物理所发布《2025年度REBCO高温超导带材战略研究报告》

1月26日，物理所正式发布《2025年度REBCO高温超导带材战略研究报告》。这是国际首个聚焦高温超导带材发展的战略研究报告，系统梳理了稀土钡铜氧（REBCO）高温超导带材在全球范围内的研发、产业化与应用现状，并首次凝练提出了该领域面临的“十大关键科学技术问题”，为实现高温超导材料的大规模应用提供了清晰的路线图。

超导材料具有零电阻和完全抗磁性等非凡特性，被视为21世纪极具战略价值的前沿材料，在能源、交通、医疗、科研等多个关键领域有广阔应用前景，是推动未来技术突破的重要基石。然而，传统超导材料需要在极低的液氦温度（-269℃）下工作，制冷成本高且依赖稀缺的氦资源。因此，过去几十年里，超导技术的应用一直局限于大型科研装置（如粒子加速器）和高端医疗设备（如核磁共振仪）等少数领域。

而以REBCO为代表的高温超导材料的临界温度高于液氮温度（-196℃），制冷成本大幅降低，同时在承载电流和抵抗磁场方面性能显著提升，为更大规模应用奠定了基础。自2006年实现商业化制备以来，REBCO高温超导带材在磁约束核聚变、高端医疗设备、大科学装置及超导电力设备等多个领域展现出重要应用潜力。

尽管REBCO高温超导带材已进入商业化初期，但性能仍有很大提升空间。当前高温超导带材是由合金基带、缓冲层、超导层和保护层组成的多层复合结构。未来发展的关键在于，系统推进材料、工艺与应用三者的协同创新，具体体现在：针对超导层，需优化内部结构以增强其在磁场中的载流能力；围绕基带、缓冲层和保护层，要着力改善强度与韧性的平衡、结构传导效率以及层间界面结合等问题；同时，必须发展可规模化、一致性高的制备工艺，实现带材的低成本、批量稳定生产，从而满足各领域日益增长的规模化应用需求。

更重要的是，报告还首次系统凝练出阻碍REBCO带材走向大规模应用的十大关键科学技术问题。这些问题源自对产业链从研发到应用的全链条深入调研，贯穿基带、缓冲层到超导功能层的整个材料体系，是连接基础研究与工程应用的“枢纽”；同时对照核聚变、超导电网等国家重大需求，报告分析现有材料与实际应用之间的差距，从而明确了从“能用”到“好用”所需攻克的具体方向。

报告的发布，将为中国高温超导领域明确关键攻关方向与实施路径，希望通过揭示这些核心科学技术问题，汇聚各界创新力量，协同突破，推动我国在高温超导领域实现从跟随到并行、最终迈向引领的跨越。

高温超导带材亟待解决的十大关键科学技术问题

1.如何大幅提升合金基带的屈服强度与疲劳耐受性以满足高场应用需求？

功能层：基带

当前商用基于哈氏合金基带的高温超导带材（屈服强度约650MPa@77K）在面向未来40T级以上极高场磁体时，其机械性能面临严峻挑战。高场强带来的巨大电磁力要求高温超导带材具有更高的屈服强度（1200MPa@77K以上）和优异的抗循环载荷能力。但现有哈氏合金材料的性能提升已接近其本征极限，这直接制约了下一代高场超导磁体的设计与安全运行。

2.如何突破各缓冲层材料在电学和热学性能方面的固有局限性？

功能层：缓冲层

当前REBCO超导带材中的缓冲层材料均为绝缘体，其电导率和热导率均处于较低水平。这一特性在带材实际运行中带来显著挑战：在电学方面，绝缘特性使缓冲层无法在电流冲击或局部失超时提供有效的分流路径；在热学方面，较低的热导率限制了超导层产生的热量向金属基带的快速扩散。这些因素共同影响了带材的稳定性和可靠性，成为制约超导带材整体性能提升的关键瓶颈之一。

3.在极薄厚度条件下如何实现IBAD织构的稳定性和长带均匀性控制？

功能层：缓冲层

IBAD-MgO缓冲层的厚度仅为数纳米，是获取高质量双轴织构的“取向源头”。但其织构形成对离子束参数（能量、角度、通量）和沉积条件极为敏感，工艺窗口较窄。在卷对卷连续生产中，微小的工艺波动或设备状态变化（如离子束均匀性、基带张力）都会导致织构退化，从而造成千米级长带性能（如临界电流）的显著不均匀和不可预测波动。

