，才能获得真正意义上的低成本、高性能YBCO带材。

以NbTi, Nb3Sn为代表的低温超导体已实现了商品化，其制备工艺及性能发展已完全成熟，并得到广泛的应用，尤其是在全球医疗和科学仪器方面，如用于医学诊断的核磁共振成像仪和用于谱线分析的核磁共振仪以及高能物理实验用的磁体。其中在高能物理实验中更是有可能在不久的将来实现可控核聚变，人类将获得永不枯竭的能源。

我们相信，随着实用化超导材料的进一步提高和技术的成熟，人类的社会将在能源，通讯以及更多的方面出现划时代的变革。

参考文献

[1]

蔡传兵, 刘志勇. 实用超导材料的发展演变及前景展望. 上海：中国材料进展, 2011 [2]

黄素贞, 秦经刚. 未来聚变堆用高温 CICC 导体发展现状. 合肥：低温与超导, 2016 [3]

Hulm J K, Blaugher R D. Phys. Rev.,1961,123:1569 [4]

Matthias B T, Geballe T H, Geller S et al. Phys. Rev. , 1954, 95:1435 [5]

Rogalla H, Kes P H (ed.). One Hundred Years of Superconduc-tivity. New York: CRC press, 2011 [6]

Maeda H, Tanaka Y, Fukutomi M et al. Jpn J. Appl. Phys. ,1988 ,27:L209 [7]

赵忠贤，陈立泉，杨乾声等.科学通报，1987,32:412