超导材料前景和应用.doc

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超导材料前景和应用　　随着高温超导(HTS)材料研究的进一步深化，以及高可靠性和高效率的制冷系统的发展，推动了高温超导在未来十年进入快速的实质化扩张阶段。下面是有关于超导材料前景和应用，欢迎阅读。 　　超导储能技术在电力系统中的重要应用前景超导储能技术(SuperconductingMagneticEnergyStorage,SMES)利用超导线圈产生的电磁场将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载，可用于充放电时间很短的脉冲能量储存。由于超导线圈的电阻为零，电能储存在线圈中几乎无损耗，其储能效率高达95%。 　　SMES系统最重要的应用就是电力系统。现代电力系统在安全稳定运行方面存在明显缺陷，原因在于系统中缺乏能够大量快速存取电能的器件，其致稳保护措施主要依赖于机组的惯性储能、继电保护和其他自动控制装置，基本属于被动致稳。SMES作为一个可灵活调控的有功功率源，可以主动参与系统的动态行为，既能调节系统阻尼力矩又能调节同步力矩，因而对解决系统滑行失步和振荡失步均有作用，并能在扰动消除后缩短暂态过渡过程，使系统迅速恢复稳定状态。由于SMES发出或吸收一定的功率，可用来减小负荷波动或发电机出力变化对电网的冲击，故可作为敏感负载和重要设备的不间断电源，同时解决配电网中发生异常或因主网受干扰而引起的配电网向用户供电中产生异常的问题，改善供电品质。超导储能响应速度快，能够最大限度地减少不稳定电力对电网的冲击。SMES适合用于解决风电、光伏发电系统的并网问题。另外，SMES还可以为电力系统提供备用容量，对于保障电网的安全度及事故后快速恢复供电具有重要作用。当前中国部分地区供电形势紧张，电网运行处于备用不足的状态，SMES高效储能特性可用来储存应急备用电力;特别是对于个别重要负荷，SMES作为备用容量可以提高电网的安全稳定运行水平。 　　超导储能的优点主要有：①储能装置结构简单，没有旋转机械部件和动密封问题，因此设备寿命较长;②储能密度高，可达到108J/m3，可做成较大功率的系统;③响应速度快(1～100ms)，调节电压和频率快速且容易;④无噪声污染，且维护简单等。 　　超导储能技术的核心在于超导材料。超导材料技术的发展是提升超导储能技术的前提。已发现的高温超导材料按成分可分为含铜的和不含铜的。含铜超导材料有镧钡铜氧体系(TC=35～40K)、钇钡铜氧体系(按钇含量不同，TC发生变化。最低为20K，最高可超过90K)、铋锶钙铜氧体系(TC=10～110K)、铊钡钙铜氧体系(TC=125K)、铅锶钇铜氧体系(TC约70K);不含铜超导体主要是钡钾铋氧体系(TC约30K)。目前，采用包套管法制备长～km的Ag基Bi系多芯复合超导带的技术已比较成熟。工程电流密度达到100A/mm2(77K)、长度为100～1000m的Bi系多芯复合导线已实现商品化。美国超导公司已建成年生产能力为900km的Bi系高超导带材生产线，他们计划将高温超导带材的价格降低到10～25美元/kA·m。如果这个目标能够实现，届时高温超导储能技术的各种应用将完全具备实用化推广的可能。 　　实用超导材料发展演变前景展望超导材料除零电阻特性外，还具有完全抗磁性和宏观量子效应等诸多常规材料所不具备的奇特性质。利用超导体的这些特性可以传输大电流、获得强磁场、实现磁悬浮、检测微弱磁场信号等，因此超导材料广泛应用于电力、电子、军事、医疗、交通运输、高能物理等许多领域。 　　目前，超导材料已发现上千种，包括单质、合金和化合物。从1911年第1次发现超导现象到1985年，超导转变温度最高为铌三锗的23K，这些超导材料工作在液氦环境，一般称为低温超导材料。1986年，Bednorz和Muller发现了Tc达到30K的La-Ba-Cu-O超导体，标志着高温超导研究的开始。紧接着发现了Tc超过液氮温度(77K)的Y-Ba-Cu-O(YBCO，Tc=92K)、Bi-Sr-Ca-Cu-O(Bi2223，Tc=110K)，Tl-Ba-Cu-O(Tl2223，Tc=127K)和Hg-Ba-Ca-Cu-O(Hg1223，Tc=134K)等系列氧化物高温超导材料，它们可以工作在廉价的液氮环境，这类材料被称为高温超导材料。1990年以前，实用化超导材料的研究主要集中在低温超导材料。目前，低温超导材料已经进入产业化阶段，实用化超导材料研究主要集中在铜氧化物的高温超导材料。 　　虽然近年来各类新型超导材料层出不穷，包括XX年发现的二元化合物MgB2和XX年发现的FeAs超导材料。