應天平1 王棟樑2 楊芃燾1 趙林1 徐中堂2 劉子儀1 姚超2 馬衍偉2 周興江1 程金光1* 方忠1

1 中國科學院物理研究所

2 中國科學院電工研究所

以REBCO（REBa2Cu3O7-δ，RE代表稀土元素）為代表的高溫超導帶材，因其液氮溫區(qū)優(yōu)異性能，在能源、醫(yī)療、大科學裝置等領域具有重要戰(zhàn)略價值，但目前在長帶一致性、制備成本和工程可靠性等方面仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)。未來發(fā)展需轉向“材料-工藝-應用”協同創(chuàng)新，通過增強磁通釘扎、優(yōu)化多層結構界面與力學性能，并結合規(guī)?；⒅悄芑苽浼夹g，推動高性能帶材的低成本穩(wěn)定生產。文章圍繞REBCO帶材的核心應用需求、研發(fā)現狀與趨勢、關鍵科學技術問題及國產化發(fā)展路徑展開分析，為我國在該領域的自主創(chuàng)新與產業(yè)引領提供參考。

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應用場景和需求

當前，REBCO（REBa2Cu3O7-δ，RE代表稀土元素）為代表的高溫超導帶材已逐步示范應用于若干領域。在電力系統中，主要體現為輸電電纜和以故障限流器為代表的超導電力裝備。作為超導電纜，其核心優(yōu)勢在于能夠利用液氮溫區(qū)條件下零場或弱場中的大電流載流能力，實現極低損耗的長距離電能傳輸，技術焦點集中在持續(xù)提升帶材的臨界電流密度、確保千米級長度下的載流均勻性、有效降低交流損耗，并同步推進成本控制。作為電阻型故障限流器，其功能依賴于高溫超導帶材在短路電流沖擊下從超導態(tài)到正常態(tài)的快速轉變，從而利用電阻的急劇升高實現對故障電流的迅速限制，技術重點在于材料的響應速度、恢復特性及循環(huán)穩(wěn)定性。在磁體系統中，充分利用高溫超導帶材強場下高載流密度的特性，服務于高場磁共振成像、磁約束核聚變、電機/電動機等裝置，對載流穩(wěn)定性與機械強度要求嚴苛。未來，隨著應用場景進一步細分，性能需求將更趨差異化。因此，發(fā)展“需求導向、性能細分”的定制化超導帶材牌號，并建立相應評價體系，能加速推動其規(guī)?；瘧?。

電力系統中的應用

REBCO帶材在電力系統中展現出顯著的性能優(yōu)勢，尤其是在液氮溫區(qū)運行條件下，其制冷成本低、系統復雜度適中，為大容量電力傳輸提供了有效的解決方案。當前，國內已在城市電網增容改造領域開展了示范應用。例如，上海1.2 km35 kV高溫超導電纜項目已經穩(wěn)定并網運行逾4年，深圳10kV超導電纜項目實現核心區(qū)域供電，充分驗證了高溫超導帶材對提升輸電容量的可行性及保障供電的可靠性。超導電纜憑借其極高的載流密度，可在狹窄輸電走廊中有效緩解城市中心區(qū)供電瓶頸問題，應用前景廣闊。未來需持續(xù)優(yōu)化帶材在弱場環(huán)境下的高載流密度、低交流損耗、長時間服役及長程均勻性等核心指標，推動相關技術向更大規(guī)模和更高傳輸容量方向發(fā)展。

在電力系統保護領域，基于REBCO帶材的超導限流器展現出卓越的故障電流抑制能力。該類設備能在電網發(fā)生短路故障時，通過超導材料的失超特性瞬時產生高阻抗，有效限制故障電流峰值，保障電網安全穩(wěn)定運行。我國在該技術領域已實現重要突破，建成投運了多個示范項目。例如，廣東汕頭電網投用的160kV超導直流限流器等，充分驗證了其工程可行性。高溫超導帶材在電力系統的應用潛力并不僅限于故障保護。在電能傳輸、轉換與存儲等更廣泛的電力裝備領域，如超導變壓器、超導儲能系統、電網用超導調相機等，REBCO帶材同樣展現出高效率、高功率密度等突出優(yōu)勢。這些應用場景對REBCO帶材的電流承載能力、n值（反映接近失超閾值時電壓對于電流響應靈敏度）與失超恢復能力提出了嚴格的技術要求。

