技经观察丨高温超导材料的前沿研究和未来展望

2023年以来，美国、韩国研究人员先后宣称发现室温超导材料，虽然被各国研究机构证伪或验证样品超导现象无法复现，其最终结果仍存较大争议，但引发了全球对室温超导材料的关注。

室温超导材料属于高温超导材料的一部分，其临界温度可达到室温，可有效降低应用成本，具备真正的应用价值。高温超导材料的潜在应用广泛，一旦材料制备技术取得突破，实现材料规模化量产或商业化应用，将对电力传输、消费电子、量子计算等领域产生颠覆性影响。各国研究人员针对高温超导材料进行了广泛的研究，尽管已经验证并量产了多种超导材料，但要将超导材料应用于室温条件仍颇具挑战，因此高温超导材料依然是未来材料领域的研究热点之一。

一、高温超导材料的分类

高温超导材料是具有相对较高临界温度（通常高于40K）、可以在液氮温度（77K）下实现超导状态的材料，一直是超导材料领域研究的前沿。在1986年之前，超导材料T_c提升幅度不大，仅由汞的4.2K提高到Nb₃Ge的23.2K。高温超导材料主要包括Bi系超导材料（BSCCO）、Y系超导材料（YBCO）、铁基超导材料、MgB₂等。目前，占据超导材料市场90%份额的是NbTi和Nb₃Sn，而高温超导材料普遍处于应用示范和研发阶段。

（一）Bi系超导材料

1975年，Wilmington等人发现了超导氧化物BaPb_1-xBi_xO₃，其T_c为13K，明显高于此前任何不含过渡元素的超导体。目前应用较多的Bi系高温超导材料的分子式为Bi₂Sr₂Ca_n-1Cu_nO_2n+4，其中常见的超导相有Bi₂Sr₂CuO_6+y（Bi-2201）、Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+y（Bi-2212）和Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+y（Bi-2223）三种。Bi系超导材料的主要采用粉末管装法（PIT）制备，需要使用大量的银及银合金，增加了制备成本，且在外加磁场下载流能力急剧下降，限制了其在工业中的应用。美国超导、中国西部超导等企业均可批量生长千米级长带材。

（二）Y系超导材料

Y系超导材料的分子式为ReBa₂Cu₃O_7-δ（Re表示Y、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等元素），其中常见的超导相有YBa₂Cu₃O_7-δ（Y-123）、YBa₄Cu₃O_8.5+δ（Y-143）、YBa₆Cu₃O_10-δ（Y-163）等。

Y系超导材料的制备工艺一般采用薄膜工艺，仅使用镍合金或不锈钢，降低了制备成本，且在高磁场下仍可保持高载流能力，可用于研制高场磁体。各国均投入了大量人力物力开发Y系超导带材的制备工艺技术，近年来我国企业的Y系超导材料制备技术取得快速提升，目前已进入世界先进行列。

（三）铁基超导材料

2006年，日本的Hosono研究团队发现LaOFeP材料具备超导性，材料T_c约为4K。2008年，Hosono团队在LaFeAsO_1-xF_x中采用氧位的氟掺杂方式替换氧原子，将材料T_c提高到26K。铁基超导体晶体结构（基于FeAs）主要分为“1111”体系（如LaFeAsO）、“122”体系（如BaFe₂As₂）、“111”体系（如LiFeAs）、“11”体系（如FeSe）等。

铁基超导体具有高临界温度（T_c＞55K）、高临界电流密度（J_c＞10⁵A/cm²）以及各向异性较小等特点，或将用于核聚变、核磁共振、超导储能等领域。

（四）MgB₂超导材料

2001年，日本研究人员Nagamatsu和Muranaka发现二元材料二硼化镁（MgB₂）在39K时表现出超导性，突破了BCS理论的极限。MgB₂是具有六方型晶体结构的金属间化合物，结构简单且制备成本低，各向异性小于Bi系和Y系超导材料，可采用低成本的PIT法制备，或将在电、磁、热等方面具有应用潜力。

二、主要国家研究现状

目前，超导材料的研究主要围绕4个方面进行：新超导材料的发现及材料性质表征；超导机理研究；超导体的宏观量子相干特性研究；超导材料的应用研究。美国、欧洲、中国、日本等主要国家在超导材料研究领域投入较大，主要国家间的技术竞争日趋激烈。