然而从实用的角度，特别是就电力能源系统的强电应用而言，只有Bi、Y系材料才有市场价值。Fe、Tl和Hg系由于含有环境危害元素和特殊的制备工艺，失去了作为一种实用超导材料的广泛性和普适性。 　　上世纪90年代末，随着第1代Bi系超导材料的制备技术取得重大突破，高温超导线材很快形成产业化生产能力，极大地促进了超导应用技术的发展，如高温超导电缆、高温超导限流器、高温超导变压器、高温超导电动机等已经进入示范运行阶段。超导电力技术的应用可望提升电力工业的发展水平和促进电力业的重大变革。因此，世界主要发达国家均把超导电力技术视为具有经济战略意义的高新技术。美国能源部认为超导电力技术将是21世纪电力工业唯一的高技术储备，发展高温超导电力技术是检验美国将科学发现转化为应用技术能力的重大实践，而日本新能源开发机构(NEDO)则认为发展高温超导电力技术是在21世纪的高技术竞争中保持尖端优势的关键所在。可见，超导技术越来越成为1种不可替代的具有经济战略意义和巨大发展潜力的高新技术。 　　高温超导材料可广泛应用于电力、电子、医疗、国防军事、交通运输、高能物理等领域，大致可分为两大类:大电流应用(强电应用)、电子学应用(弱电应用)(见表1)。超导技术越来越成为1种不可替代的具有经济战略意义和巨大发展潜力的高新技术，将会对国民经济和人类社会的发展产生巨大推动作用。特别值得指出的是:高温超导线带材可制备成各类器件，包括超导储能、变压器、电缆、限流器等等广泛用于先进电网之中(见图1)。正如光纤的发明催生崭新的信息时代，高温超导线带材也将带来电力工业史上划时代的革命。 表1高温超导材料的强电和弱电应用 　　目前，世界范围内能源供应越来越紧张，而电能有大量浪费在传输线上。仅美国每年在输电线上的损失就高达400亿美元。而如果使用高温超导线材，不仅可避免这些损失，还可以节约大量的金属材料。因为同样直径的高温超导材料的导体能力高于普通铜导线的100倍以上。高温超导线材制成的超导器件具有损耗低、体积小、重量轻和效率高等特点。另外，建设超导智能电网是解决常规电缆远距离输电时对超高压电缆及技术依赖的唯一途径。例如，从内蒙到上海通过传统输电方式至少需要500kV的电压，而通过超导电缆仅仅需要220V即可输送。 图1先进电网中的超导应用 　　随着经济和社会发展，人们对电能的需求量日益增长，电力系统的容量越来越大，电网将不得不向超大规模方向发展，同时人们对电能质量和安全的要求也越来越高，急需进行电力工业的革新改造。 　　自1911年超导被发现以来，超导材料的发展经过了一个从简单到复杂，即由一元系到二元系、三元系直至多元系的过程。根据其适用温度及制备工艺的不同，可简单分为低温超导、第一代高温超导和第2代高温超导等几类。考虑到最大的需求是超导线带材，这里并没有介绍高温超导块材、单晶外延薄膜和目前尚处于探索阶段的MgB2(Tc=40K)超导体。 　　1.低温金属超导体(NbTi，Nb3Sn线材:传统的拉丝技术) 　　以Nb3Sn、NbTi为代表的低温超导体已实现了商品化，并得到广泛的应用，尤其在全球医疗和科学仪器方面，如用于医学诊断的核磁共振成像仪(MRI)及用于谱线分析的核磁共振仪(NMR)。目前超导应用在全球医疗和科学仪器方面的年产值大约是100亿美元，低温超导材料占据了整个超导应用领域90%以上的市场。然而低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵的液氦系统下使用，严重限制了低温超导在电力能源系统中的应用。 　　2.第1代高温超导带材(Bi系:传统的粉末套装工艺) 　　Bi系超导线材又称第一代高温超导带材，具有更高的上临界场，可以用来获得更高的磁场。包括中国在内的多家企业可以批量生产出长度为千米级的铋系多芯超导线材。 　　然而Bi系材料在液氮温区的不可逆场较低，只有在较低温度时才适于强电应用;此外，其交流损耗远太大，不符合交流传输和变化磁场的应用;另外，普遍使用的粉末套装工艺(PIT)离不开贵重金属Ag，成本甚高，使得基于它的超导技术在工业上的大规模应用前景变得渺茫，世界各国已逐步放弃第一代超导在电力传输方面的应用，将研究重点转移到开发基于Y系的第二代高温超导带材上来。 　　3.第2代高温超导带材(Y系:现代薄膜生长技术) 　　Y系带材晶粒间结合较弱，难以用传统的PIT成材工艺制备带材，其成材通常建立在现代薄膜外延生长技术上，称为第二代高温超导带材(也称为高温超导涂层导体)。 　　与第一代高温超导带材相比，Y系带材具有较高的不可逆场，在磁场中临界电流密度可维持在很高的水平，突破了Bi系材料只能实用于直流和低温的限制，是真正的液氮温区下强电应用的超导材料。