物理所發布《2025年度REBCO高溫超導帶材戰略研究報告》

1月26日，物理所正式發布《2025年度REBCO高溫超導帶材戰略研究報告》。這是國際首個聚焦高溫超導帶材發展的戰略研究報告，系統梳理了稀土鋇銅氧（REBCO）高溫超導帶材在全球范圍內的研發、產業化與應用現狀，并首次凝練提出了該領域面臨的“十大關鍵科學技術問題”，為實現高溫超導材料的大規模應用提供了清晰的路線圖。

超導材料具有零電阻和完全抗磁性等非凡特性，被視為21世紀極具戰略價值的前沿材料，在能源、交通、醫療、科研等多個關鍵領域有廣闊應用前景，是推動未來技術突破的重要基石。然而，傳統超導材料需要在極低的液氦溫度（-269℃）下工作，制冷成本高且依賴稀缺的氦資源。因此，過去幾十年里，超導技術的應用一直局限于大型科研裝置（如粒子加速器）和高端醫療設備（如核磁共振儀）等少數領域。

而以REBCO為代表的高溫超導材料的臨界溫度高于液氮溫度（-196℃），制冷成本大幅降低，同時在承載電流和抵抗磁場方面性能顯著提升，為更大規模應用奠定了基礎。自2006年實現商業化制備以來，REBCO高溫超導帶材在磁約束核聚變、高端醫療設備、大科學裝置及超導電力設備等多個領域展現出重要應用潛力。

盡管REBCO高溫超導帶材已進入商業化初期，但性能仍有很大提升空間。當前高溫超導帶材是由合金基帶、緩沖層、超導層和保護層組成的多層復合結構。未來發展的關鍵在于，系統推進材料、工藝與應用三者的協同創新，具體體現在：針對超導層，需優化內部結構以增強其在磁場中的載流能力；圍繞基帶、緩沖層和保護層，要著力改善強度與韌性的平衡、結構傳導效率以及層間界面結合等問題；同時，必須發展可規模化、一致性高的制備工藝，實現帶材的低成本、批量穩定生產，從而滿足各領域日益增長的規模化應用需求。

更重要的是，報告還首次系統凝練出阻礙REBCO帶材走向大規模應用的十大關鍵科學技術問題。這些問題源自對產業鏈從研發到應用的全鏈條深入調研，貫穿基帶、緩沖層到超導功能層的整個材料體系，是連接基礎研究與工程應用的“樞紐”；同時對照核聚變、超導電網等國家重大需求，報告分析現有材料與實際應用之間的差距，從而明確了從“能用”到“好用”所需攻克的具體方向。

報告的發布，將為中國高溫超導領域明確關鍵攻關方向與實施路徑，希望通過揭示這些核心科學技術問題，匯聚各界創新力量，協同突破，推動我國在高溫超導領域實現從跟隨到并行、最終邁向引領的跨越。

高溫超導帶材亟待解決的十大關鍵科學技術問題

1.如何大幅提升合金基帶的屈服強度與疲勞耐受性以滿足高場應用需求？

功能層：基帶

當前商用基于哈氏合金基帶的高溫超導帶材（屈服強度約650MPa@77K）在面向未來40T級以上極高場磁體時，其機械性能面臨嚴峻挑戰。高場強帶來的巨大電磁力要求高溫超導帶材具有更高的屈服強度（1200MPa@77K以上）和優異的抗循環載荷能力。但現有哈氏合金材料的性能提升已接近其本征極限，這直接制約了下一代高場超導磁體的設計與安全運行。

2.如何突破各緩沖層材料在電學和熱學性能方面的固有局限性？

功能層：緩沖層

當前REBCO超導帶材中的緩沖層材料均為絕緣體，其電導率和熱導率均處于較低水平。這一特性在帶材實際運行中帶來顯著挑戰：在電學方面，絕緣特性使緩沖層無法在電流沖擊或局部失超時提供有效的分流路徑；在熱學方面，較低的熱導率限制了超導層產生的熱量向金屬基帶的快速擴散。這些因素共同影響了帶材的穩定性和可靠性，成為制約超導帶材整體性能提升的關鍵瓶頸之一。

3.在極薄厚度條件下如何實現IBAD織構的穩定性和長帶均勻性控制？

功能層：緩沖層

IBAD-MgO緩沖層的厚度僅為數納米，是獲取高質量雙軸織構的“取向源頭”。但其織構形成對離子束參數（能量、角度、通量）和沉積條件極為敏感，工藝窗口較窄。在卷對卷連續生產中，微小的工藝波動或設備狀態變化（如離子束均勻性、基帶張力）都會導致織構退化，從而造成千米級長帶性能（如臨界電流）的顯著不均勻和不可預測波動。