磁體系統中的應用

在磁體系統應用領域，REBCO帶材已展現出變革性潛力，尤其在磁約束核聚變與極高場科學裝置兩大方向表現突出。以美國聯邦聚變系統公司（CFS）為代表的緊湊型托卡馬克路線，確立了在10—20 K溫區(qū)、10T以上強場運行的REBCO高溫超導磁體的核心地位；同時在液氦溫區(qū)15T以上的極高場科學裝置中，如千兆赫茲核磁共振譜儀與高場磁體，REBCO帶材憑借其高機械強度和強高場載流特性也是目前超導線帶材的最優(yōu)選擇；其他如磁共振成像（MRI）、高能量粒子加速器、高純大尺寸單晶硅生長爐及特種國防裝備磁體等也是重要應用方向。

所有磁體應用對帶材在目標溫區(qū)-磁場下的臨界電流提出極高要求，而磁場下的臨界電流值取決于人工釘扎中心和自然缺陷所提供的磁通釘扎力的大小。根據磁通動力學原理，在不同溫度和磁場中，同樣的釘扎中心所提供的釘扎力完全不同。針對REBCO超導帶材在不同溫區(qū)與磁場下的服役要求，必須通過設計和引入與之適配的特定類型人工釘扎中心，才能有效提升其在對應工況下的臨界電流性能。如圖1所示，在電力系統工作的高溫區(qū)，需要柱狀釘扎中心，即強各向異性中心（在極小磁場下，各向同性的點釘扎亦可提升臨界電流）。而在溫度稍低同時磁場為1—5T的區(qū)域中，需要柱狀釘扎和體釘扎的混合釘扎，即強各向異性和納米粒子的混合釘扎作用。隨著溫度進一步降到聚變應用所在的30K以下且10T以上的區(qū)域，最好是納米釘扎和密集釘扎中心形成的集體釘扎。在10K以下且20 T以上的應用場景中，需要各向同性的集體釘扎。需要指出的是，針對不同磁場和使用溫區(qū)所需的人工釘扎中心及其機理尚不完全清楚。例如，適當的尺寸與分布的高密度柱狀釘扎中心同樣能在低溫中場條件下提供較高的釘扎力。此外，在滿足臨界電流指標的基礎上，價格、供貨時間、臨界電流均勻性、單根長度、臨界電流不可逆應變及剝離強度也通常是應用方的主要訴求指標。

圖 1 不同應用領域對REBCO帶材釘扎條件需求

此外，通過將REBCO帶材繞制成電機的轉子，可構建出高效率、高功率密度的超導電機。此類電機工作在30—50K的中低溫區(qū)間，通常借助斯特林制冷機或冷氦氣循環(huán)實現冷卻，相較于傳統低溫超導所需的大功率吉福德-麥克馬洪（GM）制冷機或液氦浸泡系統，其在體積與能效上的優(yōu)勢極為突出。這一特性使其在對空間和重量敏感的高端裝備中具有不可替代性，應用前景覆蓋海上風力發(fā)電機組、全電/混合動力船舶與航空推進系統、下一代磁懸浮列車、特殊動力及彈射裝置等多個前沿方向。上述應用場景的核心挑戰(zhàn)與需求在于帶材在中低磁場下的高電流密度、優(yōu)異的機械疲勞特性，以及在動態(tài)運行條件下的長期穩(wěn)定性。高溫超導帶材在實際強場磁體中會面臨絞纜需求，因此通過窄帶化、細絲化后組裝絞纜也是未來需要努力的方向。高溫超導帶材的主要應用情況見表1。

表 1　超導帶材主要應用情況

*無絕緣指匝間直接接觸，依賴帶材自身導電導熱；金屬絕緣指表面鍍覆薄金屬層兼具絕緣與導熱電功能；匝間絕緣指完全絕緣，即匝間設置獨立絕緣層

需要指出的是，在任何應用場景中REBCO帶材的力學性能也是其可用性的核心判據。主要包括：臨界電流不可逆應力（定義為臨界電流衰減至95%時所對應的應力）、脫層應力（風險隨磁場與電流升高而加?。?，以及最小無衰減彎曲半徑（直接決定磁體尺寸與結構設計）。此外，在長期服役尤其是交變磁場工況下，必須重點關注帶材的疲勞穩(wěn)定性。高周次（如10萬—100萬次以上）循環(huán)載荷可能導致超導層晶界角擴大、臨界電流發(fā)生不可逆下降，甚至引發(fā)微裂紋與界面脫層，致使性能迅速退化。

