高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用

高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用

1911年，荷蘭考古學(xué)家卡馬林本斯發(fā)現(xiàn)，在低溫下，它具有“零”的“超導(dǎo)電性”，并創(chuàng)造了新的經(jīng)典硅新世。現(xiàn)在,整整一個(gè)世紀(jì)過去了,超導(dǎo)材料發(fā)展早已日新月異,尤其是1986年后,高臨界溫度(77K以上)超導(dǎo)材料獲得突破性進(jìn)展,將超導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用可能推至液氮溫區(qū),具有重大的實(shí)際意義。特別是隨著90年代中后期以來第一代(Bi-2223)以及第二代高溫超導(dǎo)材料(YBCO涂層導(dǎo)體)的產(chǎn)業(yè)化,結(jié)合低溫與制冷技術(shù)的迅速發(fā)展,人們看到了高溫超導(dǎo)材料走入實(shí)際應(yīng)用的曙光,超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)磁分離系統(tǒng)、超導(dǎo)儲能系統(tǒng)、超導(dǎo)量子干涉儀等超導(dǎo)應(yīng)用研究得到了空前的重視,并取得了顯著進(jìn)步。1熱壓高度的分析自1986年發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體(HTS)以來,超導(dǎo)領(lǐng)域的科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多達(dá)100多種高溫超導(dǎo)體,但從實(shí)際應(yīng)用以及線材產(chǎn)業(yè)化的角度考量,Bi2Sr2Ca2Cu3Ox(Bi-2223,Bi系)超導(dǎo)體、YBa2Cu3Ox(YBCO,Y-123)超導(dǎo)體以及MgB2超導(dǎo)體等三種超導(dǎo)材料比較有實(shí)用價(jià)值,其中被稱為第一代高溫超導(dǎo)材料的Bi-2223超導(dǎo)體以及第二代高溫超導(dǎo)材料YBCO涂層導(dǎo)體已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)并開始逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍。1.1bi-323超壓板材料Bi-2223超導(dǎo)體晶粒具有層化結(jié)構(gòu),可以利用機(jī)械變形來獲得具有較好晶體取向的細(xì)線(帶)材。此外,熱處理能夠促進(jìn)材料致密化,并且彌合在變形加工中所產(chǎn)生的裂痕,從而改善晶粒間的連接性。Bi-2223的這種優(yōu)點(diǎn)使得人們可以方便地采用粉末套管法(Powderintube,PIT)制備細(xì)長線(帶)材。鉍系高溫超導(dǎo)線材產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)在于如何保證長導(dǎo)線的性能均勻性和減少超導(dǎo)線在機(jī)加工過程中的微裂紋以及熱處理過程中的起泡等缺陷,而上述缺陷的解決是世界性技術(shù)難題,目前只有美國超導(dǎo)公司以及日本住友電氣株式會社(SEI)等較好地解決了這個(gè)問題,此外具備超導(dǎo)線材工業(yè)化生產(chǎn)能力的還有中國的北京英納超導(dǎo)公司等。隨著超導(dǎo)工業(yè)化生產(chǎn)所帶來成本的降低,第一代Bi-2223超導(dǎo)線材已經(jīng)在電力醫(yī)療等方面有了較成熟的應(yīng)用。當(dāng)前,制約Bi-2223超導(dǎo)線材廣泛應(yīng)用的因素主要為其強(qiáng)磁場應(yīng)用的局限性。鉍系高溫超導(dǎo)帶材強(qiáng)烈的各向異性使得它的不可逆磁場小(77K下約0.2T),亦即其臨界電流Ic受磁場影響較大。