更为可贵的是第2代高温超导材料以价廉的Ni或者Ni合金为基带，甚至以一般的不锈钢为衬底，材料成本明显优于第1代导体的Bi-2223系线带材，性能价格比优势明显，使高温超导在电力工程中的广泛应用成为可能。 4.高温超导带材的性价比及其市场发展需求 　　XX年3月美国BentoStategy机构公布的超导市场调查结果显示:世界上大多数研发机构的超导工程计划将选用第2代高温超导材料。根据XX美国能源部《美国高温超导材料市场分析与预测报告》预测，随着第2代高温超导带材产业规模的扩大及带材性能的提高，其性能价格比将大幅下降至接近10$/kA·m，低于铜导线的性能价格比，这同时又会促进市场对高温超导带材的需求。 　　随着性能价格比的提高，开展各种大规模超导应用也将变为可能，市场需求和产值也将会有显著提高，根据XX美国能源部《美国高温超导材料市场分析与预测报告》初步估计，从XX年起，高温超导限流器、电缆等应用将逐渐占据市场主要份额，至2020年，超导电动机将占据市场的79%，其它超导电力设备的市场份额为:超导变压器76%、超导发电机50%、超导电缆80%。国际超导科技界(XX年世界超导工业峰会)和相关产业部门预测，到2020年，全球超导产业超过2400亿美元。以上估算还只是在美国政府尚未公布推进智能电网和超导电网计划的预测值。 　　上世纪90年代美国克林顿政府推行的NII(NationalInformationInfrastructure)计划，利用光纤技术为基础，成功推进信息产业革命，为美国经济的发展取得了巨大的成功。为了摆脱XX年起的全球金融危机，美国希望发起一场新的能源革命。XX年美国白宫发布的经济复苏计划意味着奥巴马政府能源计划的下一步将是发展智能电网，以帮助美国走出困境。智能电网是当今世界电力系统发展变革的最新动向，并被认为是21世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势。美国政府的新能源计划主要包括两张网:即智能电网和超导电网。 　　目前超导电缆的技术、成本、市场等已经具备了进入美国电网改造的主要市场的能力，美国能源法也肯定了超导电缆电网的作用。如果美国的超导电网计划真正实施，超导的产值将会有一个跳跃式的市场需求。中国著名能源研究专家韩晓平预测，美国发展智能电网，8～10年内整个产业规模将超过5万亿美元;同时美国发展超导输电，8～10年内产业规模将陡增超过30万亿美元。通过超导电网战略，美国超导的电力应用产业规模在8～10年内将达到25万亿美元。XX年美国国民生产总值约为万亿美元，按照平均增长率3%，到2020美国GDP将达到万亿美元，10年内总GDP约为万美元，超导电力应用平均约占GDP的%。 　　虽然中国在超导电力研发和应用都落后于美国，如果我们抓住机会大力发展，有理由相信中国超导电力应用在晚于美国5年(2025年)后可以获得其1/3的规模(占全国GDP的5%)。XX年中国总GDP为万亿美元，如果保持9%的增长速率，到2020年可达到11.9万亿美元，到2025年为万美元。则2025年中国超导电力规模可望达到9130亿美元，其中超导电缆约占55%，即5020亿美元，占全国GDP的%。 　　XX年中国电线电缆生产总值占全国GDP的%左右，约为700亿美元，其中电力电缆约占30%，即210亿美元。有关预测显示，我国电线电缆行业在21世纪前10年将按10%～15%的速度增长，如果我们大力发展高温超导电力应用，电力电缆行业可望获得25%的增长速度，到2025年，全国电力电缆产值将达到万亿美元，约占全国GDP的%。美国估计其2020年超导电缆将取得80%的电缆市场，2025年我国超导电缆有望取得电力电缆市场的50%～55%，约为4700-5200亿美元。 　　超导电力技术多年来一直受到了世界各国的重视。近年来美国和欧洲相继发生了多次大的停电事故，促使政府和工业界进一步加快超导电力技术的研究步伐。美国、日本、欧洲和韩国都制定了一系列发展超导电力技术的相关计划。 1.美国 　　世界上超导电力技术研究的带头国家是美国，1999年美国就开始推进了世界上最大规模的SPI研究计划，以发展超导电力技术及相关技术，由美国能源部组织国家实验室、大学和相关公司及电力公司联合攻关。该计划的研究内容包括超导电缆、超导变压器、超导电机、超导磁悬浮飞轮储能、超导限流器等项目的研究。 　　XX年，美国东部发生的大停电事故，使得美国政府对于发展超导电力技术的热情大增，并立即批准了为期3年的1200万美元的超导限流器研究开发项目和2600万美元的高温超导电缆项目。美国能源部还提出了“美国电网2030计划”，在该规划中，提出了采用超导技术建设其骨干电网的建议，美国的能源法中也率先肯定了超导电缆电网的作用(见表2)。 　　