實際應用中，單根REBCO帶材的長度限制使得接頭成為必要。普遍使用的“有阻接頭”電阻受帶材表面狀態(tài)影響顯著，需通過控制帶材結構優(yōu)化性能。目前超導接頭技術尚不成熟，多數方案在電學或力學性能上存在短板。日本高場核磁共振（NMR）系統中使用的接頭是相對成功的案例，其電性能接近帶材本體，但因力學強度不足，只能置于磁場外部。未來如能實現低阻、高強的可靠超導接頭，將極大突破帶材長度限制。

此外，在交變磁場或電流條件下，REBCO帶材的交流損耗顯著，已成為制約其在交流電力設備中應用的關鍵因素。當前主要應對方式是帶材細絲化，但該技術仍處于探索階段，尚未形成成熟穩(wěn)定的工藝體系。如何實現高效、低損、結構穩(wěn)定的細絲化REBCO帶材，是亟待攻克的技術難題。

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國內外現狀及發(fā)展趨勢

REBCO高溫超導帶材研發(fā)的核心挑戰(zhàn)在于，如何在長的柔性金屬基底上動態(tài)外延生長出具有嚴格雙軸織構的高性能超導薄膜。為此，自20世紀90年代以來，學界與產業(yè)界相繼發(fā)展了多種織構制備方法。早期主要采用“軋制輔助雙軸織構基板”（RABiTS）技術，通過在鎳鎢合金等金屬基帶上進行軋制與再結晶處理，直接誘導形成雙軸織構。隨后出現的“傾斜基板沉積”（ISD）方法，雖然在一定程度上也能獲得織構取向，但由于其織構質量較差、均勻性不足，且工藝窗口較窄，難以滿足高性能長帶制備的需求，已逐漸淡出主流技術路線。目前的主流方法是“離子束輔助沉積”（IBAD）方法，在非織構的金屬基帶上沉積具有織構的氧化鎂緩沖層。然后，在此基礎上進一步采用脈沖激光沉積（PLD）、金屬有機化合物化學氣相沉積（MOCVD）、金屬有機沉積（MOD）和反應共蒸發(fā)（RCE）等技術路線沉積具有雙軸織構的REBCO超導層。各技術路線的特點和優(yōu)缺點如表2所示。

表2　各技術路線的特點和優(yōu)缺點

自1999年第1根百米長REBCO帶材被制備出來之后，超導帶材的研發(fā)開始從研究所、大學逐步向企業(yè)轉移。國際上已有多家公司先后成功研制出長度達千米，且能夠傳輸數百安培以上電流（77K，自場，每厘米寬度）的REBCO帶材。目前，國外采用PLD路線生產REBCO超導帶材的企業(yè)主要有日本Faraday Factory Japan（FFJ）、日本Fujikura、俄羅斯S-Innovations等；基于MOCVD路線的企業(yè)主要有美國SuperPower等；基于MOD路線的企業(yè)主要有美國AMSC等；基于RCE路線的企業(yè)主要為韓國SuNAM。我國自從“十三五”以來，REBCO帶材批量化制備水平快速提高，已逐漸進入國際先進水平行列。我國的上海超導、東部超導（原蘇州新材料研究所）和上海上創(chuàng)超導公司分別采用PLD、MOCVD和MOD路線實現了商業(yè)化帶材生產。近年來，基于PLD路線的甚磁科技公司等新興企業(yè)也使我國REBCO帶材的產業(yè)化規(guī)模不斷擴大。目前國內外在REBCO帶材研發(fā)方面的最新進展如下。

國外進展

PLD路線

日本以PLD技術為主的代表性實驗室包括名古屋大學、日本產業(yè)技術綜合研究所、成蹊大學和愛知工業(yè)大學等。在生長動力學方面，愛知工業(yè)大學通過蒙特卡羅方法模擬了柱狀缺陷的自組裝過程，研究了其形貌、密度與生長速度之間的關系。名古屋大學則研究了BMO（BaMO3，鈣鈦礦氧化物，M可為Zr、Sn、Hf）納米柱形貌與濃度對超導性能的影響，并利用多層膜結構引入不連續(xù)的BMO納米柱缺陷，以調控其濃度和形狀。此外，名古屋大學采用了機器學習方法追蹤PLD生長過程中的羽輝形狀變化，采集羽輝形狀信息并調整實驗條件（如透鏡位置），以確保生長過程中羽輝形狀保持一致。

