稀土！REBCO高温超导带材：中国找到打开“人造太阳”的金钥匙

今天，想跟大家一起学习一份高难度科学研究报告，是最近中国科学院物理研究所发布的《2025年度稀土钡铜氧（REBCO）高温超导带材战略研究报告》，这是国际上首个聚焦于高温超导带材发展现状的战略研究报告，它系统性地梳理了稀土钡铜氧（REBCO）高温超导带材在全球范围内的研发、产业化和应用现状，中国科学家正在为实现高温超导材料的大规模应用提供一条清晰路线图。

这里就要首先引出两个极专业的材料学名称：

第一，什么是高温超导带材？

这是一种在相对较高温度下——通常是指液氮温区，约为-196℃，实现零电阻导电和完全抗磁性的先进功能材料，与需要在极低温，比如液氦温区，即-269℃，运行的传统超导材料相比，制冷成本将大幅度降低。

第二，什么是稀土钡铜氧（REBCO）？

也就是稀土钡铜氧化物，化学式为REBa₂Cu₃O₇₋ₓ（R-钡-2-铜-3-氧-7减x），RE代表稀土元素，如钇（Y）、钆（Gd）等，其临界温度高于液氮温度的-196℃，大幅降低了制冷成本和对稀缺氦资源的依赖，为超导技术从科研装置走向大规模应用提供了可能。

这类高温超导带材现在就以稀土钡铜氧（REBCO）为代表，它是呈数百米长、4–12毫米宽、几十至几百微米厚的超薄金属带状结构，属于涂层导体，其多层复合结构从下至上依次可以描述为4层：

•1，金属基带：通常采用镍（niè）钨合金或C276合金，提供机械支撑，占整体厚度约一半； •2，缓冲层：具有双轴织构的氧化物层，用于实现晶格匹配，保障超导层高质量生长； •3，超导层：约2微米厚的稀土钡铜氧（REBCO）薄膜，稀土钡铜氧属于中间层，这是实现零电阻和强载流能力的核心； •4，保护层：外层的银或铜层，防止氧化，并提升了热稳定性，部分产品还会加装紫铜或不锈钢铠装，以增强机械强度。

再然后，我们还要再引出另两个重要的物理名词：

其一，什么是零电阻导电？

这是指某些材料在特定条件下，比如在低温条件下，其电阻突然降为零的现象，电流可以在其中无损耗地持续流动，这种超导电性是超导材料最核心特性之一。

其二，什么是完全抗磁性？

又被称为迈斯纳效应，是超导材料的两大基本特性之一，另一特性就是零电阻——当材料温度降至临界温度以下，进入超导态时，内部磁感应强度会完全降为零，所有外部磁场被彻底排出体外，表现出了100%的抗磁。这种特性是由超导体表面自发产生无损耗的屏蔽电流，这些电流所产生的磁场恰好与外加磁场完全抵消，就实现体内磁通为零。

完全抗磁性的最典型应用就是超导磁悬浮，超导体在永磁轨道的上方可以实现自稳定悬浮，无需主动控制，已经在实验性轨道交通系统中得到了验证。

超导材料具有零电阻和完全抗磁性这样的非凡特性，所以被视为21世纪极具战略价值的前沿材料，它们在能源、交通、医疗、科研等多个关键领域有着广阔的应用前景，是推动未来高技术突破的重要基石。

但是，传统超导材料需要在极低的液氦温度，也就是要在-269℃以下工作，高出这个温度不成，所制冷成本极高，而且依赖稀缺的氦资源。所以过去几十年，超导技术的应用一直局限于大型的科研装置，比如粒子加速器，还高端医疗设备，像核磁共振仪，等等少数领域。

但是，现在中国科学家解决了一个大问题，就是以稀土钡铜氧为代表的高温超导带材的临界温度一下子高于了液氮温度，高出了接近70℃，达到了-196℃，这让制冷成本大幅度降低，同时，这种新的高温超导材料在承载电流和抵抗磁场方面性能又得到显著提升，这就为更大规模应用奠定了基础。

可以说，这是中国稀土科学研究又一次攀上巅峰。

自从2006年实现了商业化制备以来，稀土钡铜氧高温超导带材已经在磁约束核聚变、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，它的应用主要集中在两大方向：电力系统与磁体系统，而这两大方向又是中国的科研和应用的长项。

在电力系统中，稀土钡铜氧带材可用于制造超导电缆和故障限流器，能在液氮温度下实现大电流、低损耗输电，尤其适合城市电网升级改造；故障限流器能在电网短路时迅速限制电流，保障电网安全。

而在磁体系统中，稀土钡铜氧带材凭借其强磁场下载流能力强的特点，可应用于核聚变装置、高场磁共振成像、超导电机等重要设备。

那么，稀土钡铜氧这种高温超导带材为什么会比传统超导材料要强？

•首先，它的核心优势藏在层状晶体结构里，就像一个“超导三明治”：中间的CuO₂（铜氧2）层是电流核心区，外层的稀土、钡氧层是“电荷补给站”。这种结构让它直接碾压了传统超导材料。