XX年美国纽约州长岛在商业电网中安装了第一条第二代高温超导带材输电电缆，能为30万户家庭供电，其装机容量为600MW。之后，饱受灾难事故和恐怖分子袭击的纽约市宣布启动名称为ProjectHydra的计划，即所谓水螅计划，其主要框架就是XX年启动的曼哈顿电网升级改造，它也将使用美国超导体公司开发的液氮冷却系统和超导电缆，以实现纽约电力体系更加可靠的运转。 　　表2美国电网2030规划远景(美DOE资料) 2.日本、韩国 　　日本在20世纪90年代实施了SuperGM等超导电力技术研究计划，并成立了国际超导技术研究中心(ISTEC)，其主要电力公司及电机制造厂家均积极参与超导电力技术研究工作。 　　日本超导材料的发展在国际上一直处于领先地位，为保持优势，日本设立了为期5年(XX～XX)的第2代高温超导带材研发国家计划，总投资超过亿美元，最终目标是研发出高性能和低成本带材，每cm宽度Ic(77K，自场)>300A，长度在500m以上，而且要大大降低制造成本。该计划顺利完成后，又设立了XX-XX年计划，大力发展低成本带材的批量化制备，目标为开发3000条10千米长，工程临界电流Ie=50kA/cm2(77K，自场)的第2代高温超导带材，并开展较大规模示范，包括SMES(>20MJ)、超导电缆(275kV-3kA)和变压器。 　　XX年韩国设立了应用超导技术发展先进能源系统10年计划(即DAPAS计划)，主要研究开发高温超导电缆、高温超导限流器、高温超导变压器和高温超导电动机等，并以商业化为目标。同时成立超导应用技术中心(CAST)，负责管理该计划的实施。该计划第2代高温超导带材的研发分为3阶段:XX年至XX年，实现20A/cm的5m长带材;XX年至XX年，实现250A/cm的100m长带材;XX年至XX年，实现750A/cm的100m长带材和500A/cm的1000m长带材的产业化，各阶段也有相应的超导电缆、限流器等电力工程应用项目。 3.欧洲各国 　　欧洲为了促进超导电力技术和超导材料的发展，实施了超导电力联接(SUPERPOLl)计划和欧洲超导技术公司合作(CONECDUC)计划。欧盟于1997年开展了超导电性欧洲网10年计划(1997～XX)，建立欧洲超导研究区域平台，提升产业界和学术界沟通。该研发基金由欧盟提供，共涉及14个欧洲国家的42个学术机构和21个工业中心。XX年欧洲基金会又发布了XX～201年超导纳米科学与工程项目计划。欧洲一些大的公司如ABB、西门子、NEXAN等也积极投资于这方面的研究，以争取未来的市场。 　　欧洲超导材料的研发工作由德国牵头，英国、法国、意大利、西班牙、芬兰等国积极参与。欧洲已有20个国家共计90多个组织投入到第2代高温超导带材的研究中，形成了良好的合作网络。 　　四.发展高温超导带材及其电力应用的必要性和前景展望 　　每一次国际金融危机都会带来一场上大变革，而决定经济危机应对取得胜利的关键是科技的力量。培育新的经济增长带，特别是新兴的战略型产业占领科技的制高点，也就是占领新型产业的制高点，将决定着一个国家的未来。超导技术无疑已成为目前世界各国全力争取的科技制高点之一。 　　超导技术是21世纪具有战略意义的综合性高新技术，具有前瞻性、战略性。超导带材是超导电力应用的基础，第二代高温超导带材作为目前实用超导材料最为理想的选择和必然发展趋势。毫无疑问，它的研制和发展是占领超导技术与相关高新科技产业制高点的重要途径，可创造具有巨大的经济效益和社会效益。 　　随着美国提出以能源为主的振兴经济计划，能源就成为下一个战略型产业。在奥巴马的能源战略中有两张网，一个是智能电网，一个是超导电网。这两张网资源消耗低、带动系数大、就业机会多、综合效益好并具有广阔的市场前景。如前所述，如果美国大力发展超导电网，8-10内其相应的市场将达到30万亿美元，仅此一产业即可抵全球GDP的40%(相对XX年GDP总值)。 　　与世界主要发达国家和地区一样，我国主要城市特别上海市，随着经济和社会发展，人们对电能的需求量日益增长，电力系统的容量越来越大，人们对电能质量和安全的要求也越来越高，需要对传统的电力工业技术进行革新改造。根据美国长岛示范工程经验，一根超导电缆大约可以提供3～5万个家庭供电，覆盖10～20万人口。依此推算，一根超导电缆基本可以满足上海的整个陆家嘴地区的供电。 　　我国主要城市如上海市，现有的常规电力设备和电力系统存在一些难以克服的缺乏，严重地阻碍电力系统的发展，至少表现在以下几个方面:①随着电网容量的增加和规模的不断扩大，电力系统的短路容量越来越大。不加限制的短路电流对电气设备和正常的工业生产带来很大的危害，还可能导致电力系统的崩溃;②常规电力技术缺乏快速功率调节技术。