（一）美国

美国在高温超导材料研究领域处于领先地位。美国超导材料研究主要集中在麻省理工学院、普林斯顿大学、劳伦斯·伯克利国家实验室等高校和研究机构以及部分科技型企业。2022年3月，美国普林斯顿大学等离子体物理实验室通过将铌和锡经特殊方式加热开发出新型超导体，将其用于托卡马克聚变装置可提高超导线电流容量。2023年1月，美国麻省理工学院发现一种利用电脉冲在“魔角”（“magic-angle”）石墨烯中“打开”和“关闭”超导性的新方法，可用于制造神经形态设备的超快、高能效超导晶体管。2023年3月7日，在美国物理学会年会上，美国罗切斯特大学物理学家兰加·迪亚斯（Ranga Dias）宣布成功合成了一种超导材料氮掺杂氢化镥（NDLH），可在室温条件下（约20.6℃，1万个标准大气压）表现出超导性。该研究结果随即遭到多国研究人员的质疑，相关论文于11月7日被《自然》撤稿。

（二）日本和韩国

日本和韩国将高温超导材料作为重点研究方向。日本相继成立日本理化学研究所（RIKEN）、国际超导产业技术研究中心（ISTEC）、新能源产业技术综合开发机构（NEDO）等研发机构。2008年2月，日本科学技术振兴机构和东京工业大学发现氟掺杂镧氧铁砷化合物表现出超导性（T_c为26K）。2018年11月，日本理化学研究所利用包含高温超导带材接头的持久电流核磁共振装置，成功获得了核磁共振信号。

韩国的超导材料研究虽然起步较晚，但研究进展较快。2023年7月22日，韩国量子能源研究中心的研究团队发表论文宣称，铜掺杂铅磷灰石材料LK-99可以通过黄铅矿（Pb₂SO₅）和磷化铜（Cu₃P）之间的固态反应制成，在127℃的常压下显示出超导性。但其他研究人员对LK-99制备实验进行复现时，发现了很多问题，如LK-99中含有大量的水分和其他杂质，以及韩国研究团队使用的高压设备无法保证压力和温度的稳定性，且测量电阻和磁化率时并未考虑到空气湿度、温度波动、电流噪声等环境因素的影响。该材料能否实现室温超导技术突破，学界仍存争议，仍需进行进一步验证。

（三）欧洲

欧洲国家依托其在材料领域长期的技术积累以及在研发方面的持续投入，在高温超导领域不断取得突破。欧洲超导材料研究集中在瑞士、德国、英国等国。2018年12月，德国马克斯·普朗克学会的Mikhail Eremets团队在150~170GPa下合成氢化镧（LaH₁₀），并在250K温度下发现氢化镧具有超导性。2022年11月，瑞士苏黎世联邦理工学院证明扭曲的石墨烯可用于制造超导器件的基本组成部分约瑟夫森结（Josephson junction），可基于扭曲的石墨烯制造可以承载量子比特的超导量子干涉设备。

（四）中国

中国在超导材料方面的研究起步较晚，但在部分研究方向上已位居世界领先水平并不断取得新突破。中国超导研究主要集中在中国科学院物理研究所、北京大学、中国科学技术大学等高校和研究机构。2021年5月，中国科学技术大学潘建伟团队开发出可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，可操纵62个超导量子比特。2023年7月，中国中山大学王猛教授团队首次发现镍氧化物超导体（液氮温区），是目前已知的第二种液氮温区非常规超导材料。

三、超导材料的应用

超导材料在各种应用场景中具有潜在的重要作用，主要基于其零电阻和磁场排斥效应，主要应用于能源传输和储存、交通运输、生物医学、科学研究等众多应用领域。根据欧洲超导行业协会（Conectus）数据，全球超导产品市场规模已从2012年的51.9亿欧元增长至2022年的68亿欧元，预计2027年可达到192亿欧元。虽然在全球超导行业中，低温超导材料目前的市场份额高达90%以上，但高温超导材料的市场规模增长较为迅速。

