1.1.4 實用化超導材料

早在1913年，昂內斯就提出了制造10T超導磁體的設想，然而由于早期發現的超導材料都是Ⅰ類超導體，所以設想始終沒有實現。最早的超導材料應用是1955年用Nb線繞制的線圈，在4.2K溫度下，其中心磁場為0.71T。1961年，Kunzler等人用Nb3Sn線繞制了8.8T的超導磁體，隨后他們又研制出10T的超導磁體，也就是說，過了將近50年，昂內斯的夢想才得以實現。

超導材料的實用化，大體上需要滿足以下條件：

1）高臨界參量的獲得；

2）成材技術的實現；

3）基于熱、電（磁）和機械穩定性的實用化超導帶/線材的制備。

盡管迄今為止已有上千種超導體被發現，但是真正具有實用價值的超導材料只有以下幾種，即NbTi、Nb3Sn、MgB2、銅基氧化物高溫超導材料（Bi-2223、Bi-2212和YBCO）以及新型鐵基超導材料。

1.NbTi超導材料

在超導材料的研究與應用領域中，NbTi超導材料占據了舉足輕重的地位。其超導轉變溫度為9K，液氦溫度下的上臨界磁場高達12T，這使得NbTi超導材料在低溫超導領域具有廣泛的應用前景。NbTi超導體的制造過程一般包括熔煉合金、集束拉拔工藝和時效熱處理冷加工等。確保了材料從β單相合金轉變為具有強釘扎中心的兩相（α+β）合金結構，其中α析出相作為釘扎中心，顯著提高了材料的臨界電流密度。經過長期的研究與優化，20世紀90年代初，NbTi超導線材的臨界電流密度已達到3000A/mm2（5T，4.2K），這一卓越性能和成熟工藝帶來的低廉價格奠定了其在超導材料領域的領先地位。其優異的中低磁場超導性能、良好的機械性能和加工性能，使得NbTi超導線材在實踐中獲得了大規模應用，占據了整個超導材料市場90%以上的份額。無論是核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）儀、核磁共振波譜（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）儀，還是大型粒子加速器的制造，NbTi超導線材都發揮著不可或缺的作用。

2.Nb3Sn超導材料

Nb3Sn的超導轉變溫度為18K，液氦溫度下，上臨界磁場高達22.5T。Nb3Sn超導線材的制備方法主要聚焦于內錫法和青銅法，兩種方法各具特色，并在不同領域中展現出其獨特的價值。內錫法Nb3Sn超導線材以其較高的臨界電流密度而備受矚目。然而，這種方法的局限性在于芯絲之間的耦合現象較為嚴重，從而導致了交流損耗的增加。盡管如此，其在需要高電流密度的特定應用中仍具有不可替代的地位。青銅法Nb3Sn超導線材則以其適中的臨界電流密度和低交流損耗而受到青睞。

3.MgB2超導材料

MgB2超導體的超導轉變溫度為39K，是已發現的轉變溫度最高的金屬間化合物超導體。自2001年被發現以來就備受業界的關注。由于其具有臨界溫度高、相干長度大、晶界不存在弱連接、材料成本低、加工性能好等優點，MgB2超導體可用于磁共振成像系統、特殊電纜、風力發電機以及空間系統驅動電動機等領域。

4.Bi2Sr2CaCu2O8超導材料

Bi2Sr2CaCu2O8（簡稱Bi-2212）材料的超導轉變溫度為85～90K，液氦溫區下，即便在很高的背景磁場下仍具有較高的臨界電流密度，是高磁場下（＞25T）最具有應用前景的高溫超導材料之一。Bi-2212線材可采用粉末裝管法，經過旋鍛、拉拔加工成具有各向同性圓形截面的線材。Bi-2212的圓線結構使其更容易實現多芯化和電纜絞制，從而降低交流損耗，相比其他矩形截面的高溫超導材料，更有利于制備管內電纜導體、盧瑟福電纜和螺線管線圈。