这使得电力系统的功率只能维持基本的平衡。一旦电力系统发生扰动特别是大的故障，可能导致严重的功率失衡，从而引起系统崩溃并对电力系统产生破坏性的危害;③常规电力系统的效率受到Cu，Al等基本导电材料的限制，要进一步提高难度很大;④常规电气设备占地面积大，而人口密度的大中城市正是负荷中心。随着上海市经济的不断发展，对电能需求量也不断增加，因此电网占地的需求量也越来越大。要解决这一问题，必须对电力系统进行根本性的变革;⑤可再生能源如太阳能、风力发电和潮汐能发电的能量密度低，且易受气候条件的影响。 　　要使这些能源能充分有效的利用，必须采用新的技术措施改善其品质，同时使其能有效地储存并与大电网联结。中国科学院最近公布的中国至2050年能源科技发展路线图指出:2020年、2050年中国电力装备安全技术和电网安全新技术比重将达到50%和90%。届时超导电力装置将在电力系统中得到多层次的大规模应用。 　　如前所述，世界范围内能源供应越来越紧张，而大量能耗都是浪费在传输线上。XX年全国社会用电总量近35000亿千瓦时，按中国输电损耗率约为8%～9%计算，中国每年电量损耗高达3000亿度，相当于3个投资在1200亿元以上的核电站总发电容量。其中上海市约占%，每年损耗约112亿度电，折合人民币100多亿元。到XX年，我国总发电容量将达到550GW，电网的总损耗将达到47GW，上海地区电网消耗将达到170亿度。随着经济的发展及每年总发电量的增加，线路耗损数目将更加庞大。超导材料无电阻，能大幅度地降低输电路的损耗。通过降低电网的损耗，不仅可提高效率，而且可降低燃煤发电量，从而减少污染排放量。可见，发展超导带材及其传输电缆将提升和改革电力电网，不但能增强经济发展、优化城市环境，而且对节能减排以及低碳经济都有非同寻常的意义。 　　另外，随着超导材料的规模化生产，超导电力将会得到大力发展，由此形成的超导产业将会整合来自各式各样的新技术研发、新产品制造、新服务企业和新型投融机制以及标准的制定和安全监控机构等。上海市如能占领超导带材这一超导电力高科技的制高点，可望能创造出新的经济推动力和投资机遇，增加大量的就业机会。 　　未来10年，随着第二代高温超导带材关键制备技术的突破，一个以第2代超导带材为核心的超导产业可能会出现井喷现象。由此将会产生行业众多的上、下游产业链，届时我国主要城市，例如上海市的行业格局将会有所变化，也将大大促进上海市相关传统企业的产品更新和技术革新进步(如图2所示)。 　　图2未来上海市第2代高温超导带材产业链展望 　　1967年光纤被华裔科学家高锟(XX年诺贝尔物理学奖获得者)发明，30年后人们利用光纤技术成功推进信息产业革命。1987年两位华人朱经武、赵忠贤同时发现高于YBaCuO超导体，10年后的1997年人们实现第一代高温超导带材的产业化制备，XX年实现商业化生产。纵观光纤材料的发明、到首次材料商业化、再到产业化发展的历程，高温超导材料的发展阶段非常相似。由此可以推测超导材料与电缆在电力传输方面的应用很可能像光纤与光缆在信息传输方面的应用一样在其发现30周年后得到大规模的发展(见图3)，这实际上与国内外发展现状和各类预测十分吻合。 图3光纤与高温超导材料及其产业化发展对比 　　根据国内外发展态势，未来10年之后，随着超导材料的产业化，超导电力应用，包括超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导磁悬浮车、超导电磁推进器、超导电机驱动飞机和高温超导磁成像仪将逐步在上海市的各种领域和场所出现。超导技术最终将给我们的城市带来变革性的影响。超导带材及其电缆应用技术是国家和地方发展智能电网的迫切需求，根据XX年7月上海市人民政府与国家电网在沪签署的关于智能电网建设战略合作协议，上海市将率先发展智能电网等战略性新兴产业，将重点发展包括“高温超导”等7个方面产业和技术。国家电网与上海市人民政府将分别在北京、上海进行大长度超导电缆并网示范项目建设。为降低成本和防止国外技术封锁，急需国内有关单位研制出高质量的2G高温超导带材，并能实现批量化制备，进而为将来超导电力工程产业化发展打下坚实的基础。 　　尽管超导材料种类层出不穷，实用化高温超导材料却难以一蹴而就。经过近20年的发展，基于Y系薄膜的第二代高温超导带材逐步发展成熟，在完成了千米级连续化外延工艺和性能的优化之后，已成为目前液氮温度超导性能最好的材料，处于产业化前夜。为了实现真正意义上的低成本、高机械强度和高不可逆磁场等优势，满足更广范围的应用需求，人们正在努力推动第2代高温超导带材向低成本、稳定化和规模化方向发展。