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2.4 今后优先发展领域

2.4.1 优先发展领域一:高性能超导线带材的实用化制备技术

1.该领域的科学意义与国家战略需求

我国聚变能源战略、高端医疗装备制造、国防建设和基础科学研究等领域对高场超导技术的发展提出了迫切的需求,如可控核聚变、高能加速器、医用磁共振成像所需的高场磁体的研制,超导磁悬浮高速交通技术的发展,风力发电、舰船推进、全电飞机所需高功率密度电机的研制,以及新能源产业与智能电网的发展,都需要高性能超导材料作为支撑。现阶段,仍存在高性能超导线材基础理论研究与新技术研发水平落后于国家战略需求的矛盾,亟待在高性能超导线材制备技术研究这一关键领域进行共性技术攻关和创新突破,确保高场超导线材基础理论研究具备前瞻性,为提升应用水平奠定基础。

2.该领域的国际发展态势与我国的发展优势

未来高能粒子加速器、超导可控核聚变装置以及高场磁共振成像系统等的发展,需要高性能超导材料的不断发展和突破作为支撑。如中日美在全超导及高场磁体上的竞争均已迈入30T门槛,传统低温超导材料因其低临界温度和低临界磁场,已经不能满足上述需求。高温超导材料,具有高临界温度、高临界磁场及高载流能力等独特优势,在高场磁体应用中具有不可替代的作用。因此,我国亟待加快超导材料的实用化研发和规模化应用,从而实现超导技术的产业升级。在铜氧化物高温超导材料研发方面,主要包括Bi-2223一代高温超导带材,以YBCO为代表的二代高温超导带材,以及尚处于工程化研发阶段的Bi-2212线材。目前国际上在二代高温超导带材方面进展迅速,正处于产业化应用前夕。近年来,我国经过快速追赶,逐渐进入国际先进行列,已具备千米级YBCO涂层导体的生产能力。2001年发现的二硼化镁超导材料,以及2008年发现的铁基高温超导材料是两种具有实际应用潜力的新型超导材料。二硼化镁材料超导转变温度为39K,具有化学成分简单、原料成本较低的优点,国外已实现线材商业化生产,而国内也具备千米级线材的制备技术;铁基超导材料的超导转变温度可达55K,具有极高的上临界磁场和较小的各向异性,在强磁场领域具有广阔的应用前景,但目前仍处于实验室研发阶段,我国在这一领域处于国际引领地位,已在国际上率先实现百米量级铁基超导线材制备技术的突破。总体上,我国在超导材料及电工应用领域已形成的较好的产学研合作体系,有丰富的技术积累和完整的产业布局,近年来取得了一系列具有国际先进水平的成果,在一些方向上具有先发优势。

3.该领域的主要研究方向和核心科学问题

主要研究方向: ①二硼化镁、Bi-2212、铁基超导材料的成相和磁通钉扎机制以及电流传输特性研究,基于粉末装管法的高性能线材制备技术;②YBCO涂层导体的高速沉积与厚膜外延生长机制、人工磁通钉扎技术,以及带材实用化后处理技术;③高温超导长线的低成本、批量化制备技术,以及线材低阻高性能连接技术;④超导线材在高场、低温、应力等复杂条件下的载流、电磁、机械特性研究。

核心科学问题: ①高温超导材料的成相机制和相演变规律、磁通钉扎机理及其人工调控;②超导线材的电流传输受限机制,微观组织优化与调控,及超导线材在高场、低温、应力等复杂工况下的载流、电磁、机械特性。

4.该领域的发展目标

面向国家能源、国防装备和大科学装置等发展战略和学科前沿发展,开展高性能超导线带材的实用化制备的关键技术和理论基础研究,揭示高温超导材料的成相机制和相演变规律、超导线材的电流传输受限机制,掌握高温超导长线的低成本、批量化制备技术与线材低阻高性能连接技术,为提升我国高性能超导线带材制备和基础设施的国际竞争力提供原始创新,推动高性能超导线带材制备核心技术在聚变清洁能源装置、高能量粒子加速器、高端医疗装备、重大科技基础设施、超导磁浮交通、空间电推进和电磁弹射系统等前沿领域应用,使我国在高性能超导线带材制备的基础理论研究和工程应用等领域跻身国际前列。 qdUSj+sKC4vO6bhAX5IiFq14i6oF5xdWilRd6q0lMKy1u6ziJdszpDyHefJ1FI//

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