高溫超導(dǎo)體國內(nèi)外現(xiàn)狀

./國外超導(dǎo)材料技術(shù)研發(fā)概況新材料產(chǎn)業(yè)網(wǎng)

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2010-9-1015:17:03來源:新材料產(chǎn)業(yè)網(wǎng)超導(dǎo)材料技術(shù)是21世紀(jì)具有戰(zhàn)略意義的高新技術(shù),極具發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)前景。世界各主要國家政府紛紛制訂相關(guān)計(jì)劃和加大研發(fā)投資,推動(dòng)基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。一、美國美國能源部〔DOE〕早在1988年就創(chuàng)建了超導(dǎo)計(jì)劃,該計(jì)劃將高科技公司、國家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)結(jié)合起來,進(jìn)行具有高度復(fù)雜性的高溫超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用研發(fā)工作,并在此基礎(chǔ)上于1993年底制定了超導(dǎo)伙伴計(jì)劃〔SuperconductivityPartnershipInitiative,SPI〕。SPI是整個(gè)超導(dǎo)計(jì)劃的一部分,目的是加速高溫超導(dǎo)〔Hightemperaturesuperconductors,HTS〕電力設(shè)備走進(jìn)市場(chǎng)。DOE在20xx9月24日宣布了新一輪的高溫超導(dǎo)計(jì)劃——SPI二期,投入總資金達(dá)1.17億美元,支持高溫超導(dǎo)商業(yè)化示X電纜、100MVA高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、1000英尺、3相長距離高溫超導(dǎo)輸電電纜、高溫超導(dǎo)變壓器、高溫超導(dǎo)核磁共振成像裝置、超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能裝置、高溫超導(dǎo)磁分離器等7個(gè)項(xiàng)目的研發(fā)。20xx7月,DOE在公布的《‘Grid2030’ANationalVisionforElectricity’sSecond100Years》報(bào)告中,把高溫超導(dǎo)技術(shù)列為美國電力網(wǎng)絡(luò)未來30年中發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。該計(jì)劃制訂了20xx、2020年和2030年美國在電力方面高溫超導(dǎo)的發(fā)展目標(biāo)〔表1〕,其中在2020年前希望在HTS發(fā)電機(jī)、變壓器和電纜方面具有顯著改善,并完成長距離超導(dǎo)傳輸電纜；2030年前建成國家超導(dǎo)主干輸電網(wǎng)絡(luò)。表1美國DOE電力方面高溫超導(dǎo)的發(fā)展目標(biāo)

DOE于20xx1月發(fā)布了2005-2009財(cái)年的超導(dǎo)電力系統(tǒng)項(xiàng)目計(jì)劃,主要涉與高性能、低成本高溫超導(dǎo)線的研究、工業(yè)界的超導(dǎo)合作以與戰(zhàn)略研究3個(gè)方面,并實(shí)施電力傳輸穩(wěn)定性計(jì)劃〔PowerDeliveryReliabilityInitiative,PDRI〕、導(dǎo)線設(shè)計(jì)與工程計(jì)劃〔ConductorDesign&EngineeringInitiative,CDEI〕、低溫學(xué)計(jì)劃〔CryogenicsInitiative〕等。2005-2009財(cái)年高溫超導(dǎo)電纜和器件的發(fā)展目標(biāo)如表2。

表22005-2009財(cái)年高溫超導(dǎo)電纜和器件發(fā)展目標(biāo)20xx6月,DOE發(fā)布了超導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ)研究需求報(bào)告,指出了超導(dǎo)技術(shù)在應(yīng)用、渦旋物質(zhì)〔vortexmatter〕、超導(dǎo)理論、新現(xiàn)象和超導(dǎo)材料5個(gè)方面的基礎(chǔ)研究挑戰(zhàn),明確了新超導(dǎo)體的探索與發(fā)現(xiàn)、原子級(jí)超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與性能控制、優(yōu)化超導(dǎo)材料輸電能力、理解和開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)電子相、超導(dǎo)性能與超導(dǎo)體理論預(yù)測(cè)、揭示高Tc超導(dǎo)性的基本理論、發(fā)展渦旋物質(zhì)科學(xué)等未來7個(gè)優(yōu)先研究方向,以與合成、表征、理論集成新工具和超導(dǎo)支撐材料2個(gè)交叉研究方向。表3為美國超導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn),表4為DOE確定的未來優(yōu)先研究方向和面臨的挑戰(zhàn)。表3超導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

表4優(yōu)先研究方向和挑戰(zhàn)