日本FFJ公司采用PLD技術路線，2025年產能達到1000km（注：如無特別說明，均已換算成12mm寬帶材）。該公司目前的研究重點是優(yōu)化帶材制造鏈，包括緩沖層質量、超導材料在磁場中的性能，以及銅層和焊接層的均勻性。此外，該公司正在推進基于600W大功率準分子激光器的REBCO帶材制備技術，若成功，生長速度將實現大幅提升。該公司目前正在與日本九州大學研究團隊合作，開發(fā)基于機器學習的數字模型，利用掃描霍爾技術和人工智能技術對帶材性能進行預測。該預測方法基于大量實驗數據，通過初始工藝參數（如溫度、氧壓、激光能量等）對最終帶材性能進行推斷，同時可以根據工藝條件高精度預測帶材的臨界電流Ic。

日本Fujikura公司也采用PLD技術路線，重點研究帶材的均勻性和工藝重復性，以及帶材（尤其是超導層）在低溫下的疲勞力學行為。其優(yōu)勢在于“Hot-wall”PLD技術，該技術能夠實現更加均勻的溫度控制。Fujikura成功制備了寬度為4mm、長度達1.4 km的單根帶材，且電流分布均勻。

美國新成立了基于PLD的HTS REBCO帶材公司，推動REBCO帶材在聚變中的應用。美國堪薩斯大學團隊主要研究PLD技術路線，重點放在動力學及多層膜結構的性能提升。

德國THEVA公司基于原位反應合成（ME）技術，當前年產能約為100km。該技術在大面積基帶上鍍膜方面具有優(yōu)勢。德國KIT與歐洲CERN成立了KC4項目聯合實驗室，旨在彌合小規(guī)模材料研究與大規(guī)模批量生產之間的差距，專注于PLD技術路線，主要進展包括實現了4cm寬的PLD帶材，但目前仍處于研發(fā)階段。

MOCVD路線

美國SuperPower公司采用MOCVD技術路線，目前年產能為300km。其研發(fā)重點包括新工藝配方、細絲化、分切技術及絕緣工藝等方面。此外，法國Renaissance Fusion也專注于MOCVD技術，目標是實現1m寬的帶材制備。美國休斯頓大學團隊采用雙面鍍膜方法提高性能，但受限于其加熱方式（自加熱），其技術路線難以轉移至工業(yè)化生產。

MOD路線

美國AMSC公司是最早實現REBCO帶材商業(yè)化的公司，其使用的是MOD技術路線，目前其產品全部供給內部使用，具體研發(fā)方向無公開報道。日本Sumitomo公司在MOD技術路線的開發(fā)中取得進展，主要研究方向包括納米顆粒摻雜、厚膜制備及長帶材的開發(fā)。西班牙巴塞羅那的ICMAB-CSIC研究所主要發(fā)展MOD技術路線，研究重點為提高沉積速度、MOD成相動力學、納米顆粒的引入，以及稀土元素與沉積溫度的關系，提出了液相輔助的瞬態(tài)成相理論。

RCE路線

RCE路線在輸電電纜方面有一定商業(yè)潛力。韓國SuNAM公司采用RCE技術路線，當前年產能約為400km（4mm寬）。RCE技術的優(yōu)勢在于高溫自場下具有較高的臨界電流，但在磁場下性能較弱。為了彌補這一不足，SuNAM引入了PLD技術，用于生長種子層，再通過RCE繼續(xù)生長，以提高整體性能。

國內進展

上海超導公司長期專注于PLD技術路線，并在多個應用領域形成了系列化產品布局。當前該公司年產能已達數千公里級別，并計劃進一步擴大生產規(guī)模。其近年來的技術發(fā)展重點圍繞關鍵原材料與核心裝備的自主化展開，包括推進靶材與激光器的國產化替代，并持續(xù)優(yōu)化激光分切等后段工藝，以提升生產效率和產品一致性。東部超導公司致力于發(fā)展MOCVD技術路線，并成功實現了千米級長帶的規(guī)?；苽?。其產品在低溫強場環(huán)境下展現出良好的性能潛力，為核聚變等極端場景應用提供了重要材料選項。上創(chuàng)超導公司致力于通過低成本MOD工藝實現REBCO帶材的規(guī)?；苽?。其典型產品在自場、77 K條件下實現好的載流性能，展現了MOD路線在平衡性能與成本方面的應用潛力。公司近期通過引入BHO等納米顆粒作為人工釘扎中心，改善了帶材在中高磁場下的載流性能。甚磁科技公司是近年來新成立的基于PLD技術路線的帶材企業(yè)，已建立了完整的生產線，具備批量供應能力。