可以预见，随着第二代高温超导带材研究技术的进一步成熟，其性能价格比也将大幅下降，最终将会降低到10～25$/kA·m，接近或低于Cu的性价比。届时开展各种大规模超导应用将变为可能，市场需求和产值也将会出现井喷的局面。正如半导体带来了资讯时代、光纤带来了传讯时代，高温超导材料将从根本上改变人类的用电方式，给电力、能源、交通以及其它与电磁有关的科技业带来革命性的发展。 　　中机院揭秘高温超导体产业发展的未来趋势中机院研究员系统论述高温超导产业的概念、发展进程、发展动态，研究其发展成果、发展优势及其未来的发展方向等，系统揭秘高温超导体产业发展的未来趋势。 　　超导，全称超导电性，是20世纪最伟大的科学发现之一，指的是某些材料在温度降低到某一临界温度，或超导转变温度以下时，电阻突然消失的现象，具备这种特性的材料称为超导体。 　　物理学家麦克米兰根据传统理论计算断定，超导体的转变温度一般不能超过40K(约零下233摄氏度)，这个温度也被称为麦克米兰极限温度。中国科学家首先发现了转变温度40K以上的铁基超导体，接着又发现了系列的50K以上的铁基超导体。 　　1986年，瑞士发现40K铜氧化物超导体;1987年美国休斯顿大学和中国物理所几乎同时发现YBCO的铜氧化物超导体，揭开了超导研究崭新的一页;在超导材料方面一共出现5次10人获得诺贝尔物理奖。 　　高温超导产业开始进入实质化扩张阶段，弱电领域积极扩张。随着高温超导(HTS)材料研究的进一步深化，以及高可靠性和高效率的制冷系统的发展，推动了高温超导在未来十年进入快速的实质化扩张阶段。据预估，世界范围内到2020年超导产业的产值将达到2400亿美元，其中高温超导占60%-70%达到1500亿美元左右。而随着国内外在移动通信、卫星通信、雷达等领域的产业化进程的推进，高温超导在弱电领域的应用将会首当其冲成为产业化先行者。 　　移动通信爆发，高温超导滤波器是解决基站干扰的最有效方法。超导滤波器，因为用了77K低温状态下的低噪放，提高接收机灵敏度3dB，根据实测，覆盖半径可扩大22%左右，覆盖面积可以扩大45%左右。而且移动信号对室内的渗透率也会增加;提高接通率20%～35%，降低掉话率20%～60%;网络规划时，减少基站数量，降低网络建设成本。超导滤波子系统在移动通信领域的巨大优势作用(特别是3、4G时代)，假设XX年使用超导滤波子系统的基站占比达到30%，则将形成超过500亿的巨大市场空间。 　　高温超导滤波器成为卫星通信最主要器件之一。将卫星用常规金属滤波器和高温超导子系统分别接入卫星接收机的前端，使用高温超导滤波器子系统可以大幅度地降低卫星接收机的噪声，显著提高卫星接收机的灵敏度和抗干扰能力。高温超导滤波器联机系统的噪声温度仅为金属滤波器联机系统的27%;采用高温超导技术可以明显减小接收系统的噪声;对卫星上来说，可以提高有效功率资源的利用，对地面来说，能减小地面设备的发射功率，特别是对地面移动式用户机的应用，发射功率的减少能减轻设备的体积和重量。 　　超导子系统显著提高雷达探测距离及强化抗干扰能力。高温超导滤波器具有极低的插入损耗和极优的频率选择性而且兼有平面器件小型化的优点，若把超导滤波器用于武器装备的接收机前端上，能大幅度提高接收系统的灵敏度、信噪比和抗干扰能力;还可增加雷达系统的探测距离，加长预警时间，增加通信系统的通信距离和抗干扰能力，提高导弹系统的制导精确度。 　　中国优势资源展现未来中国在超导产业的优势。从高温超导材料使用的原材料发展情况来看，不论是BSCCO/2223系(铋锶钙铜氧-第一代超导材料)，还是YBCO/123(钇钡铜氧-第二代超导材料)，都需要使用中国具有优势资源的稀有小金属为主要原材料。特别是第二代YBCO中的稀土钇是中国具有战略性资源的重稀土主要成份，而对于钡盐，我国是世界最大钡储量国，占全球的43%储量。我们认为随着战略新兴产业规划推动，中国拥有资源优势的相关产业链将会在未来10年得到深化发展。 　　超导材料拥有两大特性：完全导电性(零电阻“理想”导体);完全抗磁性(反映超导体的更深刻、更本质的属性)。自超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至一百多开;而且超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚。以液态氮温度下低温超导材料的研究与发展获得了成功，且已实现商品化，在医疗、电子输送、运输等方面获得应用;高温超导材料的发现，是最近几十年来物理学及材料科学领域中的重大突破之一，并得以快速的发展，成为了超导材料的主力军。 　　随着高温超导(HTS)材料研究的进一步深化，以及高可靠性和高效率的制冷系统的发展，推动了高温超导在未来十年进入快速的实质化扩张阶段。