DOE電力傳輸與能源可靠性局20xx設(shè)立了分布式能源項(xiàng)目,超導(dǎo)磁體能源存儲(chǔ)技術(shù)是能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。電力傳輸與能源可靠性局2009財(cái)年的預(yù)算申請(qǐng)額為1.34億美元,用于對(duì)電力傳輸與分布系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)代化改造,使其更加安全、可靠、高效。2009財(cái)年預(yù)算分配1.002億美元用于超導(dǎo)電纜和儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)活動(dòng),以增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性、減少運(yùn)行中斷的頻率和持續(xù)時(shí)間并提高效率。美國有眾多的研究機(jī)構(gòu)和研究小組從事超導(dǎo)材料技術(shù)的研發(fā)工作,特別是DOE的一些國家實(shí)驗(yàn)室,表5簡單列出了美國主要超導(dǎo)材料技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)與其研究方向。表5美國主要超導(dǎo)材料技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)與其研究方向二、日本日本在1987年9月建立了Super-GM〔EngineeringResearchAssociationforSuperconductiveGenerationEquipmentandMaterials〕計(jì)劃,其長期目標(biāo)是發(fā)展超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)與相關(guān)的電力應(yīng)用。1988年,日本成立了國際超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究中心〔InternationalSuperconductivityTechnologyCenter,ISTEC〕,致力于有關(guān)超導(dǎo)技術(shù)的調(diào)查研究和基礎(chǔ)研究開發(fā)以與國際交流的促進(jìn)。為推動(dòng)日本產(chǎn)業(yè)進(jìn)行持續(xù)和獨(dú)立自主的技術(shù)創(chuàng)新,保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省20xx3月首次制定了國家層面的"戰(zhàn)略技術(shù)路線圖",確定了20項(xiàng)戰(zhàn)略重點(diǎn)技術(shù)；20xx4月,又新增了超導(dǎo)技術(shù)、能源、癌癥對(duì)策與人性化技術(shù)等4項(xiàng)戰(zhàn)略重點(diǎn)技術(shù)；20xx又增至25項(xiàng),分屬信息與通訊、生命科學(xué)、環(huán)境與能源、納米技術(shù)與材料、制造業(yè)等5個(gè)領(lǐng)域。超導(dǎo)技術(shù)的戰(zhàn)略路線圖提出了要在2020年實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)技術(shù)為社會(huì)服務(wù)的前景。其進(jìn)度預(yù)期為：20xx大多數(shù)超導(dǎo)技術(shù)開始進(jìn)入應(yīng)用,而在2020年達(dá)到普與。由于超導(dǎo)技術(shù)牽涉面廣,該路線圖分為4個(gè)部分：①能源電力〔發(fā)電技術(shù)、輸配電技術(shù)、能源儲(chǔ)存技術(shù)〕；②工業(yè)交通〔磁場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)、計(jì)測(cè)儀器技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、列車用變壓器技術(shù)〕；③醫(yī)療診斷〔磁體應(yīng)用技術(shù)、加速器應(yīng)用技術(shù)、高頻器件技術(shù)、SQUID應(yīng)用技術(shù)〕；④信息通訊〔計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器技術(shù)、無線存取訪問機(jī)器技術(shù)、計(jì)測(cè)儀器技術(shù)〕。同時(shí),把超導(dǎo)線材、塊材、器件以與制冷與低溫技術(shù)作為公共基礎(chǔ)技術(shù)劃分出來。日本超導(dǎo)技術(shù)戰(zhàn)略路線圖明確闡述了超導(dǎo)技術(shù)每一個(gè)領(lǐng)域所要發(fā)展的核心技術(shù)與其時(shí)間表。日本新能源產(chǎn)業(yè)綜合技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)〔NEDO〕對(duì)超導(dǎo)技術(shù)研究項(xiàng)目進(jìn)行了大力支持,近年開展的超導(dǎo)技術(shù)研究項(xiàng)目見表6。表7為日本超導(dǎo)材料技術(shù)主要組織與其研發(fā)方向。表6NEDO超導(dǎo)技術(shù)研究項(xiàng)目

