超导材料从发现到大规模应用有多远？【无尽的前沿——“刺激”的室温超导】

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3月19日19：00袁岚峰老师携手中国科学院物理研究所研究员罗会仟博士和中国科学院等离子体物理研究所研究员秦经刚博士，围绕“室温超导”热门话题，发布了“无尽的前沿”直播系列的第一场，本文为精选视频之三的文字内容。

精选视频之一见：《超导有什么用？【无尽的前沿——“刺激”的室温超导】 | 科技袁人》

精选视频之二见：《超导是什么？【无尽的前沿——“刺激”的室温超导】 | 科技袁人》

“无尽的前沿”直播第一期预告：刺激的“室温超导” | 袁岚峰

■ 西瓜视频：

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本视频2023年3月25日发布于西瓜视频，观看量1.6w。

主持人：

介绍一下有哪些超导材料吧，就是科学家在发现超导的过程中有哪些超导材料？

罗会仟：其实最早发现的超导材料它是一个金属汞，前面也提到了。所以金属汞出来之后大家就去搜元素周期表，就看单质是哪个超导。一搜不要紧，那就发现这到处都是超导，碘（I）都可以，几乎元素周期表大部分材料都有超导体，尤其是金属。除了一些放射性很强的，这个磁性很强的，这些金属不是超导体，还有一些特别软的，像碱金属也不是超导体。还有一个特别神奇的现：铜、银和金，这个导电率是非常好的材料，它居然不是超导体，

现在也没有太想通这个事情。

当然找完金属之后，大家就开始炼合金，思路都很简单对吧？炼完合金以后你就再有什么办法呢？我就在3元4元化物不停的去找，那么这样的话你就要找非金属和金属的化合物了，比如说氧化物、硫化物什么的都去找一遍。

然后又发现，原来这些化合物里面，到处都是超导体，然后还有甚至有机材料，它都有可能是超导体，所以超导材料非常常见。

但是目前为止，从（1911年）到今年已经是112年了

，对吧？那么长的时间里面，发现的超导体应该至少有1万多种，我们的无机材料，可能是大概30-60万种左右，你严格上可能只有三十几万种，在几十万种里面，有1万多种都是超导材料。太多了，所以数不清的，实际上是非常多。其实我们自己做超导材料的，多到每天都有新超导体发现，就没有什么可稀奇的事情。

但是要特别提醒大家，我们发现那么多超导材料里面，能够达到40 K以上的，才能把它叫做高温超导材料。只有两类，两个家族：一个是铜氧化物，一个是铁基超导，只有这两类。一个是80年代发现的，一个是2008年以后发现的。

秦经刚：

但是实际上就是说这么多的超导材料。就像罗老师刚才说了，你1万多种是吧，上万种。但是真正实用，对我们来讲的话，我们是要讲应用，现在还是个位数，对吧？真正应用的话，现在能够就是说产业化应用的，就是能够工厂用的就个位数。

那么举个简单的例子，低温超导材料，大部分我们用的就是铌钛线，就是目前我们磁共振用的，好多是这种超导材料，第二就是铌三锡（Nb3Sn）

，它相当于就是罗老师刚才说的合金材料是吧？第二个还有一种，用在20 K左右的硼化镁，对吧？二硼化镁这种材料现在也是能够批量化生产，但是它磁场不高，它只能用在低场下，跟铌钛基本上是一个级别的。但是这个材料有一个什么好处呢？它就是实际上真正大批量生产的话，它的价格可能比铌钛还便宜。但是因为本身它是一种粉末的。

罗会仟：

做0.5个特斯拉的核磁共振可以。3个特斯拉可能就有点麻烦了。

秦经刚：对对对，这就是在相当于是这种低温超导材料的范畴。还有一个铌三铝，对吧？但是铌三铝虽然超导性已经做出来，但是真正的应用目前没有。那么再就是说往上走，就说高温超导材料，就像罗老师刚才说40 K以上，我们称之为高温超导材料。那么一个就是铁基，一个就是铜氧化物。那么铁基目前是国内现在走的还是很快的，但是现在说对应用来讲发现的比较晚了。现在还没开始真正的工厂化应用，那么能够工厂化应用的就是铋（Bi）系和钇（Y）

系对吧？VBCO和BSCCO这种结构的。

但是就像刚才罗老师说的，铁基实际上是2008年才发现的，我举个简单例子，铜氧化物，

钇钡铜氧

1987年发现的，现在都30多年了，真正规模化的应用也就在这近5年。

袁岚峰：

用在什么地方？

秦经刚：

用在强电应用。

罗会仟：

这才叫规模化应用。

秦经刚：

对，不管你是在输电，你比如我1000米的输电电缆我上了，这叫规模化应用，用到我们的聚变磁体上了，或者用在其他合同工业上面了，你这叫规模化应用。就是钇钡铜氧30多年了，现在主要还是规模化的应用，还是用在输电上。所以我们是希望，我们的下一代聚变堆能够把材料往前再推一把。