•传统超导要在-269℃的液氦温区才能工作，液氦又贵还少；但稀土钡铅氧在-196℃的液氮温区就能实现超导，而液氮的价格是液氦的百分之一，商业化成本直接降下100倍，不是10倍20倍，而是100倍。

•还有，就是它最扛得住强磁场，临界磁场超20特斯拉（T）、电流密度达到了10⁶A/cm²（10的6次方安培每平方厘米），在强磁场里也能稳定超导，而传统超导在强磁场下早就失效了，所以正好能满足核聚变、超导电网的需求，达到了成本极低，却抗磁场能力极强。

•中国之所以选择了稀土钡铜氧为高温超导带材，不止是因为稀土提炼技术好，更是最贴合国情，战略精准卡位，稀土钡铜氧的核心原料是稀土、钡、铜，中国的产业链极为完整，全世界独一无二。

•同时，又正好匹配了国家最高需求，性能完美适配“人造太阳”，也就是核聚变需要强磁场约束等离子体，还有无损耗输电超导电网和9.4特斯拉（T）设备成像更精准高端MRI——在这些国家战略领域，达到了材料研发盯着国家需求走。

还需要同步的另一条线路上的信息是，中国现在在核聚变装置研究领域已经从过去的跟跑转变为并跑，而且还在部分技术方向上实现领跑，而在在稀土钡铜氧高温超导带材的突破，就更是巩固了领跑势态，整体处于国际第一方阵，是全球磁约束核聚变研究的核心力量之一。

合肥的EAST（东方超环）是全球首台全超导托卡马克装置

托卡马克（Tokamak）是一种利用环形磁场约束高温等离子体以实现可控核聚变的装置，被广泛认为是目前最接近实现商业聚变能的技术路径之一，核心目标是模拟太阳内部的核聚变过程，要在地球上点燃“人造太阳”。

合肥的EAST（东方超环）是全球首台全超导托卡马克装置在2025年实现了电子与离子温度均超1亿摄氏度、高约束模式运行达1066秒，创下稳态运行的世界纪录。

而成都的HL-3（环流三号）是中国规模最大、参数最高的先进托卡马克，具备堆芯级等离子体运行能力，2025年实现原子核与电子“双亿度”突破。

另一台同样位于合肥的BEST，即紧凑型燃烧等离子体实验装置，采用了高场强紧凑设计，目标在2027年完成建设，并开展氘氚燃烧实验，计划在2030年前后实现净能量增益与发电演示。

现在，中国的上海超导科技股份有限公司和西部超导材料科技股份有限公司已经能批量生产稀土钡铜氧（REBCO）带材，性能接近于国际水平，完全打破了海外垄断，且实验室成果快速落地。

虽然在国际上美国、日本在稀土钡铜氧（REBCO）量产上暂时还领先，但中国后发优势非常明显，因为我们正在把成本压下来，靠资源和市场规模，这种带材价格从10年前的每米几千元降到了百元级。

而且，我们的技术还在优化，中科院和清华还在啃临界电流密度和长带均匀性这些硬骨头，性能一定还会再提升。

所以，中科院把稀土钡铜氧（REBCO）定为了一个突破口，这不只是选了材料，而是选了条能落地、能自主、能领跑的路，达到了性能够强+资源可控+需求匹配+产业跟上，这样，中国超导就再不是实验室里的技术，而是能真正被用到核聚变、电网、医疗里的真正硬家伙，可以说，中国超导产业化的大门就这样被稀土钡铜氧（REBCO）这把钥匙给打开了。

还有更重要的是，这份中科院物理所的《2025年度稀土钡铜氧（REBCO）高温超导带材战略研究报告》还首次系统凝练出阻碍稀土钡铜氧带材走向大规模应用的十大关键科学技术问题，通过逐层剖析稀土钡铜氧带材的结构，找出每一层材料的性能瓶颈与层间匹配难点；同时还对照核聚变、超导电网等国家重大需求，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。

不知道我在这期节目里对稀土钡铜氧高温超导带材的介绍，大家是不是能完全接受和理解？ 我个人在制作《司马平邦说》节目过程里，也发现了一个大问题，就是现在如果想真正讲清楚中国，已经不可以再仅靠满腔爱国情怀就能解决实际问题了，我们的这个祖国确实已经是一个处于全球科技巅峰之上的国家了，如果没有起码及格的科学知识，你的科学知识如果不能及时跟进更新，都没办法解释和描述自己的祖国了，所以，我觉得现在做《司马平邦说》的一个新功用就是可以反过来不断压迫自己与时俱进地学习新知，这就叫吾生也有涯，而知也无涯。

【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。