表7日本超導(dǎo)材料技術(shù)主要組織與其研發(fā)方向三、歐洲歐洲為促進(jìn)超導(dǎo)電力技術(shù)和超導(dǎo)材料技術(shù)的發(fā)展,也批準(zhǔn)了超導(dǎo)電力聯(lián)接計(jì)劃〔SUPERPOLI計(jì)劃〕和歐洲超導(dǎo)技術(shù)公司合作計(jì)劃〔CONECDUC計(jì)劃〕的實(shí)施。歐盟于1997年開展了超導(dǎo)電性歐洲網(wǎng)〔EuropeanNetworkofSuperconductivity,SCENET〕,共分為2個(gè)階段,第一階段為1997-20xx,第二階段為2002-20xx,研發(fā)基金由歐盟提供,共涉與14個(gè)歐洲國家的42個(gè)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和21工業(yè)卓越中心。目標(biāo)是為歐洲超導(dǎo)研究區(qū)建立一個(gè)組織,收集和傳播超導(dǎo)信息,進(jìn)行研究和預(yù)測(cè),為技術(shù)和科學(xué)討論提供一個(gè)平臺(tái),促進(jìn)科技轉(zhuǎn)讓,并提升產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界溝通。20xx,歐洲基金會(huì)〔Europeansciencefoundation,ESF〕發(fā)布了2007-20xx的超導(dǎo)納米科學(xué)與工程項(xiàng)目計(jì)劃〔NanoscienceandEngineeringinSuperconductivity,NES〕,涉與15個(gè)歐洲國家、68個(gè)研究團(tuán)隊(duì),項(xiàng)目共分為5個(gè)主題：①納米尺度超導(dǎo)電性演變,納米孔等有限區(qū)域超流態(tài)；②超導(dǎo)態(tài)－正常態(tài)〔SN〕和超導(dǎo)態(tài)－磁態(tài)〔SM〕混合納米系統(tǒng)的超導(dǎo)性；③納米結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體和SN/SM混合納米系統(tǒng)的受限通量〔Confinedflux〕；④弱耦合超導(dǎo)冷凝物的Josephson效應(yīng)和隧道效應(yīng)；⑤磁通量子、超導(dǎo)器件基本原理研究。NES綜合研究設(shè)施和技術(shù)包括5個(gè)層次：第一層為現(xiàn)代樣品制備和納米結(jié)構(gòu)技術(shù)；第二層為渦旋可視化局部探針技術(shù)和納米尺度冷凝物波動(dòng)函數(shù)成像；第三層為下一代共享研究設(shè)施；第四層為新應(yīng)用開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；第五層為理論方法和技術(shù)。表8為歐洲主要研發(fā)機(jī)構(gòu)與其研發(fā)方向。表8歐洲主要研發(fā)機(jī)構(gòu)與其研發(fā)方向四、韓國韓國政府在啟動(dòng)"21世紀(jì)前沿研發(fā)計(jì)劃"〔21CFrontierR&DProgram〕時(shí),明確表示要選擇一些高新技術(shù)與產(chǎn)業(yè),加大力度開發(fā),以期望得到快速改變。20xx7月,韓國科技部成立了超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)中心〔CenterforAppliedSuperconductivityTechnology,CAST〕作為21世紀(jì)前沿研發(fā)計(jì)劃中的一部分,主要任務(wù)就是發(fā)展、促進(jìn)和利用商業(yè)化超導(dǎo)技術(shù),負(fù)責(zé)管理"應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展先進(jìn)能源系統(tǒng)"計(jì)劃〔DevelopmentofAdvancedPowersystembyAppliedSuperconductivitytechnologies,DAPAS〕的實(shí)施。DAPAS計(jì)劃在20xx前發(fā)展和商業(yè)化HTS線、以與超導(dǎo)地下電纜、變壓器、限流器、馬達(dá)等超導(dǎo)能源設(shè)備,為社會(huì)貢獻(xiàn)一個(gè)環(huán)境良好、能源損耗小且高等級(jí)信息社會(huì)的能源架構(gòu)體系。表9和表10分別為DAPAS的階段目標(biāo)和工作分工,DAPAS計(jì)劃發(fā)展路線圖見圖2。在DAPAS實(shí)施過程中,韓國電工技術(shù)研究院〔KERI〕是領(lǐng)導(dǎo)實(shí)施的獨(dú)立機(jī)構(gòu),負(fù)責(zé)擬定研究目標(biāo)和實(shí)施計(jì)劃、挑選和評(píng)審各個(gè)項(xiàng)目,包括對(duì)外商授權(quán)委托提供超導(dǎo)線材和招標(biāo)引進(jìn)國外超導(dǎo)技術(shù)。KERI將以10年的時(shí)間完成韓國的商業(yè)化高溫超導(dǎo)產(chǎn)品研制,并實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)線材的自供能力。表9DAPAS階段目標(biāo)

表10DAPAS計(jì)劃工作分工

圖2DAPAS計(jì)劃發(fā)展路線圖五、其它國家澳大利亞、以色列等國家對(duì)超導(dǎo)材料技術(shù)的研究也由來已久,并且也取得了一定的成績。澳大利亞伍侖貢大學(xué)超導(dǎo)和電子材料中心主要從事超導(dǎo)和電子材料的研究,目標(biāo)是建立世界一流的材料技術(shù)與制造多學(xué)科研究團(tuán)隊(duì),提高新興材料技術(shù)的商業(yè)化發(fā)展?jié)摿?強(qiáng)化和發(fā)展國際合作關(guān)系,提供良好的大學(xué)生教育和培訓(xùn)。主要研究小組有應(yīng)用超導(dǎo)小組、能源儲(chǔ)存小組、自旋和電子材料小組、薄膜技術(shù)小組、納米結(jié)構(gòu)小組和Tweahertz科學(xué)與固態(tài)物理小組。超導(dǎo)材料技術(shù)方面的主要研究有：HTS技術(shù)與應(yīng)用,HTS和MgB2線材帶材制作與應(yīng)用,HTS和MgB2超導(dǎo)體的微結(jié)構(gòu)、通量釘扎和臨界電流密度,HTS和MgB2超導(dǎo)體粉末工藝和表征,HTS薄膜技術(shù)等。