中科院物理所发布高温超导带材战略报告 首次系统提出十大关键科学技术问题

长期以来,超导技术因苛刻的低温条件和高昂的制冷成本,应用范围相对集中,多用于大型科研装置与高端医疗设备等领域。

随着能源结构转型、先进制造升级以及强磁场需求增长,能够在更高温区工作、具备更高工程适用性的高温超导材料受到关注。

以稀土钡铜氧(REBCO)为代表的高温超导带材,被视为推动超导从“少数高端应用”走向“更广泛工程应用”的重要路径。

问题:从“能用”到“好用”的关键短板亟待补齐。

报告围绕高温超导带材的核心挑战提出“十大关键科学技术问题”,直指规模化应用的瓶颈环节。

其中,既包括合金基带在高场、高应力工况下屈服强度与疲劳耐受性不足的问题,也包括多层缓冲结构在电学与热学性能上存在固有局限,进而影响带材在复杂环境中的稳定性与一致性。

对于面向电力系统与磁体系统的应用而言,带材既要“跑得快”(高临界电流、低损耗),也要“跑得稳”(抗应力、抗热扰动、可靠可制造),这对材料、结构与工艺提出系统性要求。

原因:多学科耦合与产业化尺度放大带来难度。

一方面,REBCO带材通常由基带、缓冲层、超导层及保护层等多层结构构成,材料体系复杂,微观结构与宏观性能高度相关;任何一层材料性能或界面状态的变化,都可能引发电输运、热扩散或力学可靠性的连锁影响。

另一方面,走向规模化必须面对批量制造一致性、成本控制、质量评价标准以及应用端工况多样化等问题。

尤其在高场磁体与电力装备场景中,热-电-磁-力多物理场同时作用,带材性能不仅取决于实验室指标,还取决于工程环境下的稳定运行能力。

影响:决定关键装备能力边界与产业竞争格局。

REBCO带材在电力系统与磁体系统的应用潜力广受关注:在电力领域,面向高容量输电、限流、储能与电机等方向,若能实现低损耗、高可靠与可维护,有望为电网运行效率与安全提供新方案;在磁体领域,面向科研装置、先进医疗以及高场强磁应用,带材性能提升将直接影响磁体可达场强、运行稳定性与成本结构。

更重要的是,带材作为基础材料,其工程化水平将影响整条产业链的自主可控能力与国际竞争位势。

报告提出的关键问题清单,有助于凝聚共识、明确攻关重点,减少重复投入,提高从基础研究到应用落地的转化效率。

对策:以“按需定制”为导向推进协同攻关与标准体系建设。

报告提出的思路强调面向应用场景需求进行带材设计与工艺优化。

所谓“按需定制”,并非简单追求单一指标极限,而是围绕具体装备的运行条件,在性能、可靠性与成本之间实现工程最优。

例如,面向高场磁体,需要强化力学支撑与热稳定设计;面向电力装备,则需要更突出交流损耗控制、长期运行可靠性以及工程安装维护便利性。

与此同时,应推动基础研究、制造工艺、测试评价与应用验证形成闭环:在材料层面加强界面调控与缺陷工程等方向探索;在工艺层面提升一致性与良率,建立面向批量生产的质量控制方法;在测试评价方面完善在高场、高应力、热扰动等工况下的标准化测评体系;在应用端通过示范工程或原理样机加速验证,形成可复制的工程经验。

前景:从“跟随并行”迈向“体系引领”的窗口期正在形成。

业内普遍认为,随着强磁场需求上升、能源装备升级加速以及关键材料国产化能力提升,高温超导进入由“概念验证”向“工程规模应用”过渡的关键阶段。

此次战略报告以问题为牵引,明确我国在高温超导带材领域的攻关方向与实施路径,有助于汇聚科研机构、高校与企业力量,在关键材料、核心工艺、装备验证与标准制定等方面形成合力。

若能在可靠性、成本与批量制造能力上取得突破,REBCO带材有望支撑一批重大装备与新兴产业的发展,并在国际竞争中赢得主动。

高温超导材料被誉为21世纪最具变革性的技术之一,其突破将深刻影响人类生产生活方式。

此次战略报告的发布,不仅为我国材料科学发展指明了方向,更彰显了科技自立自强的决心。

在全球科技竞争格局下,中国科学家正以系统思维谋划未来,通过关键核心技术攻关,为世界科技进步贡献中国智慧。