因此,Bi-2223超導(dǎo)線材可能是超導(dǎo)大規(guī)模應(yīng)用前的一種過渡材料。但不可忽視的是,若Bi-2223超導(dǎo)線材的價(jià)格降至50美元/(kA·m),即與銅導(dǎo)線價(jià)格(20美元/(kA·m))相當(dāng)(使用成本)時(shí),超導(dǎo)材料單位面積高載流能力所帶來的巨大的體積以及重量優(yōu)勢無疑仍是最大看點(diǎn),在能將其完全取代的新材料出現(xiàn)之前,Bi-2223仍將是最有前途的超導(dǎo)材料。具備或曾經(jīng)具備第一代高溫超導(dǎo)帶材量產(chǎn)能力的公司主要有日本住友電工和美國超導(dǎo)公司。日本住友電氣認(rèn)為Bi-2223超導(dǎo)線材在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)仍將具有無法取代的優(yōu)勢,仍在繼續(xù)擴(kuò)大其一代線材的產(chǎn)能。目前日本住友公司所量產(chǎn)Bi-2223線性能可達(dá)到180A以上(77K,0T),價(jià)格為30美元/m,約167美元/(kA·m),與市場所能接受的50美元/(kA·m)差距較大,其成本降低的壓力仍然較大,但受工藝所限(包套合金為貴重金屬),預(yù)計(jì)短期內(nèi)成本降低區(qū)間有限,因此使用成本過高仍是其得到大規(guī)模廣泛應(yīng)用的瓶頸。而走在Bi-2223超導(dǎo)線材產(chǎn)業(yè)化前列的美國超導(dǎo)公司早在2003年即在Debens建成了世界上第一條全尺寸生產(chǎn)線,形成20000kmBi-2223超導(dǎo)線材的生產(chǎn)能力。然而,由于其更看好第二代高溫超導(dǎo)帶材(YBCO材料)的前景,在2005年前后即停止了Bi-2223超導(dǎo)線材的生產(chǎn),集中精力致力于YBCO超導(dǎo)帶材的規(guī)模生產(chǎn)?？傊?在性能更好、價(jià)格更便宜的超導(dǎo)材料出現(xiàn)以前,人們不得不“容忍”第一代高溫超導(dǎo)材料的強(qiáng)磁應(yīng)用局限、價(jià)格較高等缺點(diǎn),尋求使用性價(jià)比較高的特殊應(yīng)用(如軍事)領(lǐng)域或者未來具備較大應(yīng)用空間和較好應(yīng)用前景的領(lǐng)域,廣泛開展高溫超導(dǎo)材料的工程化應(yīng)用技術(shù)研究工作。1.2第二代高溫超導(dǎo)劑的應(yīng)用前景展望較之第一代鉍系高溫超導(dǎo)帶材,第二代釔系帶材具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)較高的不可逆場。YBCO導(dǎo)體在77K下不可逆場可高達(dá)7T,Bi-2223在相同溫度下的不可逆場只有0.3T左右,因此,不同于Bi-2223導(dǎo)體,YBCO導(dǎo)體可實(shí)現(xiàn)在液氮溫區(qū)的強(qiáng)電應(yīng)用;(2)強(qiáng)磁場下較強(qiáng)的載流能力。高溫超導(dǎo)線材導(dǎo)電能力是同樣銅電纜的150倍,采用第二代高溫超導(dǎo)電纜,電力裝置的尺寸將顯著縮小,更輕便、更高效;(3)較低的工業(yè)成本。銅導(dǎo)體約為10～25美元/kA·m,第二代釔系高溫超導(dǎo)帶材最終市場價(jià)格預(yù)期將低于10美元/kA·m,銅、第一代及第二代高溫超導(dǎo)線材的價(jià)格預(yù)測如圖1所示;(4)更好的機(jī)械性能。因此,第二代釔系帶材極具開發(fā)前景。目前,世界上已實(shí)現(xiàn)第二代高溫超導(dǎo)線量產(chǎn)的公司主要有美國超導(dǎo)公司、德國EHTS公司(已合并入Bruker公司)以及日本的SuperPower公司等,其線材的性能參數(shù)見表1所示。隨著研究的深入,第二代高溫超導(dǎo)線的性能還在不斷提升,同時(shí)價(jià)格進(jìn)一步降低。如美國超導(dǎo)公司AMSC在2012年10月宣布所生產(chǎn)的4.4mm寬的Amperium二代超導(dǎo)線材的載流能力翻倍,由之前的100A增加到200A,而價(jià)格卻大幅下降。