为核聚变高温超导磁体提供超导带材，中国创业者实现第二代高温超导带材的量产化

源自：DeepTech深科技

---

源自：DeepTech深科技

　　超导材料是核聚变中的关键材料之一，作为性能更高的高温超导材料于 1986年被发现，并于 1987年被授予诺贝尔物理学奖。高温超导作为前沿新材料，在能源、电力、交通、医疗、大科学装置等诸多领域具有重要的应用前景。
　　2021年 9月，麻省理工学院与核聚变能源初创公司 Commonwealth Fusion Systems（简称 CFS）等离子科学与融合中心，成功研制出世界第一个可用于核聚变的 20T 高温超导磁体。
　　该成果促进了 CFS 在同年 12月，完成了 18亿美金的 B 轮融资。值得关注的是，这一紧凑型聚变技术还入选了2022年《麻省理工科技评论》“全球十大突破性技术”。
　　CFS紧凑型聚变磁体得以成功研制，其关键原材料高工程临界电流密度 REBCO 高温超导带材功不可没，而该材料的三家供应商之一是中国初创企业──上海超导科技股份有限公司（以下简称“上海超导”）。
　　目前，上海超导已为全球三个电压等级最高的超导限流器、全球首台兆瓦级感应加热装置、全球磁场最高的全超导稳态强磁体（32.3T）以及全球首条 35kV 公里级高温超导电缆等重大工程提供原材料。
　　在国际 16 家企业中，上海超导是目前全球仅两家做到在 30μm 薄基带上制备出高 Je 带材的公司，并作为唯一一家开发出基于 25μm 薄基带的批量化超导带材，为人类能源的“终极梦想”又进了一步。
　　经由中国科学院院士甘子钊为主任、中国工程院院士丁文江为副主任组成的专家委员会一致对上海超导评价：“基于离子束辅助沉积和脉冲激光镀膜技术路线，形成的第二代高温超导带材超高速批量化制备技术及装备，总体达到国际领先水平。”
　　朱佳敏是上海超导总裁、上海市高温超导材料与应用技术重点实验室主任。2011年，他作为创始人之一，共同创立了上海超导。历经十多年的努力，他带领团队从核心装备国产化、产品工艺质量改进以及实用化技术攻关多方面难题，实现了该类高性能超导带材批量化生产。
　　截至目前，朱佳敏主持 5 项、参加 10 余项省部级以上科研项目包括国家重点研发计划、国家自然科学基金，上海市科学行动计划，上海市高新技术转化项目等。发表论文 30 余篇，申请发明专利 84 项，其中第一发明人 62 项，已授权 61 项。参与制定国家标准 4 项、行业或团体标准 3 项，并担任 IEEE TAS　编委：。
　　凭借带领团队开发高工程临界电流密度的高温超导带材并实现了批量化制备，为可控核聚变工程向紧凑型发展提供了关键的原材料，朱佳敏成为 2022年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。

　　图丨2022年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者朱佳敏

　　从“机器人达人”到上海超导 001 号工程师
　　朱佳敏出生和成长于上海，他身上实干和创新的精神，或可从他的成长经历中见到缩影。从小动手能力极强的他，在青少年时期经常在周末与一群小伙伴骑着自行车到各地参加机器人大赛，比赛证书多到一面墙都展示不完。
　　他在大学本科期间的学习方式，也与众不同。本科攻读微电子学专业的朱佳敏，把教科书里的电路全部搭了一遍，并找出众多教科书里的错误。
　　做集成电路对于 2011年大学本科毕业的朱佳敏来说，或许是个不错的选择，但他有更高的目标。“我想做一件对未来具有引领性的大事，希望通过自己的努力在未来让某一项产业达到国际一流水平。”
　　也正是在这一年，恰逢上海交通大学制备出中国首根百米级的超导带材。高温超导带材在液氮温区，材料是零电阻特性。然而超导材料是一块陶瓷属性的材料，并不能像电线那样来使用，为此科学界和工程界已经努力了二十多年。
　　对于一名喜欢物理和电学的有志青年，最终他选择了“背起包去创业”──以联合创始人身份成为上海超导 001 号工程师，立志将实验室材料做到产业化。
　　有句话叫“理想很丰满，现实却很骨感”。由于材料的结构异常复杂，在金属基带上一层层镀氧化物陶瓷，需要用到大型的镀膜装备，其中还包括离子束、脉冲激光等复杂的关键部件。实验室的设备严重依赖于进口，给材料的量产化设置了天然的屏障，这是朱佳敏第一次感受到做产业的艰难。
　　在材料批量生产时，如果装备依赖进口会怎么样呢？这意味着，只要其中一个部件坏了，就会导致整个产线停工。朱佳敏表示：“基于当时的现实情况，我们认识到必须咬紧牙自己造出所有的装备。于是，上海超导开始了漫长的设备研制过程。”

　　制备的超导带材性能像“心电图”，产业化过程犹如“坐过山车”
　　2015年，朱佳敏与团队把自主制造的装备都摆齐了，却发现当初从实验室完成的工艺在产业化时“卡壳”了。
　　当时，所有做出的超导带材都像“心电图”一样，波动非常大，这种性能距离可应用相去甚远。实验室与产业指标的区别在于，如果从这一堆带材中找出其中一根好带材，也许可以发表一篇不错的论文。
　　然而在产业化中，必须保证带材的均一性。也就是说，如果制备 1000 根带材，这 1000 根带材都必须是“平稳”的。“这非常难，要做到这一点，超导带材十几道工序中都有众多的工程实践问题要解决。”朱佳敏说。