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關鍵科學技術問題

REBCO作為一種層狀陶瓷材料，無法采用傳統拉拔工藝成型的粉末裝管法制備高性能線材，且其超導性能具有強各向異性，需實現超導薄膜雙軸織構取向生長。當前主流的REBCO帶材是在柔性金屬基帶（如哈氏合金）上，通過7—8層鍍膜技術依次外延生長而成的復雜多層結構，依次為：隔離層（Al2O3、Y2O3）→種子層（MgO）→帽子層（LaMnO3、CeO2）→超導層→穩(wěn)定層（Ag、Cu）（圖2），其中隔離層、種子層、帽子層統稱為緩沖層。以下針對各層材料所面臨的關鍵科學技術問題做逐一介紹。

圖 2 REBCO超導帶材的結構

哈氏合金基帶

由于REBCO材料屬于韌性差的陶瓷材料，需要將其涂覆在有韌性且機械性能優(yōu)異的金屬基帶上成膜，因此具有高強度和納米級表面平整度的合金基帶是REBCO高溫超導帶材的關鍵基礎材料。哈氏合金因其熱膨脹系數與REBCO匹配、低磁導率、高強度和良好的表面平整度成為主流基帶材料。

當前面臨的關鍵科學技術問題：

1.高純凈合金制備：需降低C、S、P、O等雜質含量，防止超薄長帶（30—50 μm厚，千米級長）在加工中開裂。

2.精密加工工藝：需攻克超長、超強、超光滑、超薄的精密軋制技術。

3.原材料規(guī)模與生產裝備的匹配：需要大噸位（3t以上）高純合金冶煉能力，以匹配千米級薄帶生產線的規(guī)模需求。

4.性能升級需求：面向更高磁場、更小彎曲半徑的應用，亟需發(fā)展比C276哈氏合金強度更高、疲勞耐受性更好并且導電、導熱性更好的新一代基帶材料。

5.發(fā)展高效分切技術：目前分切均依賴于日本在國內的子公司，存在一定風險。

隔離層（Al2O3、Y2O3）

在REBCO帶材的生產過程中，由無定形Al2O3和Y2O3組成的隔離層主要起到阻擋基帶中的元素擴散和提供平整成核面的作用。目前，幾乎所有主流REBCO帶材生產廠家均采用Al2O3+Y2O3的緩沖層工藝組合，其主要原因在于該結構高度適合工業(yè)化卷對卷沉積，能夠在相對較低的沉積溫度下形成致密、連續(xù)的薄膜。同時，Al2O3和Y2O3的熱膨脹系數與哈氏合金等常用金屬基帶較為接近，可有效降低熱循環(huán)過程中產生的界面應力。該層工藝已相對成熟，是產業(yè)化體系中的穩(wěn)定環(huán)節(jié)，當前暫無亟需突破的技術瓶頸。

種子層（MgO）

MgO種子層的主流制備路線是IBAD。IBAD是采用離子束輔助技術獲得薄膜沉積時的擇優(yōu)取向，進而在金屬基帶上生長雙軸織構取向的氧化物緩沖層。

當前面臨的關鍵科學技術問題：

1.基礎科學問題：離子束誘導織構的微觀機理尚未完全厘清，缺乏統一的定量模型。

2.技術挑戰(zhàn)：IBAD-MgO厚度僅數納米，工藝窗口極窄，對沉積速率、離子束參數（通量、能量、入射角）高度敏感。在卷對卷生產中，基帶速度、張力波動和離子束不均勻性極易導致織構劣化，長帶均勻性控制難度大。

3.裝備復雜性：IBAD 系統集成度高，設備昂貴且維護復雜，是生產線中投資最大的環(huán)節(jié)之一。

帽子層（LaMnO3、CeO2）

錳酸鑭（LaMnO3）和氧化鈰（CeO2）是REBCO帶材中2種主要的帽子層材料，其核心功能在于緩解MgO層與REBCO超導層之間的晶格失配，為后續(xù)高質量外延生長提供連續(xù)、平整、無裂紋、致密且高溫化學穩(wěn)定的模板表面。LaMnO3成本較低但織構質量通常不如CeO2；CeO2織構質量更優(yōu)但成本高、工藝復雜。

