本文刊载于《中国科学院院刊》2026年第2期“战略与决策研究”

应天平1  王栋樑2  杨芃焘1  赵林1  徐中堂2  刘子儀1  姚超2  马衍伟2  周兴江1  程金光1*  方忠1

1 中国科学院物理研究所

2 中国科学院电工研究所

以REBCO（REBa₂Cu₃O_7-δ，RE代表稀土元素）为代表的高温超导带材，因其液氮温区优异性能，在能源、医疗、大科学装置等领域具有重要战略价值，但目前在长带一致性、制备成本和工程可靠性等方面仍面临严峻挑战。未来发展需转向“材料-工艺-应用”协同创新，通过增强磁通钉扎、优化多层结构界面与力学性能，并结合规模化、智能化制备技术，推动高性能带材的低成本稳定生产。文章围绕REBCO带材的核心应用需求、研发现状与趋势、关键科学技术问题及国产化发展路径展开分析，为我国在该领域的自主创新与产业引领提供参考。

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应用场景和需求

当前，REBCO（REBa₂Cu₃O_7-δ，RE代表稀土元素）为代表的高温超导带材已逐步示范应用于若干领域。在电力系统中，主要体现为输电电缆和以故障限流器为代表的超导电力装备。作为超导电缆，其核心优势在于能够利用液氮温区条件下零场或弱场中的大电流载流能力，实现极低损耗的长距离电能传输，技术焦点集中在持续提升带材的临界电流密度、确保千米级长度下的载流均匀性、有效降低交流损耗，并同步推进成本控制。作为电阻型故障限流器，其功能依赖于高温超导带材在短路电流冲击下从超导态到正常态的快速转变，从而利用电阻的急剧升高实现对故障电流的迅速限制，技术重点在于材料的响应速度、恢复特性及循环稳定性。在磁体系统中，充分利用高温超导带材强场下高载流密度的特性，服务于高场磁共振成像、磁约束核聚变、电机/电动机等装置，对载流稳定性与机械强度要求严苛。未来，随着应用场景进一步细分，性能需求将更趋差异化。因此，发展“需求导向、性能细分”的定制化超导带材牌号，并建立相应评价体系，能加速推动其规模化应用。

电力系统中的应用

REBCO带材在电力系统中展现出显著的性能优势，尤其是在液氮温区运行条件下，其制冷成本低、系统复杂度适中，为大容量电力传输提供了有效的解决方案。当前，国内已在城市电网增容改造领域开展了示范应用。例如，上海1.2 km35 kV高温超导电缆项目已经稳定并网运行逾4年，深圳10kV超导电缆项目实现核心区域供电，充分验证了高温超导带材对提升输电容量的可行性及保障供电的可靠性。超导电缆凭借其极高的载流密度，可在狭窄输电走廊中有效缓解城市中心区供电瓶颈问题，应用前景广阔。未来需持续优化带材在弱场环境下的高载流密度、低交流损耗、长时间服役及长程均匀性等核心指标，推动相关技术向更大规模和更高传输容量方向发展。

在电力系统保护领域，基于REBCO带材的超导限流器展现出卓越的故障电流抑制能力。该类设备能在电网发生短路故障时，通过超导材料的失超特性瞬时产生高阻抗，有效限制故障电流峰值，保障电网安全稳定运行。我国在该技术领域已实现重要突破，建成投运了多个示范项目。例如，广东汕头电网投用的160kV超导直流限流器等，充分验证了其工程可行性。高温超导带材在电力系统的应用潜力并不仅限于故障保护。在电能传输、转换与存储等更广泛的电力装备领域，如超导变压器、超导储能系统、电网用超导调相机等，REBCO带材同样展现出高效率、高功率密度等突出优势。这些应用场景对REBCO带材的电流承载能力、n值（反映接近失超阈值时电压对于电流响应灵敏度）与失超恢复能力提出了严格的技术要求。

磁体系统中的应用

在磁体系统应用领域，REBCO带材已展现出变革性潜力，尤其在磁约束核聚变与极高场科学装置两大方向表现突出。以美国联邦聚变系统公司（CFS）为代表的紧凑型托卡马克路线，确立了在10—20 K温区、10T以上强场运行的REBCO高温超导磁体的核心地位；同时在液氦温区15T以上的极高场科学装置中，如千兆赫兹核磁共振谱仪与高场磁体，REBCO带材凭借其高机械强度和强高场载流特性也是目前超导线带材的最优选择；其他如磁共振成像（MRI）、高能量粒子加速器、高纯大尺寸单晶硅生长炉及特种国防装备磁体等也是重要应用方向。

所有磁体应用对带材在目标温区-磁场下的临界电流提出极高要求，而磁场下的临界电流值取决于人工钉扎中心和自然缺陷所提供的磁通钉扎力的大小。根据磁通动力学原理，在不同温度和磁场中，同样的钉扎中心所提供的钉扎力完全不同。针对REBCO超导带材在不同温区与磁场下的服役要求，必须通过设计和引入与之适配的特定类型人工钉扎中心，才能有效提升其在对应工况下的临界电流性能。如图1所示，在电力系统工作的高温区，需要柱状钉扎中心，即强各向异性中心（在极小磁场下，各向同性的点钉扎亦可提升临界电流）。而在温度稍低同时磁场为1—5T的区域中，需要柱状钉扎和体钉扎的混合钉扎，即强各向异性和纳米粒子的混合钉扎作用。随着温度进一步降到聚变应用所在的30K以下且10T以上的区域，最好是纳米钉扎和密集钉扎中心形成的集体钉扎。在10K以下且20 T以上的应用场景中，需要各向同性的集体钉扎。需要指出的是，针对不同磁场和使用温区所需的人工钉扎中心及其机理尚不完全清楚。例如，适当的尺寸与分布的高密度柱状钉扎中心同样能在低温中场条件下提供较高的钉扎力。此外，在满足临界电流指标的基础上，价格、供货时间、临界电流均匀性、单根长度、临界电流不可逆应变及剥离强度也通常是应用方的主要诉求指标。

