1.1.4 实用化超导材料

早在1913年，昂内斯就提出了制造10T超导磁体的设想，然而由于早期发现的超导材料都是Ⅰ类超导体，所以设想始终没有实现。最早的超导材料应用是1955年用Nb线绕制的线圈，在4.2K温度下，其中心磁场为0.71T。1961年，Kunzler等人用Nb3Sn线绕制了8.8T的超导磁体，随后他们又研制出10T的超导磁体，也就是说，过了将近50年，昂内斯的梦想才得以实现。

超导材料的实用化，大体上需要满足以下条件：

1）高临界参量的获得；

2）成材技术的实现；

3）基于热、电（磁）和机械稳定性的实用化超导带/线材的制备。

尽管迄今为止已有上千种超导体被发现，但是真正具有实用价值的超导材料只有以下几种，即NbTi、Nb3Sn、MgB2、铜基氧化物高温超导材料（Bi-2223、Bi-2212和YBCO）以及新型铁基超导材料。

1.NbTi超导材料

在超导材料的研究与应用领域中，NbTi超导材料占据了举足轻重的地位。其超导转变温度为9K，液氦温度下的上临界磁场高达12T，这使得NbTi超导材料在低温超导领域具有广泛的应用前景。NbTi超导体的制造过程一般包括熔炼合金、集束拉拔工艺和时效热处理冷加工等。确保了材料从β单相合金转变为具有强钉扎中心的两相（α+β）合金结构，其中α析出相作为钉扎中心，显著提高了材料的临界电流密度。经过长期的研究与优化，20世纪90年代初，NbTi超导线材的临界电流密度已达到3000A/mm2（5T，4.2K），这一卓越性能和成熟工艺带来的低廉价格奠定了其在超导材料领域的领先地位。其优异的中低磁场超导性能、良好的机械性能和加工性能，使得NbTi超导线材在实践中获得了大规模应用，占据了整个超导材料市场90%以上的份额。无论是核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）仪、核磁共振波谱（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）仪，还是大型粒子加速器的制造，NbTi超导线材都发挥着不可或缺的作用。

2.Nb3Sn超导材料

Nb3Sn的超导转变温度为18K，液氦温度下，上临界磁场高达22.5T。Nb3Sn超导线材的制备方法主要聚焦于内锡法和青铜法，两种方法各具特色，并在不同领域中展现出其独特的价值。内锡法Nb3Sn超导线材以其较高的临界电流密度而备受瞩目。然而，这种方法的局限性在于芯丝之间的耦合现象较为严重，从而导致了交流损耗的增加。尽管如此，其在需要高电流密度的特定应用中仍具有不可替代的地位。青铜法Nb3Sn超导线材则以其适中的临界电流密度和低交流损耗而受到青睐。

3.MgB2超导材料

MgB2超导体的超导转变温度为39K，是已发现的转变温度最高的金属间化合物超导体。自2001年被发现以来就备受业界的关注。由于其具有临界温度高、相干长度大、晶界不存在弱连接、材料成本低、加工性能好等优点，MgB2超导体可用于磁共振成像系统、特殊电缆、风力发电机以及空间系统驱动电动机等领域。

4.Bi2Sr2CaCu2O8超导材料

Bi2Sr2CaCu2O8（简称Bi-2212）材料的超导转变温度为85～90K，液氦温区下，即便在很高的背景磁场下仍具有较高的临界电流密度，是高磁场下（＞25T）最具有应用前景的高温超导材料之一。Bi-2212线材可采用粉末装管法，经过旋锻、拉拔加工成具有各向同性圆形截面的线材。Bi-2212的圆线结构使其更容易实现多芯化和电缆绞制，从而降低交流损耗，相比其他矩形截面的高温超导材料，更有利于制备管内电缆导体、卢瑟福电缆和螺线管线圈。

5.Bi2Sr2Ca2Cu3O10超导材料

Bi2Sr2Ca2Cu3O10（简称Bi-2223）材料的超导转变温度为108～110K，是目前转变温度最高的实用化高温超导材料。Bi-2223为层状晶体结构，具有很强的各向异性。Bi-2223带材采用粉末装管法，经过旋锻、拉拔、轧制和热处理加工成带材，是最早实现批量化制备的实用化高温超导材料，一般也被称为第一代高温超导材料。早期的制备工艺由于结构致密性不足等原因，经液氮浸泡后容易出现鼓包等问题，导致超导性能受到破坏，目前通过工艺改进，在热处理过程中引入可控高压热处理技术，较好地解决了上述问题，同时还大幅度提升了带材的临界电流性能。德国埃森（Essen）市挂网运行的超导电缆，很好地验证了该工艺超导带材的长期稳定运行的能力。

6.REBa2Cu3O7 -x 超导材料

REBa2Cu3O7-x（简称REBCO，其中RE表示Y、Sm、Gd等稀土元素）材料虽然是最早发现的可在液氮温区工作的超导材料，但早期因为没有合适的加工工艺，所以无法推广应用。1995年，美国在Ni合金基带上，先用低能离子束辅助沉积（Ion Beam Assisted Deposition，IBAD）法沉积一层晶粒双取向的YSZ膜，再用激光沉积上层YBCO膜，该层YBCO膜是在双取向YSZ膜上外延生长的，因此也是晶粒双取向的。这种双取向YBCO膜在三维方向基本都消灭了晶界弱连接，解决了陶瓷性铜氧高温超导体的晶界弱连接和机械加工难等问题，YBCO固有的优异的电磁性能得以发挥。大家把这种在薄的金属基带上使用涂层技术外延生长超导薄膜的超导带材称为二代高温超导带材。目前商业化的二代高温超导带材往往采用由金属基带、缓冲层、REBCO超导层、保护层等多层复合结构。由于二代高温超导带材具有极高的综合性能，因此使其成为目前高温超导材料产业化的热门研究方向。经过近30年的研究，目前二代高温超导带材的制备工艺主要有金属有机沉积（Metal Organic Deposition，MOD）、脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD）、金属有机化学气相沉积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）和反应电子束共蒸发-沉积（Reactive Co-Evaporation Deposition Reaction，RCE-DR）工艺等。

7.铁基超导材料

自2008年铁基超导体被发现以来，已相继发现了上百种铁基超导材料，这些超导体的晶体结构均为层状，都含有Fe和氮族（P、As）或硫族元素（S、Se、Te），Fe离子为上下两层正方点阵排列方式，氮族或硫族离子层被夹在Fe离子层间。按照导电层以及为导电层提供载流子的载流子库层交叉堆叠方式和载流子库层的不同形成机制，主要分为1111体系（如SmOFeAsF、NdOFeAsF等）、122体系（如BaKFeAs、SrKFeAs等）、111体系（如LiFeAs）、11体系（如FeSe和FeSeTe）以及以1144相等为代表的新型结构超导体等体系。铁基超导体具有上临界场极高（100～250T）、各向异性较低（1＜γH＜2，122体系）、本征磁通钉扎能力强等许多明显的优势。自2008年以来，中国团队率先发现系列50K以上铁基高温超导体并创造55K的临界温度世界纪录。中国科学院电工研究所采用粉末装管法通过控制轧制织构和元素掺杂，在2013年制备出临界电流密度达到170A/mm2（4.2K，10T）的铁基超导线材，证明了铁基超导材料在强电应用上的巨大潜力。经过工艺优化后，2018年他们将百米长线的临界电流密度提高至300A/mm2（4.2K，10T），目前已经开始超导磁体的制备研究。