1平方毫米是什么概念？一個小米粒大小；0安電流又是什么概念呢？通電瞬間可以將一把扳手熔化。現(xiàn)實中有可能制造出這樣的電線么？

生活中，我們都知道，人體安全電壓是36伏，電壓低于這一這個值便不會導(dǎo)致人傷殘或死亡，但許多人也都會有疑問，為什么家用電電壓卻是220伏呢？

其實，這實屬無奈之舉，銅在室溫條件下通電的安全電流密度只有每平方毫米幾安，如果使用安全電壓，入戶的電線需要粗得跟鋼筋似的。那么，能不能發(fā)明沒有電阻的材料呢？這樣家里的電線可以細得跟毛線一樣，并且還不會有觸電的危險。

幸運的是，沒有電阻的材料確實有，這就是“超導(dǎo)材料”。

（一）我們需要什么樣的超導(dǎo)？

人類發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象已經(jīng)有一百多年，但超導(dǎo)依然無法得到普遍的應(yīng)用，這是因為，盡管超導(dǎo)體的種類繁多，但還沒有一種能完全滿足以下要求：可以規(guī)模化且廉價的制造、擁有類似于銅鋁導(dǎo)體的機械特性、廉價的運行維護成本。

低溫超導(dǎo)體，例如nbti合金超導(dǎo)擁有接近于銅導(dǎo)線的機械特性，可以規(guī)模化生產(chǎn)、價格相對低廉、可以被制造成細線如一般銅線使用，但4.2k的運行溫度需要使用昂貴的液氦和功率巨大的制冷機組，運行成本高昂。

而高溫超導(dǎo)體在液氮條件具備優(yōu)異的臨界特性，加上液氮很廉價，可能成為第一種被大規(guī)模廣泛應(yīng)用的超導(dǎo)材料。

不過，第一代高溫超導(dǎo)體在規(guī)模化生產(chǎn)和大幅降低生產(chǎn)成本上難以取得突破，直到2004年第二代高溫超導(dǎo)帶材的出現(xiàn)，才帶來了一些變化。

第二代高溫超導(dǎo)本身屬于陶瓷材料，具有天然的脆性，作為超導(dǎo)體又是一種各向異性材料（不同方向的磁場下臨界電流也不同），只能在特定的場景使用，比如制作超導(dǎo)微電子器件、超導(dǎo)磁懸浮浮子。要真正使第二代高溫超導(dǎo)材料得到廣泛應(yīng)用，就必須優(yōu)化超導(dǎo)材料配方減弱其各項異性，就必須想辦法把第二代高溫超導(dǎo)制造成長線材或帶材，并具備優(yōu)異的彎曲、拉伸等機械性能。

（二）怎樣制造第二代高溫超導(dǎo)帶材？

為了實現(xiàn)第二代高溫超導(dǎo)帶材的實用化，解決其脆性問題，研究人員為帶材設(shè)計了復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)。

這種多層結(jié)構(gòu)中，各層材料實現(xiàn)不同的作用：占整個帶材厚度約一半的是金屬基帶，一般是表面極其光潔的哈氏合金，用于支撐超導(dǎo)層為帶材提供機械性能；往上是緩沖層，目的是讓超導(dǎo)層更好的生長在基帶上；再往上是超導(dǎo)層，是整個帶材的核心，提供了我們所需要的超導(dǎo)電性，所有層都為它而存在，它的厚度僅有1um左右，約占整個帶材厚度的1%；最后再用銀層和銅層包裹帶材，保護好整個帶材，帶材整體的厚度僅約0.1mm。

如此結(jié)構(gòu)的第二代高溫超導(dǎo)帶材，其機械性能已完全滿足實際使用要求。

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高溫超導(dǎo)帶材的多層結(jié)構(gòu)與實物圖

制造第二代高溫超導(dǎo)帶材的關(guān)鍵技術(shù)是超導(dǎo)層制備技術(shù)，目前使用的主流技術(shù)包括金屬有機化學(xué)氣相沉積法(簡稱mocvd)、金屬有機物沉積法(簡稱mod)、反應(yīng)共蒸發(fā)法(簡稱rec)和脈沖激光沉積技術(shù)(簡稱pld)。

mocvd沉積速率快、面積大、薄膜質(zhì)量高，但工藝技術(shù)和化學(xué)源合成技術(shù)難度都比較大；mod生產(chǎn)成本低，易于規(guī)模化，但沉積薄膜厚度受限，帶材臨界電流相對較低；rec沉積速率快、面積大，低磁場下臨界電流較高，但控制難度較高，由于難以實現(xiàn)釘扎導(dǎo)致高磁場下臨界電流偏低；pld沉積工藝簡單，但沉積面積有限，生產(chǎn)成本偏高。

