高溫超導技術到底發展到什麼水平了？

第二代高溫超導本身屬於陶瓷材料，具有天然的脆性，作為超導體又是一種各向異性材料（不同方向的磁場下臨界電流也不同），只能在特定的場景使用，比如製作超導微電子器件、超導磁懸浮浮子。要真正使第二代高溫超導材料得到廣泛應用，就必須優化超導材料配方減弱其各項異性，就必須想辦法把第二代高溫超導製造成長線材或帶材，並具備優異的彎曲、拉伸等機械性能。

怎樣製造第二代高溫超導帶材？

為了實現第二代高溫超導帶材的實用化，解決其脆性問題，研究人員為帶材設計了複雜的多層結構。

這種多層結構中，各層材料實現不同的作用：占整個帶材厚度約一半的是金屬基帶，一般是表面極其光潔的哈氏合金，用於支撐超導層為帶材提供機械性能；往上是緩衝層，目的是讓超導層更好的生長在基帶上；再往上是超導層，是整個帶材的核心，提供了我們所需要的超導電性，所有層都為它而存在，它的厚度僅有1um左右，約佔整個帶材厚度的1%；最後再用銀層和銅層包裹帶材，保護好整個帶材，帶材整體的厚度僅約0.1mm。

如此結構的第二代高溫超導帶材，其機械性能已完全滿足實際使用要求。

高溫超導帶材的多層結構與實物圖

第二代高溫超導帶材生產工藝

製造第二代高溫超導帶材的工藝流程：

（1）準備基帶

選用晶體結構、表面化學穩定性、耐高溫特性、機械性能和抗氧化能力優異，熱膨脹係數與超導層材料匹配的基帶材料，經過反覆試驗與研究，最終發現哈氏合金是最優選擇。使用電解拋光對基帶反覆進行拋光處理，直到基帶表面粗糙度小於1納米。

（2）製備緩衝層

利用磁控濺射沉積技術（其他可選技術包括蒸發沉積法、脈衝激光沉積法和化學溶液沉積法等），在基帶上製備由氧化鋁、氧化釔、氧化鎂、二氧化鈰等材料組成的、表面形貌平整光滑、微觀結構緻密、具有雙軸取向的多層薄膜緩衝層。

（3）生長超導層

利用機化學氣相沉積法（其他可選技術包括金屬有機物沉積法、反應共蒸發法和脈衝激光沉積技術等），在緩衝層上生長表面平整、結構緻密、厚度約為1um的REBCO超導層。

（4）沉積銀膜層

利用磁控濺射沉積等技術，在已經完成超導層生長的帶材上下表面繼續沉積約2um厚度的銀穩定層，然後對超導帶材進行氧化熱處理，根據實際寬度需求對帶材進行分條處理。

（5）包覆金屬穩定層

利用電鍍技術，在完成分條的超導帶材四周鍍上一定厚度的銅穩定層（典型值為20um厚）。根據具體應用需要，利用不同封裝技術，再次對完成基本包覆的超導帶材進行進一步封裝處理，如包覆不鏽鋼帶，增加機械強度；包覆聚醯亞胺絕緣帶，實現帶間絕緣等。

（三）如何做好質量檢測？

經過上述工藝流程，我們已經獲得第二代高溫超導帶材的成品，但是由於製造過程非常精細、存在一些不可控因素，任何微小的工藝參數偏差都可能導致帶材性能完全達不到設計參數，因此製造完成後的帶材必須要進行質量檢測，包括臨界性能檢測和機械性能檢測。

必須進行的臨界性能檢測是液氮溫度下、無外磁場、全長度的臨界電流測試，以確定帶材是否存在壞點、臨界電流均勻性是否符合要求（比如全長度最高臨界電流與最低臨界電流相差不超過10%），並根據測試數據將帶材進行分段處理。除此之外，還需要根據超導帶材的將要使用的環境，測試帶材在相應溫度和背景磁場下的臨界電流。

國產第二代高溫超導帶材的臨界性能

高溫超導帶材在使用過程中，一般會受到彎曲、拉伸和扭轉三種容易使超導失效的受力情況，其中扭轉可看做是彎曲和拉伸同時作用的情形，因此我們一般只需要做帶面方向的臨界彎曲半徑和帶材長度方向的臨界拉伸應力應變的檢測。

所謂臨界彎曲半徑或臨界拉伸應力應變，是指在該條件下，帶材沒有發生脫層現象，帶材的臨界電流降低到平直狀態下的一定百分比（如95%）。

臨界彎曲半徑測試（左）臨界拉伸應力應變測試（右）

至此，我們便獲得了機械性能合格、在20K溫度下每平方毫米能夠通入五千安培直流電的高溫超導帶，電流在超導帶上不會產生任何歐姆損耗。

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