据估计，世界范围内到2020年超导产业的产值将达到2400亿美元，其中高温超导占60%-70%达到1500亿美元左右。 　　随着国内外在移动通信、卫星通信、雷达等领域的产业化进程的推进，高温超导器件在弱电领域的商用化发展将得到迅速扩张。 　　高温超导薄膜表面电阻远小于常规金属材料。即使在移动通信的高频频率范围内，高温超导材料的微波表面电阻比正常金属也要小几百甚至上千倍。高温超导材料的磁场穿透深度与频率无关。可用于构造无色散的传输结构，可以设计出在常规导体中难以实现的器件。 　　高温超导滤波器的设计大多继承了传统的平面微带滤波器的理论和方法，通过增加谐振器的个数，超导滤波器的性能和技术指标就有可能全面胜出各种金属滤波器(包括三维滤波器)。 　　高温超导材料具有极低的表面电阻，因此应用超导材料制做的微波超导器件具有极低损耗和极低噪声的优良特性，使得预选滤波器放置在接收机的第一级成为可能，改变了接收机的常规设计，既保证了探测小信号的灵敏度又很好的抑制带外干扰信号，避免常规设计中带外的干扰信号也首先高倍放大，其交调信号落入信号带内形成带内干扰甚至阻塞接收通道。高温超导微波器件组成的低温前端应用在接收机中大幅提高接收机的指标。 　　高温超导材料可用来制作很多微波器件，如：超导滤波器、超导低噪放、超导超低相噪X波段振荡器、信道化超导滤波器组、快速调谐超导滤波器、超导固定延时线等。 　　超导薄膜具有很小的表面电阻，在微波频率范围内，比在相同条件下的铜表面电阻要低10~1000倍。因此高温超导材料一经发现很快就被用于制作可代替传统笨重的金属谐振腔的微波滤波器。相对于传统金属谐振腔滤波器，超导滤波器在带内插损、带外抑制以及带边陡度等方面具有明显优点。 　　高温超导滤波器五大优势：通带损耗很小(左右);阻带抑制很大(噪声系数小，左右);边带陡峭(过渡带很窄-好于-10dB/MHz);可以制成极窄带滤波器(常规滤波器的相对带宽做到2%就已十分吃力，而超导滤波器的相对带宽可以达到%以下);自身体积小、重量轻。 　　1、移动通信，高温超导滤波器是解决基站干扰的最有效方法 　　超导滤波器应用到移动通信基站接收机的输入端，可以有效地抑制各种类型的，包括邻近通带边缘仅的干扰，从而降低带内互调干扰和底噪声，提高信号传输质量和容量。 　　利用导体在-200℃时，表面电阻近似为零的特性制成的滤波器，Q值可达10万，高于目前采用腔体滤波器的Q值20倍。因此具有极小的通带插损(60dB)和极陡峭的过渡带(最高可达-100dB/400KHz)。 　　同时在超导滤波器之后配备有在超低温工作条件下的低噪放(LNA)(增益：12dB)，具有极低的噪声系数(高温超导滤波器由于工作温度低，需要深度制冷(目前大部分超导滤波器使用的是。主要包括高温超导滤波放大电路、深度制冷系统、精确控制系统、真空绝热系统四部分。 　　通常在有用信号通带相邻处产生较强的干扰时，现有基站常规腔体滤波器无法抑制该干扰。该干扰信号进入基站接收机后，由于基站接收机输入部份的低噪放(LNA)和混频器产生的非线性互调失真，将会使互调产物落在接收机有用信号带内，对接收机形成无法滤除的干扰。轻者使带内底噪声增加，信号传输质量下降;重者将会使通信中断。 　　超导滤波器，因为用了-200℃低温状态下的低噪放，提高接收机灵敏度3dB，根据实测，覆盖半径可扩大22%左右，覆盖面积可以扩大45%左右。而且移动信号对室内的渗透率也会增加;提高接通率20%～35%，降低掉话率20%～60%;网络规划时，减少基站数量，降低网络建设成本。 　　超导滤波器有很优秀的抗干扰功能，降低了带内底噪声。降低了底噪声造成的容量损失，从而提高原有基站容量的有效利用。这是解决城市原有基站增加容量有效方法。 　　我国移动通信已经全面迈进3G时代，而3、4G网络对射频系统提出了更高的要求。随着超导滤波器国产化进一步加深，其成本将进一步降低，相信超导滤波器必将为3、4G通信网络的发展作出贡献。随着3、4G用户的不断增加和3、4G基站的不断增加，3、4G各网信号间的相互干扰必然会不断加剧，我们除了在3、4G发射端需要加强滤波之外，同等重要的是在3、4G各基站接收机也必须加强滤波，降低多网间互调干扰。超导滤波器，近似理想状态的“砖型”滤波器特性，是解决基站接收方面互调干扰的最佳方案。 　　2、卫星通信，高温超导滤波器成为卫星通信最主要器件之一 　　高温超导滤波器和子系统一出现，立即引起空间技术部门的关注。1988年，美国以海军牵头提出了高温超导空间实验计划。该计划共分3个阶段，每阶段都有色彩鲜明的内容和任务，计划的英文缩写是NRLHTSSE。 　　