當前面臨的關鍵科學技術問題：

1.成膜機制研究：揭示不同帽子層在高速沉積環(huán)境下對REBCO薄膜生長動力學的具體影響機理。

2.高質量LaMnO3工藝開發(fā)：優(yōu)化磁控濺射工藝，實現面內織構度優(yōu)于7°、長度超過2000m的高均勻性LaMnO?薄膜制備。

3.界面工程優(yōu)化：通過表面處理、摻雜等手段，提升帽子層與REBCO層之間的結合強度及電-機械綜合性能。

超導層（PLD、MOCVD、MOD）

當前REBCO帶材在液氮和液氦溫區(qū)的臨界電流密度（Jc）僅為根據Ginzburg-Landau理論計算的拆對電流（Jd）的20%—30%，且存在臨界電流隨厚度增加而非線性增長的“厚度效應”。因此，針對不同應用溫區(qū)與磁場，設計并引入高效的人工釘扎中心是提升在場性能的關鍵。表3列出了REBCO帶材不同溫區(qū)釘扎效率的對比。

表 3　REBCO帶材不同溫區(qū)釘扎效率對比

PLD路線

目前，全球范圍內能夠實現年產量超過1000公里、且具備高性能水平的高溫超導帶材生產企業(yè)，均主要采用PLD技術路線。PLD技術的基本原理是利用高能脈沖激光轟擊多組分REBCO靶材，使靶材以接近化學計量比的形式瞬時蒸發(fā)并形成高溫等離子體羽輝，該等離子體在真空或低壓氧氣環(huán)境中定向傳輸，最終沉積在被加熱的帶有雙軸織構緩沖層的基帶上。

當前面臨的關鍵科學技術問題：

1.羽輝動力學與控制：在基帶高速移動（基帶速度數十米/小時至百米/小時）、高頻激光（300Hz）轟擊的動態(tài)過程中，研究羽輝陣列的形成、擴展規(guī)律及其與背景氣體、襯底溫度的相互作用，實現對羽輝的精確控制。

2.多尺度建模與工藝優(yōu)化：構建“激光參數—羽輝特性—薄膜結構”的關聯模型，揭示生長動力學規(guī)律，為工藝優(yōu)化提供理論指導。

3.靶材與工藝協同設計：超導帶材在不同應用場景（高溫高場、低溫高場、高溫低場等）需要不同類型的釘扎中心。需研究如何通過協同調整靶材化學組分（摻雜）和PLD沉積工藝參數（溫度、氧壓、速度、激光參數等），定向構筑所需的釘扎結構，以精準提升目標工況下的載流性能。這需要建立“靶材—工藝—微觀結構—宏觀性能”的全鏈路數據庫，并形成定量認識。

MOCVD路線

目前，全球范圍內致力于推動高溫超導帶材產業(yè)化與低成本規(guī)模生產的企業(yè)與研究機構，正將MOCVD技術視為重要的發(fā)展路線。

MOCVD技術的基本原理是通過將金屬有機前驅體在設定溫度下氣化，在精確控制的溫區(qū)環(huán)境中與載氣一同輸送到基帶表面，隨后在高溫襯底上經歷“分解—反應—沉積—外延”的連續(xù)動態(tài)生長過程。相比其他工藝，MOCVD在REBCO帶材制備中具有組分調控靈活、成膜面積大、膜厚均勻性良好等優(yōu)點，同時由于無需高功率激光器、對真空環(huán)境要求相對較低，在設備成本、維護復雜度及規(guī)?；瘮U展方面具備顯著優(yōu)勢。近年來，已有多家企業(yè)和研究團隊報道基于MOCVD技術成功制備出在低溫高場條件下表現出優(yōu)異性能的REBCO帶材，充分印證了該技術路線的應用潛力。

然而，當前MOCVD技術在實際規(guī)?；a中仍面臨若干關鍵挑戰(zhàn)，主要包括以下3個方面。

1.高純金屬有機源制備：RE、Ba、Cu的有機源（多為固態(tài)）提純困難，特別是鋇和稀土源易發(fā)生聚合，影響揮發(fā)性和純度，需攻克公斤級高純、穩(wěn)定有機源的工業(yè)化制備與質檢技術。

2.系統穩(wěn)定性提升：MOCVD過程涉及氣化（~300℃）、輸運（300℃—340℃）、生長（>850℃）3個溫差顯著的階段，極易因管路堵塞、溫控失效導致組分偏離和性能下降。需從設備結構、加熱與溫控方式上進行根本性優(yōu)化，實現全程精準控溫。