4.高速沉积环境下，不同帽子层的生长动力学及调控机理是什么？

功能层：缓冲层

在工业化高速沉积过程中，作为外延模板的帽子层（如LaMnO₃或CeO₂）表面原子迁移、界面反应等动力学过程与实验室低速条件截然不同。不同材质的帽子层与REBCO超导层在高温、高速下的晶格匹配行为、界面扩散机制尚不明确，这直接影响超导薄膜的初始成核、晶体质量和最终性能，是制约高速工艺稳定性和材料选择的关键基础问题。

5.如何提升帽子层与超导层之间的结合强度和力-电综合性能？

功能层：缓冲层

帽子层与REBCO超导层之间的异质界面是带材多层结构中的力学薄弱环节。在磁体制备和服役经历的热循环与电磁力作用下，易发生界面脱层，导致带材失稳或性能衰减。同时，界面处的微观结构也显著影响电流传输和磁通钉扎行为。界面结合强度不足与力-电性能的耦合衰退机制是影响带材工程应用可靠性的核心瓶颈之一。

6.如何建立针对不同工艺的钉扎中心形成理论，定制化适配不同应用场景的高性能REBCO带材？

功能层：超导层

在低温高场（如聚变磁体所需的4.2K, 20T）与高温低场（如电力传输的77K, 自场）等不同应用场景下，需要不同类型和分布的磁通钉扎中心以实现最优载流能力。然而，各类钉扎中心形成的热力学和动力学机制在不同工艺路线中差异显著，其控制与优化已成为各技术路线发展的共性瓶颈问题。针对PLD工艺，靶材的化学组分设计与PLD镀膜工艺参数的优化往往相互独立，缺乏系统性的协同调控理论；针对MOCVD工艺，其生长过程趋近于热力学平衡态，不同类型的钉扎中心的形成过程存在关联，钉扎中心形成与高温超导相生长同样存在协同和竞争关系，然而这种关系背后的机制并不清晰；针对MOD工艺，其异位生长的特点导致在热处理过程中钉扎中心容易发生团聚，难以控制钉扎中心的尺寸和类型，因此往往需要借助辐照等方法进行二次处理引入钉扎，但仍然无法达到令人满意的程度。

7.如何阐明“激光参数-等离子体羽辉-薄膜生长”的跨尺度物理机制，并构建可预测、可调控的工艺模型？

功能层：超导层

激光参数（能量密度、频率、波长）与动态沉积环境（背景气压、基带运动）共同决定了等离子体羽辉的时空演化特性，而羽辉的特性又直接控制着薄膜的生长动力学与最终微观结构。目前，对这一从等离子体羽辉激发到薄膜生长的具体物理、化学过程尚缺乏系统认知，特别是各环节间的定量关联机制不明确。这导致工艺优化严重依赖经验试错，难以实现对薄膜织构、缺陷密度及成分的精准控制，成为制约长带性能均匀性与重复性的根本瓶颈。

8.如何提升MOCVD系统的稳定性以保证带材性能的一致性？

功能层：超导层

利用MOCVD技术制备超导层时涉及长距离输送前驱体有机源，在该过程中前驱体浓度易波动、管路易堵塞，导致薄膜成分偏离。针对该问题，需研发高挥发性、低团聚的新型金属有机源，优化气路设计（如多通道独立温控），并开发基于光谱原位监测的闭环控制系统，实现RE/Ba/Cu化学计量比长期偏差<1%，保障千米级带材性能一致性。

9.如何厘清MOCVD制备中的多物理场耦合机制以提高超导层厚度和成分均匀性？

功能层：超导层

在MOCVD技术路线中，由于反应腔内的气流、温度、浓度场不均匀，导致超导薄膜的厚度和成分出现波动，针对该问题需建立涵盖流体动力学、传热传质与气相反应的多物理场耦合模型，优化喷淋头结构、基座加热方式与抽气布局等，实现12mm宽幅带材厚度均匀性>95%。

10.如何通过新材料与新结构突破当前REBCO带材的成本与性能瓶颈?

功能层：超导层

现有REBCO带材在降低成本、提升极端场下性能及拓展应用形式上遭遇瓶颈。需系统探索“宽带”与“双面膜”技术以提升载流效率；研发Cu1234等新型材料体系寻求更高临界参数；发展超导丝材以满足交流低损耗需求。通过前沿探索打破现有技术天花板，为下一代高温超导线带材提供材料和技术储备。

编辑：ThymolBlue