（一）能源传输和储存

在能源传输和储存领域，超导材料主要用于电力传输和磁储能，以及制造超导发电机等设备。

电力传输：超导电缆传输电能而几乎不损失能量，在长距离输电线、发电等电力传输领域有巨大应用潜力，可大幅降低电阻热效应带来的能量损耗，从而提高电力传输效率。

超导磁储能（SMES）：超导储能系统是采用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载的一种电力设施。超导材料用于电力系统能量存储，具有较高的功率密度和能量密度，可降低损耗且快速响应负载，在紧急情况下提供备用电力。该储能系统可进行无限次充放电循环，表现出超过95%的高能量转换效率。

超导发电机：超导发电机具有功率密度大、同步电抗小、效率高、维护方便等优点。超导材料用于风力涡轮机，可提高发电效率，使发电机和电动机小型化，不仅便于运输和部署，还可大幅降低噪声，为其在军用领域的应用提供可能性。

（二）交通运输

在交通运输领域，超导材料主要用于制造磁悬浮列车及建设城市超导轨道交通系统等应用场景。

超导磁悬浮列车：超导磁体可用于磁悬浮列车系统，提供零摩擦的高速运输。相比于现有的磁悬浮列车，超导磁悬浮列车无需大电流即可形成悬浮状态，大幅降低了驱动列车所需的能源消耗。

城市轨道交通：超导材料用于城市轨道交通系统，可实现低噪声、高速的运输方式。

（三）生物医学

在生物医学领域，超导材料主要用于医学成像、生物磁场测量、制造超导电极等应用场景。

医疗成像：超导磁体用于核磁共振成像（MRI）设备，提供高分辨率的体内图像，可用于医学诊断。超导材料可产生强大且均匀的磁场来激发人体内部的氢原子核，从而获取人体结构和功能的信息，提高了诊断的可靠性和安全性。

生物磁场测量：将超导材料集成到监测设备中，可用于测量和分析生物体内的微弱生物磁场，如大脑和心脏的活动。

超导电极：利用超导材料制造的电极监测心电图、脑电图等生理信号。

（四）科学研究

在科学研究领域，超导材料主要用于制造超导核磁共振谱仪、大型粒子加速器、超导磁场探测器等科学装置，增强相关领域研究能力。

超导核磁共振谱仪（NMR）：核磁共振波谱仪由永久磁铁、射频振荡器、射频信号接收器、样品管等部件组成，具有噪声低、抗干扰、测试范围大、稳定性高等优点，可用于材料科学、生物化学和药物研究中的粒子结构分析。

高能粒子物理学：超导材料在大型粒子加速器中用于产生极强的磁场，用于加速和探测亚原子粒子，可研究基本粒子和宇宙物理学问题。

超导量子干涉磁测量（SQUID）：超导量子干涉磁测量基于磁通量子化和约瑟夫森效应，是一种将磁通量转化为电压的磁传感器，具有极高灵敏度，在磁信号探测、生物磁测量、大地磁测量、磁成像以及其他精密电磁测量等领域应用广泛。

四、中国超导材料发展展望

虽然超导材料在多个科技前沿领域具有巨大的应用潜力，但仍然存在一些技术挑战，包括冷却和维护超导材料的低温条件，以及材料的制备成本过高等。随着科学研究的不断进展，超导材料有望在更广泛的应用中发挥更大作用，势必成为各国关注的焦点。

目前，全球仅有美国、英国、德国、日本、中国的少数几家企业掌握了低温超导线生产技术，中国企业已实现低温超导材料的商业化、规模化生产。西部超导是目前全球唯一的超导线材、铌钛锭棒、超导磁体的全流程生产企业，其低温超导线材生产工艺已达国际领先水平。成都奥泰、苏州安科、大连金山等企业在超导设备领域取得进展，可制造核磁共振成像设备、超导电力系统等设备。但我国在精密分析仪器、高端医疗设备、高端科研装备等超导材料高端应用方面与美欧日等发达国家存在明显差距，相关装备和材料仍然依赖从美国、英国、德国、日本等国进口。我国应持续加大在超导材料制备及其应用设备制造技术方面的研究投入，开发针对不同应用场景的超导材料体系，注重相关应用技术的积累，提升我国超导材料技术发展水平及产业竞争力。

参考文献

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作者简介

李维科 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究五室

研究方向：新材料、先进制造领域前沿技术跟踪及产业、政策研究

联系方式：[e-mail]

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编辑丨郑实

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国际技术经济研究所（IITE）成立于1985年11月，是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构，主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题，跟踪和分析世界科技、经济发展态势，为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号，致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。

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