二代超導(dǎo)線材的性價(jià)比提高將大大推進(jìn)其實(shí)用化進(jìn)程。與此同時(shí),我國也在加緊第二代高溫超導(dǎo)帶材的研制開發(fā),并取得了一定進(jìn)展。2011年1月上海交通大學(xué)研發(fā)成功百米級的第二代高溫超導(dǎo)帶材,并計(jì)劃在2015年掌握千米級第二代高溫超導(dǎo)帶材的核心制備技術(shù),同時(shí)載流能力再提高4倍以上。同年初,江蘇永鼎股份有限公司集合中外技術(shù)專家團(tuán)隊(duì)和創(chuàng)投公司設(shè)立力鼎新材料有限公司,進(jìn)軍以第二代高溫超導(dǎo)線材為主的超導(dǎo)線材、裝備及超導(dǎo)電力裝備等的研發(fā)生產(chǎn)。預(yù)計(jì)到2013年可以具備第二代高溫超導(dǎo)線材的量產(chǎn)能力,成本控制在100～200美元/kAm。總之,隨著應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛、未來成本更低的第二代高溫超導(dǎo)帶材的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷加快,超導(dǎo)材料的應(yīng)用前景將逐步明晰起來,如36.5MW高溫超導(dǎo)電機(jī)的研制成功、國內(nèi)外多個(gè)超導(dǎo)電纜示范項(xiàng)目的演示成功、數(shù)十個(gè)故障限流器的成功掛網(wǎng)運(yùn)行等,世界各地的超導(dǎo)應(yīng)用項(xiàng)目正如火如荼地進(jìn)行。2高材料應(yīng)用2.1提高了艦隊(duì)營運(yùn)效益超導(dǎo)電機(jī)之所以受到海軍和海上運(yùn)輸部門的高度重視是因?yàn)樗葌鹘y(tǒng)電機(jī)(銅線繞組)體積小、重量輕、噪音低、效率高、制造成本低和營運(yùn)成本較低。對海軍艦船而言,減少推進(jìn)裝置的體積意味著可增加武器、傳感器和燃料的裝載量,可提高艦艇的戰(zhàn)斗力,減少艦艇的排水量,提高機(jī)動性和隱蔽性,改善艇員的居住條件;對商船而言,由于節(jié)省了空間,可裝載更多貨物和旅客,從而提高了營運(yùn)效益。艦船推進(jìn)高溫超導(dǎo)電機(jī)研制是一項(xiàng)復(fù)雜的多材料集成技術(shù),除美國已經(jīng)掌握了電機(jī)研制的核心材料及其技術(shù)并研制出了實(shí)用樣機(jī)外外,歐洲、韓國、日本等均處于模型樣機(jī)研制階段。中國則在前不久由中船重工七一二所和七二五所聯(lián)合研制成功了中國國內(nèi)首臺兆瓦級高溫超導(dǎo)電機(jī),中國也成為繼美國等國家之后掌握大功率高溫電機(jī)制造關(guān)鍵技術(shù)的國家。2.1.1高溫超導(dǎo)劑mwmwmw美國海軍艦用高溫超導(dǎo)電機(jī)的研制經(jīng)歷了概念樣機(jī)——模型樣機(jī)——實(shí)用樣機(jī)的過程。其中在2003年2月28日由美國海軍研究署批準(zhǔn)的36.5MW艦船推進(jìn)高溫超導(dǎo)電機(jī)尤為引人矚目,該項(xiàng)目旨在為美海軍下一代水面及水下艦艇動力系統(tǒng)的升級提供技術(shù)支撐,即驗(yàn)證超導(dǎo)電機(jī)在艦船上應(yīng)用的可行性。36.5MW超導(dǎo)電機(jī)項(xiàng)目原批復(fù)經(jīng)費(fèi)7000萬美元,但項(xiàng)目最終耗資超過1億美元。2007年,美國超導(dǎo)公司(AMSC)宣布36.5MW艦船推進(jìn)高溫超導(dǎo)電機(jī)研制成功,圖2為超導(dǎo)電機(jī)實(shí)圖。圖3為測試中的36.5MW艦船推進(jìn)高溫超導(dǎo)電機(jī)。結(jié)果表明,高溫超導(dǎo)電機(jī)達(dá)到了如下效果:(1)減重,重約70t的高溫超導(dǎo)電機(jī)減重達(dá)到預(yù)期目標(biāo)——超過50%,實(shí)際上同樣功率的傳統(tǒng)電機(jī)重量則超過200t。