4.高速沉積環境下，不同帽子層的生長動力學及調控機理是什么？

功能層：緩沖層

在工業化高速沉積過程中，作為外延模板的帽子層（如LaMnO?或CeO?）表面原子遷移、界面反應等動力學過程與實驗室低速條件截然不同。不同材質的帽子層與REBCO超導層在高溫、高速下的晶格匹配行為、界面擴散機制尚不明確，這直接影響超導薄膜的初始成核、晶體質量和最終性能，是制約高速工藝穩定性和材料選擇的關鍵基礎問題。

5.如何提升帽子層與超導層之間的結合強度和力-電綜合性能？

功能層：緩沖層

帽子層與REBCO超導層之間的異質界面是帶材多層結構中的力學薄弱環節。在磁體制備和服役經歷的熱循環與電磁力作用下，易發生界面脫層，導致帶材失穩或性能衰減。同時，界面處的微觀結構也顯著影響電流傳輸和磁通釘扎行為。界面結合強度不足與力-電性能的耦合衰退機制是影響帶材工程應用可靠性的核心瓶頸之一。

6.如何建立針對不同工藝的釘扎中心形成理論，定制化適配不同應用場景的高性能REBCO帶材？

功能層：超導層

在低溫高場（如聚變磁體所需的4.2K, 20T）與高溫低場（如電力傳輸的77K, 自場）等不同應用場景下，需要不同類型和分布的磁通釘扎中心以實現最優載流能力。然而，各類釘扎中心形成的熱力學和動力學機制在不同工藝路線中差異顯著，其控制與優化已成為各技術路線發展的共性瓶頸問題。針對PLD工藝，靶材的化學組分設計與PLD鍍膜工藝參數的優化往往相互獨立，缺乏系統性的協同調控理論；針對MOCVD工藝，其生長過程趨近于熱力學平衡態，不同類型的釘扎中心的形成過程存在關聯，釘扎中心形成與高溫超導相生長同樣存在協同和競爭關系，然而這種關系背后的機制并不清晰；針對MOD工藝，其異位生長的特點導致在熱處理過程中釘扎中心容易發生團聚，難以控制釘扎中心的尺寸和類型，因此往往需要借助輻照等方法進行二次處理引入釘扎，但仍然無法達到令人滿意的程度。

7.如何闡明“激光參數-等離子體羽輝-薄膜生長”的跨尺度物理機制，并構建可預測、可調控的工藝模型？

功能層：超導層

激光參數（能量密度、頻率、波長）與動態沉積環境（背景氣壓、基帶運動）共同決定了等離子體羽輝的時空演化特性，而羽輝的特性又直接控制著薄膜的生長動力學與最終微觀結構。目前，對這一從等離子體羽輝激發到薄膜生長的具體物理、化學過程尚缺乏系統認知，特別是各環節間的定量關聯機制不明確。這導致工藝優化嚴重依賴經驗試錯，難以實現對薄膜織構、缺陷密度及成分的精準控制，成為制約長帶性能均勻性與重復性的根本瓶頸。

8.如何提升MOCVD系統的穩定性以保證帶材性能的一致性？

功能層：超導層

利用MOCVD技術制備超導層時涉及長距離輸送前驅體有機源，在該過程中前驅體濃度易波動、管路易堵塞，導致薄膜成分偏離。針對該問題，需研發高揮發性、低團聚的新型金屬有機源，優化氣路設計（如多通道獨立溫控），并開發基于光譜原位監測的閉環控制系統，實現RE/Ba/Cu化學計量比長期偏差<1%，保障千米級帶材性能一致性。

9.如何厘清MOCVD制備中的多物理場耦合機制以提高超導層厚度和成分均勻性？

功能層：超導層

在MOCVD技術路線中，由于反應腔內的氣流、溫度、濃度場不均勻，導致超導薄膜的厚度和成分出現波動，針對該問題需建立涵蓋流體動力學、傳熱傳質與氣相反應的多物理場耦合模型，優化噴淋頭結構、基座加熱方式與抽氣布局等，實現12mm寬幅帶材厚度均勻性>95%。

10.如何通過新材料與新結構突破當前REBCO帶材的成本與性能瓶頸?

功能層：超導層

現有REBCO帶材在降低成本、提升極端場下性能及拓展應用形式上遭遇瓶頸。需系統探索“寬帶”與“雙面膜”技術以提升載流效率；研發Cu1234等新型材料體系尋求更高臨界參數；發展超導絲材以滿足交流低損耗需求。通過前沿探索打破現有技術天花板，為下一代高溫超導線帶材提供材料和技術儲備。

文章轉載自“中科院物理所”微信公眾號