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第二代高溫超導(dǎo)帶材生產(chǎn)工藝

制造第二代高溫超導(dǎo)帶材的工藝流程：

（1）準(zhǔn)備基帶

選用晶體結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫特性、機械性能和抗氧化能力優(yōu)異，熱膨脹系數(shù)與超導(dǎo)層材料匹配的基帶材料，經(jīng)過反復(fù)試驗與研究，最終發(fā)現(xiàn)哈氏合金是最優(yōu)選擇。使用電解拋光對基帶反復(fù)進行拋光處理，直到基帶表面粗糙度小于1納米。

（2）制備緩沖層

利用磁控濺射沉積技術(shù)（其他可選技術(shù)包括蒸發(fā)沉積法、脈沖激光沉積法和化學(xué)溶液沉積法等），在基帶上制備由氧化鋁、氧化釔、氧化鎂、二氧化鈰等材料組成的、表面形貌平整光滑、微觀結(jié)構(gòu)致密、具有雙軸取向的多層薄膜緩沖層。

（3）生長超導(dǎo)層

利用機化學(xué)氣相沉積法（其他可選技術(shù)包括金屬有機物沉積法、反應(yīng)共蒸發(fā)法和脈沖激光沉積技術(shù)等），在緩沖層上生長表面平整、結(jié)構(gòu)致密、厚度約為1um的rebco超導(dǎo)層。

（4）沉積銀膜層

利用磁控濺射沉積等技術(shù)，在已經(jīng)完成超導(dǎo)層生長的帶材上下表面繼續(xù)沉積約2um厚度的銀穩(wěn)定層，然后對超導(dǎo)帶材進行氧化熱處理，根據(jù)實際寬度需求對帶材進行分條處理。

（5）包覆金屬穩(wěn)定層

利用電鍍技術(shù)，在完成分條的超導(dǎo)帶材四周鍍上一定厚度的銅穩(wěn)定層（典型值為20um厚）。根據(jù)具體應(yīng)用需要，利用不同封裝技術(shù)，再次對完成基本包覆的超導(dǎo)帶材進行進一步封裝處理，如包覆不銹鋼帶，增加機械強度；包覆聚酰亞胺絕緣帶，實現(xiàn)帶間絕緣等。

（三）如何做好質(zhì)量檢測？

經(jīng)過上述工藝流程，我們已經(jīng)獲得第二代高溫超導(dǎo)帶材的成品，但是由于制造過程非常精細、存在一些不可控因素，任何微小的工藝參數(shù)偏差都可能導(dǎo)致帶材性能完全達不到設(shè)計參數(shù)，因此制造完成后的帶材必須要進行質(zhì)量檢測，包括臨界性能檢測和機械性能檢測。

必須進行的臨界性能檢測是液氮溫度下、無外磁場、全長度的臨界電流測試，以確定帶材是否存在壞點、臨界電流均勻性是否符合要求（比如全長度最高臨界電流與最低臨界電流相差不超過10%），并根據(jù)測試數(shù)據(jù)將帶材進行分段處理。除此之外，還需要根據(jù)超導(dǎo)帶材的將要使用的環(huán)境，測試帶材在相應(yīng)溫度和背景磁場下的臨界電流。

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國產(chǎn)第二代高溫超導(dǎo)帶材的臨界性能

高溫超導(dǎo)帶材在使用過程中，一般會受到彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)三種容易使超導(dǎo)失效的受力情況，其中扭轉(zhuǎn)可看做是彎曲和拉伸同時作用的情形，因此我們一般只需要做帶面方向的臨界彎曲半徑和帶材長度方向的臨界拉伸應(yīng)力應(yīng)變的檢測。

所謂臨界彎曲半徑或臨界拉伸應(yīng)力應(yīng)變，是指在該條件下，帶材沒有發(fā)生脫層現(xiàn)象，帶材的臨界電流降低到平直狀態(tài)下的一定百分比（如95%）。

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臨界彎曲半徑測試（左）臨界拉伸應(yīng)力應(yīng)變測試（右）

至此，我們便獲得了機械性能合格、在20k溫度下每平方毫米能夠通入五千安培直流電的高溫超導(dǎo)帶，電流在超導(dǎo)帶上不會產(chǎn)生任何歐姆損耗。

雖然目前這樣的超導(dǎo)帶還不能進入尋常百姓家，但是已經(jīng)逐步在大科學(xué)裝置、醫(yī)療、通信、電力、交通等領(lǐng)域獲得嘗試性的應(yīng)用，隨著超導(dǎo)帶性能的進一步提升，高溫超導(dǎo)必將獲得更加深入和廣泛的應(yīng)用，超導(dǎo)時代就要來臨。

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