罗会仟：

几个材料从发现到应用这个路是非常长的，这个不是大家想象的，这个东西出来了工业革命就来了，没这么快。

袁岚峰：

那这有个非常有意思的问题。为什么它用起来这么难？我看到您这书上也讲了好多，你要真把一个材料用上，要对它做多少道加工是吧？到最后弄的面目全非，有哪些流程……？

秦经刚：

这个很简单，就是说你首先实验室这么一点的材料，你要把它做成批量生产。我们称之为什么叫批量化？你最起码得达到百米量级以上，就连续的。

罗会仟：

你的原料可能都要吨量级的。

秦经刚：对，首先你牵扯了原材料，加工工艺。咱以钇钡铜氧为例，我记得当时国内上设备都是从国外进口的。

所以首先第一，你得能够制备出这叫批量化的超导材料。

罗会仟：产能得上去。我们实验室只有毫克量级，对吧？从毫克到吨……

秦经刚：对，首先是达到一定的规模。然后第二，它的性能比较稳定，是吧？你不能我做出来一节是这样，一节又是那样。稳定性在工业化生产来说非常难的一点，这是第二个。第三个问题，我要达到稳定度的生产。你不能我做了一百根，我只有一根是好的，对吧？你这个成品率你也不能应用，这三个方面的问题就制约了整个它整个超导材料（的使用难度）

。

罗会仟：

还很重要的就是成本得下。成本你这都上去了，你成本还得下来，怎么办？

秦经刚：对，如果你成本太高了也不行，这是钇钡铜氧。因为钇钡铜氧本身你想它实际上是在哈氏合金上面镀了薄薄的一层，就一微米的超导层，

你想它是超导材料，它是陶瓷性的，你稍微外面稍微有点应力，就像罗老师说的，你经过了线材，到最后我的磁体，那中间的加工成几百道工艺，你想它就薄薄的一层超导层，你在这过程中，你怎么能够保证它我在加工中这种超导层他不裂？

罗会仟：

即使你做到这一点，我们真正在用的时候，你还是在强电强磁的情况下，它受的力也是乱七八糟的。对那个力可能把它拽一拽，你可能就从基带上拽下来了，起个泡，这个事情也可能发生。你要努力去克服。

秦经刚：

所以你看这是咱说高超导带材，现在基本上就在百米量级这个水平，就是能够稳定的生产。

说低温超导材料，比如我们原先用在ITER（国际热核聚变实验堆）

上面铌钛和铌三锡，它实际上这个直径是一毫米，就跟我们平时用的铜丝是差不多的，它里面有什么玄机，里面又有几千根的细丝啊。

罗会仟：

就不是大家想象中的，这个东西拉一根线就完了。

秦经刚：

你从外面看的话就跟铜线跟铜丝没有什么区别，但是它的玄机在里面，里面还有几千根的超导丝在里面，很细，可能跟他头发丝的1/6差不多。

罗会仟：

它为什么这么做，尽量你通过它电流出来，节省里面的涡流，这些交流，这些损耗这些东西。因为你这个里面的电流一旦变化快了以后，你想大家都知道变化电流产生什么？电磁场。它会互相干扰，你会发现这个也不好搞。

所以说就是低温超导材料，它整个材料从投料到下来的话，也有几百道工序，你想难度还是很大的。所以这几年中国实际上是确实是在一些大项目的推动下，咱不光是我们的聚变装置，包括加速器，还有国内强磁场。包括就说现在这种电力项目输电的这种项目的需求。其实把国内的超导材料推动确实非常快。

比如我举个很简单的例子，我们在2008年开始参与ITER这个项目的时候，那时中国做超导材料铌三锡（Nb3Sn）一年做起几公斤，实验室级的几公斤。对我们来说那个时候要几十吨，对吧？所以现在的话他们对项目带动，因为它现在西部超导做铌钛线一年它就几百吨。哇塞，世界第一。它现在产能已经占到国际（相当高的比例了）

。

罗会仟：一个东西的能不能应用，我们国内的技术和发展发展是非常重要的。

我举个刚才我们提到输电线的例子，深圳的平安大厦最后用了这个超导输电线。但实际上我们讲你用超导输电线你不得降温吗？你也得付出。温度的成本也是蛮高的。所以它的绝对值的造价比你的高压输电线是贵的，那肯定的。

但是因为你在地面上你用高压输电线的话，你意味着什么？你要加电塔，你周围多少米之内不能盖高楼，你这块地皮的钱是多贵，这是市中心它最繁华的地方，对吧？我埋在地下就像一个地下管道一样，为什么能做到这一点？我不需要泡液氮，它用的是国产制冷机，这个很重要。现在就是用一个国产的叫GM制冷机，大概几万块钱一个，就能轻松达到4.2 K是没有任何问题的，甚至达到2 K都可以。你想因为它是国产的又便宜了，对吧？然后我就一路用制冷机把它保护过去。

袁岚峰：

它这个是稀释制冷机吗？

罗会仟：

不用，就是一个压缩机。把氦气压缩，把它循环了就可以了，非常简单。

袁岚峰：

原来是因为制冷的成本下降了，所以让这个东西可以推广。

罗会仟：

它本身成本也在下降。但是如果没有这种项目的推动的话，你是不可能去扑几百个人就上去。

秦经刚：

其实会仟说的非常对，其实在这种项目的推动下它其实有两个方面能够降成本，第一个就是材料的，因为材料你在推动下，第一个它材料的性能还提升了，第二它的成品率它也提升了。因为它技术在进步对吧？第二就是这种装备。不管是你是材料生产装备还是制冷装备是吧，还有其他装备，因为它一旦国产化它这个价格就会降不少。