图 1 不同应用领域对REBCO带材钉扎条件需求

此外，通过将REBCO带材绕制成电机的转子，可构建出高效率、高功率密度的超导电机。此类电机工作在30—50K的中低温区间，通常借助斯特林制冷机或冷氦气循环实现冷却，相较于传统低温超导所需的大功率吉福德-麦克马洪（GM）制冷机或液氦浸泡系统，其在体积与能效上的优势极为突出。这一特性使其在对空间和重量敏感的高端装备中具有不可替代性，应用前景覆盖海上风力发电机组、全电/混合动力船舶与航空推进系统、下一代磁悬浮列车、特殊动力及弹射装置等多个前沿方向。上述应用场景的核心挑战与需求在于带材在中低磁场下的高电流密度、优异的机械疲劳特性，以及在动态运行条件下的长期稳定性。高温超导带材在实际强场磁体中会面临绞缆需求，因此通过窄带化、细丝化后组装绞缆也是未来需要努力的方向。高温超导带材的主要应用情况见表1。

表 1　超导带材主要应用情况

*无绝缘指匝间直接接触，依赖带材自身导电导热；金属绝缘指表面镀覆薄金属层兼具绝缘与导热电功能；匝间绝缘指完全绝缘，即匝间设置独立绝缘层

需要指出的是，在任何应用场景中REBCO带材的力学性能也是其可用性的核心判据。主要包括：临界电流不可逆应力（定义为临界电流衰减至95%时所对应的应力）、脱层应力（风险随磁场与电流升高而加剧），以及最小无衰减弯曲半径（直接决定磁体尺寸与结构设计）。此外，在长期服役尤其是交变磁场工况下，必须重点关注带材的疲劳稳定性。高周次（如10万—100万次以上）循环载荷可能导致超导层晶界角扩大、临界电流发生不可逆下降，甚至引发微裂纹与界面脱层，致使性能迅速退化。

实际应用中，单根REBCO带材的长度限制使得接头成为必要。普遍使用的“有阻接头”电阻受带材表面状态影响显著，需通过控制带材结构优化性能。目前超导接头技术尚不成熟，多数方案在电学或力学性能上存在短板。日本高场核磁共振（NMR）系统中使用的接头是相对成功的案例，其电性能接近带材本体，但因力学强度不足，只能置于磁场外部。未来如能实现低阻、高强的可靠超导接头，将极大突破带材长度限制。

此外，在交变磁场或电流条件下，REBCO带材的交流损耗显著，已成为制约其在交流电力设备中应用的关键因素。当前主要应对方式是带材细丝化，但该技术仍处于探索阶段，尚未形成成熟稳定的工艺体系。如何实现高效、低损、结构稳定的细丝化REBCO带材，是亟待攻克的技术难题。

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国内外现状及发展趋势

REBCO高温超导带材研发的核心挑战在于，如何在长的柔性金属基底上动态外延生长出具有严格双轴织构的高性能超导薄膜。为此，自20世纪90年代以来，学界与产业界相继发展了多种织构制备方法。早期主要采用“轧制辅助双轴织构基板”（RABiTS）技术，通过在镍钨合金等金属基带上进行轧制与再结晶处理，直接诱导形成双轴织构。随后出现的“倾斜基板沉积”（ISD）方法，虽然在一定程度上也能获得织构取向，但由于其织构质量较差、均匀性不足，且工艺窗口较窄，难以满足高性能长带制备的需求，已逐渐淡出主流技术路线。目前的主流方法是“离子束辅助沉积”（IBAD）方法，在非织构的金属基带上沉积具有织构的氧化镁缓冲层。然后，在此基础上进一步采用脉冲激光沉积（PLD）、金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）、金属有机沉积（MOD）和反应共蒸发（RCE）等技术路线沉积具有双轴织构的REBCO超导层。各技术路线的特点和优缺点如表2所示。

表2　各技术路线的特点和优缺点

自1999年第1根百米长REBCO带材被制备出来之后，超导带材的研发开始从研究所、大学逐步向企业转移。国际上已有多家公司先后成功研制出长度达千米，且能够传输数百安培以上电流（77K，自场，每厘米宽度）的REBCO带材。目前，国外采用PLD路线生产REBCO超导带材的企业主要有日本Faraday Factory Japan（FFJ）、日本Fujikura、俄罗斯S-Innovations等；基于MOCVD路线的企业主要有美国SuperPower等；基于MOD路线的企业主要有美国AMSC等；基于RCE路线的企业主要为韩国SuNAM。我国自从“十三五”以来，REBCO带材批量化制备水平快速提高，已逐渐进入国际先进水平行列。我国的上海超导、东部超导（原苏州新材料研究所）和上海上创超导公司分别采用PLD、MOCVD和MOD路线实现了商业化带材生产。近年来，基于PLD路线的甚磁科技公司等新兴企业也使我国REBCO带材的产业化规模不断扩大。目前国内外在REBCO带材研发方面的最新进展如下。