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性能反超，成本降低，中国科学家用铁基合金改写高温超导材料规则
当前，可控核聚变、超高场磁共振等装置，都在向更高磁场发起冲击。作为装置“心脏”的超导磁体性能，往往决定了这些装置能在冲击极限的路上走多远。 通上电流的瞬间，超导线圈要承受巨大电磁力的拉扯。此时，一根看上去不起眼的“金属带子”，成了决定“心脏”承受力的关键。 这根“带子”，就是超导带材的“金属基带”。它好比超导线圈的“脊梁”，易碎的超导体附着其上。如果“脊梁”不够坚韧，超导体无法获得稳定电流，超导磁体就无法在极限环境中稳定工作。 过去几十年，这根“脊梁”几乎都用一种进口合金——哈氏合金（C276）来做。它不仅昂贵，而且在极端工况下存在性能软肋。2026年1月，中国科学院物理研究所发布的《2025年度REBCO高温超导带材战略研究报告》，明确将如何大幅提升合金基带的屈服强度与疲劳耐受性以满足高场应用，列为高温超导带材亟待解决的十个关键科学技术问题之一。而这个夏天，中国科学院理化技术研究所研究员李来风和师莉带领团队用近乎廉价的铁基合金，颠覆了这一切。 刚刚生产出来的DW01高温超导基带。倪思洁摄
“凭什么非得是哈氏合金”
用陶瓷材料做成的超导体，本身易碎，无法绕制成线圈。为了把脆性的陶瓷变成可用的线材，科学家们把它做成薄膜，附着在柔韧的金属基带上，形成一条可以像电线一样缠绕成圈的超导带材。 第二代高温超导带材就像“汉堡包”：最底层是约50微米厚的金属基带，相当于汉堡包最下面的面包片；往上逐层镀上氧化铝、氧化钇、氧化镁等过渡层，相当于夹在中间的辅料；中间是微米级厚度的超导层，相当于核心的肉饼；最上层再镀一层银作为保护，像顶层的面包片把一切包在里面。 过去几十年，作为底层“面包片”的金属基带，几乎全是用美国发明的哈氏合金做的。它是一种镍基合金，耐高温、耐腐蚀、强度尚可，但由于含有大量镍、钼、钨等元素，价格不菲。更关键的是，它在强磁场下受力变形时有致命软肋：应变一旦超过0.4%，带材的临界电流通常会进入快速衰减区。这让超高场磁体设计人员束手束脚，用这种基带做出来的带材，设计磁体时不得不预留较大的安全裕度，因为带材的变形一旦突破安全边界，载流能力便会迅速下降，影响磁体的稳定运行。 常年研究低温材料的李来风，对此耿耿于怀：“我就想不通，凭什么非得是哈氏合金，用别的合金行不行？” 当李来风把心中的想法告诉中国科学院物理研究所的赵忠贤研究员，赵忠贤点了点头：“国产化是什么？国产化不是单纯地仿制国外的东西，而是研发出中国人自己的东西，不仅能替代进口，还能把它推广到全世界去。” 通过调研，他们了解到，20世纪90年代时，人们用市场上现成的合金来试着做超导基底，试到哈氏合金时觉得性能“还行”，此后这一路线沿用了近三十年。很少有人探究有没有更好的材料。 就在李来风犹豫要不要用铁基合金来做基带时，2023年初，上海超导科技股份有限公司（以下简称上海超导）董事长马韬敲响了他办公室的门。 “李老师，你们能不能帮我们把基带国产化？做出来，我按进口价买！”马韬满腹苦水，彼时，国内超导带材企业被进口基带卡住了脖子，不单是贵，供应也不稳定。 “那就做。”李来风下了决心。 “心凉了半截” 基带国产化这件事，李来风决定“两条腿走路”：一条是延续传统路线，将哈氏合金基带技术国产化，掌握基带制备的全链条工艺；另一条是打破既有思路，从材料低温强韧化机制和应用需求出发，设计一种全新的铁基合金基带。 说干就干。技术负责人师莉牵头，带着博士生黄一宁等组成团队，全身心扑到了铁基基带的攻关上。“就算这条路走不通，也会有科学价值。”面对前景的不确定性，李来风不止一次鼓励大家。 之后，团队一边进行哈氏合金基带的国产化工作并借此打通基带的生产线，一边做铁基合金基带的研发。 那段时间，师莉与北京北冶新材料股份有限公司（以下简称北冶）和首钢技术研究院密切合作，从冶炼、热轧到冷轧，前后经过十七八道工序，一起摸索每一道工序的参数，用了一年多时间，终于将产线打通。 黄一宁则在李来风的指导下，夯实用铁基合金做基带的理论基础和建立相关低温测试平台。 