3.設備多物理場模擬：由于工作真空度較低（~102 Pa），腔室內的氣流、溫度場分布對薄膜均勻性影響巨大。需通過多物理場仿真優(yōu)化設備設計，縮短研發(fā)周期。

MOD路線

MOD制備REBCO超導層所需主要原料為低成本的三氟乙酸鹽，且在低溫熱解、高溫REBCO超導層晶化和后期REBCO層由四方相轉為正交相的吸氧階段均無需真空設備，因而MOD是目前綜合成本最低的超導層制備方法。

當前面臨的關鍵科學技術問題：

1.去氟/減氟工藝優(yōu)化：MOD技術面臨的關鍵挑戰(zhàn)之一，是如何在熱解與晶化過程中實現高效、徹底的氟化物去除，同時避免因脫氟反應不充分或副產物殘留而損害REBCO超導薄膜的織構質量、化學純度及最終載流性能。

2.可控釘扎中心的引入及釘扎效能提升：傳統離子摻雜法形成的釘扎中心尺寸和分布難以控制。目前主要引入零維點缺陷，探索引入一維柱狀缺陷（如通過成本可控的離子輻照）以及點-柱協同釘扎機制，以抑制各向異性、拓展應用。釘扎中心在高溫處理過程中的穩(wěn)定性需提升，防止其粗化。

3.厚膜制備工藝優(yōu)化：厚膜制備中的應力、裂紋以及釘扎中心在厚度方向均勻分布的問題，需要將釘扎調控與厚膜生長工藝深度集成優(yōu)化。

此外，RCE路線在商業(yè)高溫超導輸電方面有一定前景，本研究不做詳細展開。無論是PLD、MOCVD、MOD還是RCE路線，其超導層均為脆性陶瓷材料，普遍存在韌性差、抗拉強度低等固有弱點。具體表現為：當帶材所受拉應力達到基體屈服強度的70%—80%時，超導層易萌生裂紋，導致臨界電流發(fā)生“斷崖式”衰減；同時，脫層應力不足與最小彎曲半徑受限，也直接影響帶材在繞制、裝配及運行中的可靠性。這些力學失效機制貫穿于所有技術路線的材料設計、制備工藝與應用場景中，是決定超導帶材能否實現規(guī)?；⒏呖煽繎玫暮诵钠款i之一。

穩(wěn)定層（Ag、Cu）

在高溫超導REBCO帶材中，銀（Ag）層與銅（Cu）層的制備是封裝與穩(wěn)定化的核心工藝環(huán)節(jié)。銀層直接沉積于REBCO超導層之上，主要作為兼顧化學防護、氧擴散通道與電接觸的關鍵界面層；銅層則電鍍于銀層之外，作為帶材的主要電流穩(wěn)定與熱擴散層，并提供機械支撐。二者協同作用，共同決定了帶材的長期穩(wěn)定性、電流傳輸效率與工程應用的可靠性。

當前面臨的關鍵科學技術問題：

1.性能平衡：銅層厚度增加有利于穩(wěn)定性和熱擴散，但會降低工程電流密度和機械強度，需根據不同應用需求優(yōu)化厚度。

2.微觀結構調控：銅層的純度、晶粒結構直接影響其電阻、熱導率和機械性能，需建立其與宏觀性能的定量關系。

3.均勻性控制：電鍍工藝易導致銅層沿寬度和長度方向厚度不均，嚴重影響其后續(xù)應用過程中的產品質量（如電纜尺寸、密繞型線圈繞制平整度等）控制，需開發(fā)精密控制技術確保均勻性。另外，大長度帶材的電鍍極易出現小孔洞等缺陷，電鍍的完整性控制非常重要。

當前高溫超導帶材工程化與產業(yè)化推進中，仍存在諸多亟待突破的瓶頸問題，本文具體梳理10個關鍵科學技術問題（表4）。

4

政策建議

為推動我國實現從基礎研究領先到產業(yè)應用領跑的轉變，提出5點建議舉措。

1

加強基礎研究，推進AI賦能材料研究新方法

持續(xù)加大基礎研究投入，依托國家重大科技基礎設施，支持超導機理、新型超導材料體系探索等原創(chuàng)性、顛覆性研究，為下一代技術儲備源頭創(chuàng)新；強化應用導向研究，針對限制超導材料性能瓶頸的成相機制、相演變規(guī)律和磁通釘扎機理等問題，設立專項研究計劃；推動人工智能與材料科學深度融合，大力支持AI技術在超導材料發(fā)現、工藝優(yōu)化、性能預測、缺陷分析及機理研究中的應用，推動新型高熱導、高電導緩沖層材料設計，提升高溫超導帶材穩(wěn)定性。