(2)減體積,36.5MW超導(dǎo)電機(jī)是傳統(tǒng)電機(jī)體積的50%左右。(3)降噪,降低噪音超過75%以上。(4)增效,可比傳統(tǒng)電機(jī)的效率提高30%以上。具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的36.5MW高溫超導(dǎo)電機(jī)的測試結(jié)果使得美國海軍信心倍增,其迫不及待地于2008年即委托美國超導(dǎo)公司開始著手真正實(shí)用化的42MW高溫超導(dǎo)電機(jī)的研制,該型超導(dǎo)電機(jī)預(yù)計(jì)將應(yīng)用于其下一代水面艦艇—DDX導(dǎo)彈驅(qū)逐艦。2.1.2國內(nèi)保元柱高溫超導(dǎo)劑的研制2010年起,中船重工712所開展了MW級高溫超導(dǎo)電機(jī)的研制工作。其中,由中船重工725所負(fù)責(zé)超導(dǎo)電機(jī)關(guān)鍵部件——超導(dǎo)磁極的研制工作,項(xiàng)目組相繼突破了高溫超導(dǎo)材料無損自動繞制技術(shù)研究、高溫超導(dǎo)磁極強(qiáng)固技術(shù)研究、高溫超導(dǎo)材料連接技術(shù)研究等關(guān)鍵技術(shù),研制出了國內(nèi)首臺高溫超導(dǎo)材料大變徑、無損、自動繞制裝置,并于2011年成功研制出了國內(nèi)首個(gè)MW級高溫超導(dǎo)電機(jī)磁極(圖4)。隨后,712所制造出了國內(nèi)首臺兆瓦級高溫超導(dǎo)電機(jī)(圖5)并實(shí)現(xiàn)滿負(fù)載試車一次成功,這也標(biāo)志著我國成為世界上繼美國等國之后掌握高溫超導(dǎo)電機(jī)核心制造技術(shù)的國家。隨著超導(dǎo)線載流能力的提高和低溫技術(shù)的發(fā)展,以及超導(dǎo)線生產(chǎn)和制冷技術(shù)成本的降低,超導(dǎo)電機(jī)的實(shí)用化程度將逐步提高。據(jù)預(yù)測,到2020年,高溫超導(dǎo)電機(jī)的市場占有率將達(dá)到75%。由于超導(dǎo)電機(jī)在尺寸、重量和效率等方面的優(yōu)勢,其在艦船、磁懸浮列車等的推進(jìn)系統(tǒng)會率先獲得應(yīng)用,為交通運(yùn)輸、軍事應(yīng)用等方面提供理想動力。2.2海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)電可再生、無污染的特點(diǎn)以及成本的持續(xù)下降使其很可能成為未來最經(jīng)濟(jì)、最潔凈的能源。從國內(nèi)情況來看,中國水電資源約3.7億kW,而目前我國可開發(fā)的風(fēng)能資源約10億kW,其中陸地可開發(fā)風(fēng)能資源2.5億kW,海上7.5億kW,擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?008年起,全球各國開始爭相發(fā)展海上風(fēng)電項(xiàng)目。海上風(fēng)電顯著區(qū)別于陸上風(fēng)電之處在于風(fēng)機(jī)功率不同,我國國家能源局新能源司副司長史立山認(rèn)為陸上風(fēng)電的主力機(jī)型為3MW,海上風(fēng)電則應(yīng)該超過5MW及其以上。隨著海上風(fēng)機(jī)安裝地點(diǎn)離海岸越來越遠(yuǎn),超大型風(fēng)機(jī)將是發(fā)展的必然趨勢。為了解決超大型風(fēng)機(jī)的體積、重量大的問題,將超導(dǎo)技術(shù)用于海上風(fēng)力發(fā)電的項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。繼2011年美國超導(dǎo)公司推出首臺革命性的10MW高溫超導(dǎo)風(fēng)機(jī)SeaTitanTM樣機(jī)后,美國還將繼續(xù)研制20MW的超導(dǎo)風(fēng)機(jī),并且所使用的技術(shù)將會是全新的技術(shù)。國內(nèi)在該方面的研究也正在開展。