　　图丨上海超导制备带材对比（源自：朱佳敏）
　　实际上，上海超导在 2015 到 2017年处于非常艰难的阶段。朱佳敏回忆说道：“当时我们的产量很低，每年只能做十几公里、成品率也很差。材料制备的复杂度导致公司盈亏平衡点不低，公司的生产运营举步维艰。”
　　与其被动接受不确定性，不如想办法将问题解决。为清楚地了解每道工序存在的问题，朱佳敏走进生产车间，和工程师们一起加班做实验、肩并肩地工作，将所有工艺一道道重新研究。
　　针对超导层的镀制提出非对称温区技术，他们解决了多道动态镀膜温度均匀性的问题，完成了一系列关键核心技术的攻关。此外，还开发了超导带材关键性能指标的测试平台与方法，也逐步建立了一套完整的工艺质量体系。
　　2018年，上海超导的产线从原本的 10多公里做到了 43 公里；2019年达到 200 公里，2020年则实现了 400多公里。“这一下子使得我们的产业化进程取得了重大的突破。不仅一条生产线产量大幅提升，成品率也达到了 80%～90%。这是一个质的飞跃，也意味着我们量产化之路终于走通了。”朱佳敏激动地说。

　　（源自：上海超导）
　　在超导电机、超导限流器、超导磁体等不同的应用场景，对材料的要求也不尽相同，这就需要根据具体应用场景和要求，进行材料的实用化技术开发。
　　为实现超导带材实用化，朱佳敏开发一系列关键技术，例如开发低阻带材工业接头，解决了带材长度有限问题；攻克带材过流烧断、浸渍性能退化、不锈钢封装等困扰业界的一些难题。
　　此外，他还开发了面向电力应用的低成本带材结构和面向紧凑型聚变磁体用的高工程临界电流密度带材结构，推动了超导强电应用的发展。

　　撰写电阻型超导限流器的超导带材“选型手册”
　　2015年，上海超导拿下了国内的第一个公开招标项目──为中天科技牵头研制的 220kV 超导交流限流器提供国产超导带材。朱佳敏与团队做了整整三年多的时间，才把 13 公里的超导带材全做完。
　　一方面，当时带材的性能并不稳定，另一方面，客户提出非常高的要求。“客户为了给自己留裕量，对上海超导带材设置的参数标准远超美国超导。最后发现，参数竟然提高到了物理极限以上。”朱佳敏说。
　　在物理极限以上的研发使上海超导一开始走了非常多弯路，但整个过程下来也积累了非常多的技术经验。“为了满足苛刻的指标，几乎一根带材、一道工序都要定制一套参数。我曾经无数次想放弃，因为实在太难做了，一个参数定错，一根带材就报废了，这意味着几十万元就没了，压力之大至今难忘。”他感慨道。
　　最后，虽然这个项目没有突破客户提出的“物理极限”，但是上海超导制备的材料性能超越了美国超导，给客户交上了一份满意的“答卷”。
　　后续，广东电网又牵头研制了 ±160kV 超导直流限流器，同样全部使用了上海超导的材料。朱佳敏将对超导限流器带材的理解，以 12 套样品为例撰写成一篇 20多页的论文[1]，成为该领域的材料“选型手册”。
　　“实际上，我投过一些高影响因子的期刊但被拒了，原因是编委认为内容全是工程细节，科学原理突破不够。但这并不影响这篇论文在我心目中的地位，因为对于这项超导应用来说，这些内容特别关键。我也希望自己做更多实用的研究，来推动整个高温超导产业的发展。”朱佳敏说。

　　图丨朱佳敏在全球青年科技领袖峰会演讲（源自：DeepTech）
　　超导的强电应用场景非常多，朱佳敏最看好的方向是紧凑型聚变和超导电缆，希望未来其他众多下游领域都能取得实质性的突破。据悉，上海超导下一个目标是在 2024年底，实现超导带材产能突破到 2000km（10 或 12mm 宽带材）/年，并计划在三年左右实现科创板 IPO。
　　“随着产业进程的推进，我逐渐感到我俨然成为了一位‘非物质文化遗产的传承人’。如果我不继续做，可能在这项技术就断层了，我想这就是我的使命和责任吧。”他说。
　　谈及关键的推动力量，朱佳敏表示，梦想、情怀和兴趣最为关键。“虽然现在我每天的工作都很忙碌，但每天做着喜欢的事情让我非常开心，也很有成就感。”
　　一直以来，实现中国高温超导产业的蓬勃发展，是朱佳敏坚持的梦想。他的座右铭是“生产一种产品，推动一种进步，释放一种能量，改变一次世界”。

　　参考资料：
　　1.Zhu J，Chen S，Jin Z.Progress on Second-Generation High-Temperature Superconductor Tape Targeting Resistive Fault Current Limiter Application[J].Electronics，2022，11（3）：297。
　　运营/排版：何晨龙