进入21世纪后，美国宇航局(NASA)列出了作为实现21世纪战略目标的关键技术，共9大类13项，其中以高温超导滤波器和低噪声放大器为核心的“低温接收机前端”也被列入其中，用于空间数据传输。 　　通过已进行的实验，以为国外已经在卫星通信的实际使用情况来看：将卫星用常规金属滤波器和高温超导子系统分别接入卫星接收机的前端，使用高温超导滤波器子系统可以大幅度地降低卫星接收机的噪声，显著提高卫星接收机的灵敏度和抗干扰能力。高温超导滤波器联机系统的噪声温度仅为金属滤波器联机系统的27%;采用高温超导技术可以明显减小接收系统的噪声，这一事实对卫星通信系统有着重要意义;对卫星上来说，可以提高有效功率资源的利用，对地面来说，能减小地面设备的发射功率，特别是对地面移动式用户机的应用，发射功率的减少能减轻设备的体积和重量。 　　我国已初步形成了返回式遥感卫星系列、“东方红”通信广播卫星系列、“风云”气象卫星系列、“实践”科学探测与技术试验卫星系列、地球资源卫星系列、北斗星导航卫星系列等六大卫星系列。 　　对于更为实际的导航卫星，对超导器件的使用也随着技术的推进，加快步伐。北斗导航卫星的成功发射，标志着北斗区域卫星导航系统的基本系统建设完成，我国自主卫星导航系统建设进入新的发展阶段。同时，高温超导子系统在射电天文领域的应用也极其广泛，英国跟荷兰是全球最早在射电天文系统中加入超导子系统接收前段来达到抗干扰的理想化效果。 　　3、雷达、反导，高温超导子系统军用价值毋庸质疑 　　高温超导滤波器具有极低的插入损耗和极优的频率选择性而且兼有平面器件小型化的优点，若把超导滤波器用于武器装备的接收机前端上，能大幅度提高接收系统的灵敏度、信噪比和抗干扰能力;还可增加雷达系统的探测距离，加长预警时间，增加通信系统的通信距离和抗干扰能力，提高导弹系统的制导精确度。超导滤波器是目前在军事上应用领域最广泛的器件，也是研究最为成熟的器件之一;高温超导多工(路)器应用在通信卫星上可减小其50%以上的体积和重量;高温超导延迟线、高温超导开关滤波器组在雷达和电子对抗领域有着重要的应用价值。 　　高温超导滤波器和子系统在雷达和制导技术中也同样发挥了重要作用。20世纪90年代，美国加州的超导技术公司(STI)曾研制一种高温超导滤波器库，该滤波器库由32个超导带阻滤波器组成，所控制的频带从到。这套系统是作为雷达抗干扰的重要部件，可以根据电子对抗瞬息万变的实际情况，用光纤和光学开关控制滤波器的通断，实现阻带快捷跳变，在机载预警雷达中发挥了十分重要的作用。美国喷气推进实验室制作的含有超导子系统的下变频接收机，工作频率，带宽300MHz，噪声系数只有，尺寸为17×8×㎝3，该装置显著地提高了巡航导弹制导系统的性能。利用高温超导子系统提高雷达和制导微波接收机的性能，其军事和经济价值是毋庸置疑的。 　　高温超导材料的研究从20世纪80年代开始一直没有停歇过，而从超导材料使用的原材料情况来看，不论是BSCCO/2223系(铋系合金-第一代超导材料)，还是YBCO/123(钇系合金-第二代超导材料)，都需要使用中国具有优势资源的稀有小金属为主要原材料。特别是第二代YBCO中的稀土钇是中国具有战略性资源的重稀土主要成份，我国稀土钇的全球储量占比高达41%，而对于钡矿我国拥有全球43%的储量占比;而对于铋，中国有75%的资源占比，同时，我们也掌握了全球49%的锶矿产量。我们认为随着战略新兴产业规划推动(超导技术已列入战略新兴产业规划中)，中国拥有资源优势的相关产业链将会在未来10年得到深化发展。 　　而对于第二代超导材料，我们也可以理解为REBCO(稀土系)，从超导材料的科学角度来说YBCO中的钇是可以用其它稀土元素替代的，但是从目前的材料发展情况来看，目前能出现大规模运用的只有YBCO。 　　我国在铋系带材、钇系大面积双面薄膜、钇系新型涂层带材、钇系准单畴块材和高温超导电缆等方面，其技术发展水平与国际水平相当或相近，某些方面甚至处于国际领先水平。 　　近年来第二代高温超导带材的研究成为国内外超导研究的热点。我国在“863”计划的支持下，已初步实现了第二代带材的动态制备，数十厘米长的带材的超导临界电流达到40A。在高温超导单畴块材方面，我国在材料制备工艺上有知识产权，与国际先进水平的差距较小。而德国THEVA公司的多元反应共蒸合成法技术，可生产出了直径3英寸以上的超导薄膜，最大直径可达8英寸。使得中国的各实验室在钇系2英寸双面薄膜制备水平与国际水平相当。 　　同时，我国还在国外技术封锁的情况下，实验室里研制出了2英寸双面铊超导播磨，为未来在超导技术中的核心材料方面提供了有力的保障。 　　目前，超导市场的潜在规模达到XX亿元，其中核心的超导材料占比30%-40%，市场规模约800亿元左右，预计围绕超导概念的炒作会继续延伸至超导材料、超导限流器等领域。