2012年,國內(nèi)著名電機(jī)制造商東方電氣開始與美國超導(dǎo)公司(AMSC)開展合作,聯(lián)合設(shè)計(jì)5.5MW海上風(fēng)機(jī)。綜合來看,超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是目前業(yè)內(nèi)較為重視的一個(gè)超導(dǎo)應(yīng)用領(lǐng)域,始終走在世界前列的美國超導(dǎo)公司更是高調(diào)進(jìn)入該領(lǐng)域,在全球市場不斷尋求合作伙伴,廣泛布局。超導(dǎo)風(fēng)電預(yù)計(jì)是除艦船推進(jìn)電機(jī)外另外一個(gè)較為可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的領(lǐng)域。2.3提高系統(tǒng)穩(wěn)定性高溫超導(dǎo)電纜具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)損耗低高溫超導(dǎo)電纜的導(dǎo)體損耗不足常規(guī)電纜的1/10,加上制冷的能量損耗,其運(yùn)行總損耗也僅為常規(guī)電纜的50%～60%;(2)容量大高溫超導(dǎo)電纜截面的電流輸送能力是常規(guī)電纜的3～5倍;(3)結(jié)構(gòu)緊湊所需送電通道將遠(yuǎn)小于常規(guī)電纜;(4)在短時(shí)間內(nèi)可耐受短路電流,允許過載周期較長,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性;(5)減少雜散電場和磁場。采用高溫超導(dǎo)電纜將能有效地保證電力艦船大容量、高穩(wěn)定性、損耗小和結(jié)構(gòu)緊湊的需要。近年來,中國線纜制造業(yè)飛速發(fā)展,以每年15%～20%的速度遞增,保持全球名列第一的7000億元的產(chǎn)值。電線電纜行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料表明,我國10kV及以上交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的年需求量約為10萬公里,假如其總量的5%被高溫超導(dǎo)電纜所取代,則高溫超導(dǎo)電纜在我國每年的需求總量將會達(dá)到5000km,最近幾年國內(nèi)電纜系統(tǒng)高溫超導(dǎo)二代線材需求量如圖6所示。超導(dǎo)電纜在電網(wǎng)上的大面積應(yīng)用,使得電壓不用升得太高,損耗可以大大減小,將根本解決“西電東送”等長距離大容量送電問題。三到五年內(nèi),中國還應(yīng)該營建10～20條超導(dǎo)電纜系統(tǒng),此后可以在城市中心地帶營建5萬公里的超導(dǎo)電網(wǎng)解決配電網(wǎng)的升級問題,并逐步在10～20年內(nèi)將我國的骨干電網(wǎng)更新為超導(dǎo)電網(wǎng)。世界銀行也曾預(yù)測,2020年,高溫超導(dǎo)電纜將取代80%的城市傳統(tǒng)地下電纜,世界市場超導(dǎo)電纜銷售額將達(dá)300億美元。2.4sq對磁的測量除強(qiáng)電領(lǐng)域外,超導(dǎo)技術(shù)在弱電領(lǐng)域也獲得了較為廣泛的應(yīng)用。以超導(dǎo)磁異常探測為例,利用Josephson效應(yīng)和磁通量子化效應(yīng)制備的超導(dǎo)量子干涉儀(superconductingquantuminterferencedevice,SQUID)可用于極微弱磁信號以及能轉(zhuǎn)化成磁信號的其他物理量的測量,包括電流、電壓、電阻、電感、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場梯度、磁化率、溫度、位移等,因此已用于生物磁測量、地磁測量、磁通顯微鏡、無損檢測、航空磁探等方面,在醫(yī)療、礦產(chǎn)勘探、制造業(yè)、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。目前最好的高溫超