凭着技术经验，团队设计出四组成分不同的铁基合金。然而，让他们失落的是，第一组成分的合金拿去锻造时，尚未成形的基带就像苏打饼干一样层层碎开。 直到2024年夏天，他们总算做出了几卷像样的铁基合金基带样品。之后，他们把基带样品送到上海两家超导带材企业。结果，两家企业用该基带制备出超导带材后，测试结果都是“没有电流”。 “一下子，心凉了半截，我都做好了从头再来的准备。”黄一宁说。他天天在微信上拜托企业的技术人员再试试，几乎每句话后面都要加一个抱拳的表情。 团队没有灰心。他们与北冶的降向冬等技术人员反复讨论，优化制备工艺，盼着下一次送去的样品能出个好结果。 转机 到2025年3月，团队原本计划的“两条腿走路”里的一条已经走通，他们成功将哈氏合金基带国产化。但是，大家最想攻克的铁基合金基带，仍然没有进展。 在团队研制铁基合金基带的过程中，赵忠贤一直在关注着这支团队。2025年11月，在一次于成都举行的小型研讨会上，赵忠贤说了句：“只有氧化铝层与基带存在直接的氧化物接触，所以氧化铝层最为关键，在制作过渡层时，必须深入研究这一问题。” 李来风把这句话听进去了。回京后，他指导黄一宁重新翻出文献和实验记录，把目光聚焦到基带与氧化铝过渡层的交界处，反复比对哈氏合金与铁基合金的高温镀膜过程。 2026年2月，李来风又去东莞松山湖材料实验室，参加了一个只有十几人参加的高温超导机理研讨会。会上赵忠贤再次建议他们仔细研究基带和氧化铝这层的精细微观结构。 会后，李来风带领团队马上从深圳赶往上海，与被业界称为“技术狂”的上海超导总工程师朱佳敏讨论。 之后，理化所团队与上海超导密切合作。理化所团队分析每一层的镀膜工艺，综合文献数据和实验分析给出调整方向；上海超导则改工艺、调参数，将多种镀膜工艺反复迭代。 2026年5月的一天，黄一宁的微信亮了。朱佳敏发来一个演示文档（PPT）。点开，电流那一栏写着：“647安培。” 他屏住呼吸，又看了一遍。基于理化所12毫米宽铁基基带做出的镀银超导带材，在-196摄氏度（77K）、零磁场环境下，临界电流可以达到647安培。他脑海里浮出了三个字：“高性能。” “第一次突破就达到了业界中高电流区间，给研发团队巨大的鼓舞，这证明铁基合金基带完全可以替代哈氏合金！剩下的就是如何深化迭代和产业化了。”得知消息后，李来风高兴极了。 “挣钱不是最重要的” 性能测试数据一出来，高下立判。 在性能方面，用新型铁基合金基带制备的超导带材在零下253.15摄氏度的液氢温区下，屈服强度超过1400兆帕，到零下268.95摄氏度的液氦温区时，屈服强度近1500兆帕，较相同工艺下用哈氏合金基带制备的超导带材有很大的提升。更关键的是带材在形变下的表现：新型铁基合金基带超导带材在77K，0.6%应变时，临界电流衰减不足10%；作为对照，相同工艺下用哈氏合金基带制备的超导带材，在同等应变水平下临界电流衰减已超过50%。 成本方面，新型铁基合金基带的成分主要为铁元素，合金元素成本不到哈氏合金的四分之一。 路行至此，团队不仅完成了哈氏合金基带的国产化验证，也研制出了性能更高的铁基合金基带。他们将新型铁基合金基带命名为“DW01”，“D”和“W”是“低温”的拼音首字母。围绕新型铁基合金基带的成分设计和制备工艺，团队已申请发明专利6项，形成了自主知识产权体系。 “基带厚度精度、表面质量和直线度等关键指标均达到供货水平，满足高温超导带材生产工艺要求，为高温超导带材基带的国产化开辟了新的途径，而且临界电流指标还有很大提升空间。”上海超导副董事长洪智勇说。 李来风说，接下来，团队决定重新回到实验室，继续埋头优化铁基合金的成分与制备工艺，进一步提高超导带材的临界电流和低温力学性能，同时探索更多的技术路线。 “对我们来说，挣钱不是最重要的，最重要的是解决‘没有’的问题。”李来风说，这么多年来，他深受导师洪朝生先生的影响，“就喜欢做点儿有挑战性的、国家需要的、‘从0到1’的事”。 对于这支团队来说，他们的心里有一个共同的信念：“用中国人自己的材料，解决实际应用面临的难题。”
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发表于 2026-9-1 17:35
