超导线材或成未来能源突破之关键

人类的能源未来，可能取决于高温超导（HTS）导线。这项技术能够在高于传统超导体所需的温度下无阻抗地传输电力，它可以彻底改变电网，甚至实现商业核聚变。然而，要实现这些大规模应用，就必须制造出性价比与五金店出售的普通铜线相当的HTS线材。

由美国纽约布法罗大学领导的新研究正在推动向这一目标靠近。今年8月，研究团队将成果发表在《自然通讯》专业期刊上。该论文报告说，他们已经制造出了世界上性能最高的HTS线段，同时使性价比指标大大提高。

研究团队的导线以稀土氧化钡铜（REBCO）为基础，在5开尔文到77开尔文的所有磁场和温度范围内，达到了迄今为止最高临界的电流密度和钉住力（分别是承载的电流强度和钉住磁涡流的能力）。这个温度范围仍然非常寒冷，为零下451华氏度到零下321华氏度，但仍高于传统超导体工作的绝对零度。

该研究的通讯作者，纽约州立大学工程与应用科学学院化学与生物工程系特聘教授兼纽约州立大学帝国创新教授Amit Goyal博士说：这些结果将有助于指导业界进一步优化沉积和制造条件，从而大幅提高商用涂层导体的性价比。要想充分实现超导体的众多大规模应用，就必须使性价比指标更加有利。

HTS线材应用广泛

HTS线材的应用包括能源生产，如将海上风力发电机的发电量提高一倍；电网级超导磁能存储系统；能源传输，如在大电流直流和交流输电线路中无损耗传输电力；以及以高效超导变压器、电机和电网故障限流器的形式，提高能源效率。

HTS线材的一个小众应用——商业核聚变，具有产生无限清洁能源的潜力。仅在过去几年中，全球就成立了约20家私营公司来开发商业核聚变，仅为开发这一应用的HTS线材就投入了数十亿美元。

HTS线材的其他应用包括用于医学的下一代MRI、用于药物发现的下一代核磁共振，以及用于众多物理应用的高场磁铁。此外，还有许多国防应用，如开发全电动船舶和全电动飞机。目前，全球大多数制造千米长高性能HTS导线的公司，都在使用Goyal及其团队之前开发的一种或多种平台技术创新。

这些技术包括轧制辅助双轴纹理基片（RABiTS）技术、LMOe支持的离子束辅助沉积（IBAD）氧化镁技术，以及通过同步相分离和应变驱动自组装技术实现纳米级间距的纳米柱状缺陷。最近，《超导体周刊》对Goyal进行了采访，重点介绍并讨论了这些技术的细节。

创世界纪录的临界电流密度和引力

在《自然通讯》杂志上报道的这项研究工作中，Goyal小组报告了基于REBCO的超高性能超导线缆。在4.2开尔文温度下，HTS导线在没有任何外部磁场（也称为自场）的情况下每平方厘米可传输1.9亿安培电流，在7特斯拉磁场下每平方厘米可传输9000万安培电流。

在温度更高的20开尔文（商业核聚变的预期应用温度）下，导线每平方厘米自场仍可携带超过1.5亿安培的电流，在7特斯拉磁场下每平方厘米可携带超过6千万安培的电流。

就临界电流而言，这相当于在4.2开尔文条件下，4毫米宽的线段在自场条件下具有1500安培的超级电流，在7特斯拉条件下具有700安培的超级电流。在20开尔文时，自场电流为1200安培，7特斯拉时为500安培。

值得注意的是，该团队的HTS薄膜虽然只有0.2微米厚，但其电流强度却可与HTS薄膜厚近 10倍的商用超导线缆相媲美。

在钉住力方面，这些导线显示出很强的钉住或固定磁涡旋的能力，在4.2开尔文和20开尔文的7特斯拉磁场下，钉住力分别为每立方米约6.4太牛顿和每立方米约4.2太牛顿。

这是迄今为止在5开尔文到77开尔文的所有磁场和工作温度下，临界电流密度和引力达到的最高值。Goyal说：这些结果表明，在优化的商用HTS导线中，仍有可能显著提高性能，从而降低相关成本。

如何制造高性能金属丝

HTS线段是在采用离子束辅助沉积氧化镁技术的衬底上，通过同时采用相分离和应变驱动自组装技术，利用纳米柱缺陷制造出来的。自组装技术允许在超导体内以纳米级的间距加入绝缘或非超导纳米柱。这些纳米缺陷可以抑制超导涡流，从而产生更大的超电流。

Goyal说：稀土掺杂、氧点缺陷和绝缘锆酸钡纳米柱及其形态所产生的钉扎效应共同作用，使得高临界电流密度成为可能。Goyal所在研究团队的实验室博士后Rohit Kumar补充说：HTS薄膜是通过精心控制沉积参数，使用先进的脉冲激光沉积系统制成的。

在脉冲激光沉积过程中，激光束撞击目标材料并烧蚀材料，然后在适当放置的基底上沉积成薄膜。Goyal说：此外，我们还使用加拿大麦克马斯特大学电子显微镜中心先进的显微镜进行原子分辨率显微分析，以确定纳米柱状和原子尺度缺陷的特征，并在意大利萨勒诺大学进行了一些超导特性测量。

海军研究办公室为这一基础研究提供了支持，以开发优质HTS导线。Goyal是该项目的首席研究员。Goyal的研究对HTS领域产生了重大影响，无论是在基础材料科学方面，还是在科学发现从实验室到市场的过渡方面。

由于对高温超导领域的贡献，他当选为美国国家工程院院士。他撰写或与人合作撰写了360 多篇技术出版物，包括45篇特邀专著章节和论文，并与人合作编辑了6本书。他在国内和国际会议上发表过30多次全体演讲和主题演讲，以及180多次特邀演讲。他拥有88项已授权专利，其中包括70项美国专利和18项国际专利，还有20多项专利正在申请中。

1999-2009 年，他是高温超导领域全球引用次数最多的作者。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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