2

加強關鍵技術攻關，確保核心裝備自主可控

聚焦高溫超導產業(yè)鏈中的“卡脖子”環(huán)節(jié)，系統布局、重點突破。首要任務是組織優(yōu)勢力量和骨干企業(yè)，攻克高性能長帶材連續(xù)化制備所需的核心技術。整個技術攻關過程應堅持以國家重大戰(zhàn)略需求為牽引。例如，針對可控核聚變裝置對極高性能超導磁體的要求，以及高端醫(yī)療裝備國產化對高均勻度、高穩(wěn)定性醫(yī)用磁體的迫切需求，設立專項研發(fā)任務，反向驅動相關關鍵技術的持續(xù)攻關與迭代升級。其次需要攻克核心裝備如IBAD系統、高速PLD沉積設備、大型MOCVD反應腔等，并實現大功率準分子激光器及面向高場、低溫、多物理場耦合條件的高端綜合測試系統的自主可控。最終形成從核心材料、關鍵裝備到重大工程應用的全鏈條協同發(fā)展能力。

表4　高溫超導帶材領域亟待解決的10個關鍵科學技術問題

3

加快建設高溫超導帶材臨界性能測試平臺，夯實工程應用數據基礎

面向工程應用的高溫超導帶材性能測試需求，建立千安級電流、強磁場、寬溫區(qū)及多角度磁場條件下的臨界性能綜合測試平臺。目前國際上具備此類綜合測試能力的機構主要包括美國強場中心（31T/45T）、日本東北大學（25T）、新西蘭羅賓遜研究所（8T）和瑞士日內瓦大學（15T）等少數機構，這些機構建立的工程數據庫為材料評估和磁體設計提供了重要支撐。我國已建成的高場磁體有中國強磁場科學中心（31T/45T）和綜合極端條件實驗裝置（26T/35T）等，然而目前尚未建成針對高溫超導帶材的測試平臺，這嚴重制約了未來國產帶材在聚變磁體等高場應用中的可靠性驗證，亟需布局建設自主的強磁場-大電流-低溫綜合測試平臺，并構建標準化工程數據庫，為我國高溫超導相關的重大科技裝備安全運行提供數據保障和技術基礎。

4

加快完善高溫超導材料標準體系建設，提升國際競爭話語權

系統完善國內高溫超導材料標準體系并探索開發(fā)新的應用場景，進一步加快制定和完善涵蓋REBCO材料（性能、測試方法）、應用組件（電纜、磁體）、系統工程與運維等方面的全套標準，規(guī)范行業(yè)發(fā)展。通過牽頭組建標準制定聯盟、搭建第三方權威檢測平臺、推動標準與市場需求深度綁定等方式提升國際話語權，積極參與并主導相關國際標準的制定與修訂工作，推動國內標準與國際接軌，提升我國在全球超導產業(yè)中的影響力和競爭力。

5

貫通產學研用聯合機制，加快成果示范應用轉化

圍繞“材料—器件—裝備—系統”全鏈條，構建高效協同的產學研用聯合創(chuàng)新體系，打造穩(wěn)定運行的協同創(chuàng)新平臺和產業(yè)聯盟；通過設立“應用示范引導專項”，在磁約束核聚變、粒子加速器、電網、軌道交通、醫(yī)療等領域推動建設具有規(guī)模和影響力的示范工程，以真實場景下的性能與成本要求，倒逼材料、工藝和裝備的迭代升級，加速技術成熟。

致謝

在報告撰寫過程中，感謝古宏偉、劉建華、王秋良、秦經剛、徐慶金、楊堅、丘明、聞?；?、索紅莉、趙躍、武悅、陶伯萬、蔡傳兵、周迪帆、朱佳敏、王玉山等專家對報告內容提出的專業(yè)意見與建設性建議；感謝張偉剛和徐慧在材料整理和版面設計方面付出的努力。

作者簡介

應天平中國科學院物理研究所特聘研究員。主要研究領域：新型高溫超導材料探索及實用化研究。

程金光中國科學院物理研究所副所長、研究員。主要研究領域：高壓極端條件下的新超導材料和奇異物理現象。

文章來源

編輯：LYang