5.Bi2Sr2Ca2Cu3O10超導材料

Bi2Sr2Ca2Cu3O10（簡稱Bi-2223）材料的超導轉變溫度為108～110K，是目前轉變溫度最高的實用化高溫超導材料。Bi-2223為層狀晶體結構，具有很強的各向異性。Bi-2223帶材采用粉末裝管法，經過旋鍛、拉拔、軋制和熱處理加工成帶材，是最早實現批量化制備的實用化高溫超導材料，一般也被稱為第一代高溫超導材料。早期的制備工藝由于結構致密性不足等原因，經液氮浸泡后容易出現鼓包等問題，導致超導性能受到破壞，目前通過工藝改進，在熱處理過程中引入可控高壓熱處理技術，較好地解決了上述問題，同時還大幅度提升了帶材的臨界電流性能。德國埃森（Essen）市掛網運行的超導電纜，很好地驗證了該工藝超導帶材的長期穩定運行的能力。

6.REBa2Cu3O7 -x 超導材料

REBa2Cu3O7-x（簡稱REBCO，其中RE表示Y、Sm、Gd等稀土元素）材料雖然是最早發現的可在液氮溫區工作的超導材料，但早期因為沒有合適的加工工藝，所以無法推廣應用。1995年，美國在Ni合金基帶上，先用低能離子束輔助沉積（Ion Beam Assisted Deposition，IBAD）法沉積一層晶粒雙取向的YSZ膜，再用激光沉積上層YBCO膜，該層YBCO膜是在雙取向YSZ膜上外延生長的，因此也是晶粒雙取向的。這種雙取向YBCO膜在三維方向基本都消滅了晶界弱連接，解決了陶瓷性銅氧高溫超導體的晶界弱連接和機械加工難等問題，YBCO固有的優異的電磁性能得以發揮。大家把這種在薄的金屬基帶上使用涂層技術外延生長超導薄膜的超導帶材稱為二代高溫超導帶材。目前商業化的二代高溫超導帶材往往采用由金屬基帶、緩沖層、REBCO超導層、保護層等多層復合結構。由于二代高溫超導帶材具有極高的綜合性能，因此使其成為目前高溫超導材料產業化的熱門研究方向。經過近30年的研究，目前二代高溫超導帶材的制備工藝主要有金屬有機沉積（Metal Organic Deposition，MOD）、脈沖激光沉積（Pulsed Laser Deposition，PLD）、金屬有機化學氣相沉積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）和反應電子束共蒸發-沉積（Reactive Co-Evaporation Deposition Reaction，RCE-DR）工藝等。

7.鐵基超導材料

自2008年鐵基超導體被發現以來，已相繼發現了上百種鐵基超導材料，這些超導體的晶體結構均為層狀，都含有Fe和氮族（P、As）或硫族元素（S、Se、Te），Fe離子為上下兩層正方點陣排列方式，氮族或硫族離子層被夾在Fe離子層間。按照導電層以及為導電層提供載流子的載流子庫層交叉堆疊方式和載流子庫層的不同形成機制，主要分為1111體系（如SmOFeAsF、NdOFeAsF等）、122體系（如BaKFeAs、SrKFeAs等）、111體系（如LiFeAs）、11體系（如FeSe和FeSeTe）以及以1144相等為代表的新型結構超導體等體系。鐵基超導體具有上臨界場極高（100～250T）、各向異性較低（1＜γH＜2，122體系）、本征磁通釘扎能力強等許多明顯的優勢。自2008年以來，中國團隊率先發現系列50K以上鐵基高溫超導體并創造55K的臨界溫度世界紀錄。中國科學院電工研究所采用粉末裝管法通過控制軋制織構和元素摻雜，在2013年制備出臨界電流密度達到170A/mm2（4.2K，10T）的鐵基超導線材，證明了鐵基超導材料在強電應用上的巨大潛力。經過工藝優化后，2018年他們將百米長線的臨界電流密度提高至300A/mm2（4.2K，10T），目前已經開始超導磁體的制備研究。