ReBCO高温超导导线存在的主要问题

二代导线的生产速率受到导线制备各环节的速率的制约，如基带制备速率、缓冲层制备速率、超导层制备速率等。以日本的Fujikura公司为例，2009年之前，他们主要是通过IBAD-GZO来引入双轴织构，GZO双轴织构层的制备速率最低，只有5m/h，制约着二代导线整体的制备速率，在这种情形下，即使连续不断的工作，二代导线每月的产量也只有3.6km，这远不能满足实际应用的需求量。鉴于原工艺较低的生产速率，目前，Fujikura已经开始尝试IBAD-MgO过渡层，因此限制该公司二代导线生产速率的环节已经不再是IBAD过渡层，而变成了超导层，50～80m/h。PLD工艺制备超导层的生产速率相比之前有大幅提高是由于他们在PLD系统中引入大功率激光源和新的热墙（Hot-Wall）加热系统^[37]，使得超导层可以沉积得更快、更厚、更好，长带性能由原来临界电流的350A/cm提高到了609A/cm。80m/h的生产速率对应年产量是691.2km（不间断生产的前提下）。为了满足以后的大规模应用的需求和降低设备的折旧成本，生产速率还需进一步提高，继续改进PLD方法或者引入其他的高生产速率的超导层制备方法，如MOCVD、MOD等。例如AMSC使用MOD工艺制备超导层，目前每年二代导线的实际产量可达700km。继续提高超导层、过渡层的生产速率（包括改进设备或发展新型设备），优化导线结构，发展新型的可快速制备的过渡层等是目前各研发单位提高二代导线生产速率的主要途径^[38]。

二代导线性能的提高是它能得到广泛应用的前提，同时也是提高其性价比的一个重要途径。现阶段，关于二代导线性能提高的研究主要集中在两个方面：①通过增加超导层的膜厚来提高超导传输能力；②通过掺杂引入有效的磁通钉扎中心，提高其临界电流密度。在保持临界电流密度不变的前提，增加超导层的厚度无疑可以增加临界电流，但实际情况是随着超导层增加到一定的厚度，临界电流不再增加，出现饱和，即是当膜的厚度增加到一定程度时，膜的质量变差，这时继续增加膜的厚度已经不能提高膜的性能^[39]。

目前，各研发机构提高二代导线性能的一个出发点是在不降低超导层薄膜质量的前提下，尽量增加它的厚度。Fujikura公司使用PLD工艺制备超导层Gd-BCO时发现随着膜厚度的增加，膜表面的温度会下降，这是膜的质量下降的一个重要因素，当他们引入新的加热系统（Hot-Wall加热系统）之后，沉积薄膜时其表面温度能得到保证，膜厚度已经能达到5～6μm，米级短线的最大临界电流达到1000A/cm以上。SuperPower公司使用MOCVD工艺制备YBCO超导层时，其临界电流随膜的厚度的变化情况，膜厚度达到2μm时，其临界电流出现饱和，原因是膜表层的织构变差、内部出现杂相、空洞等，如果改善MOCVD的工艺水平，抑制这些不利现象的出现，超导层的厚度有望继续增加，达到1000A/cm的目标。

YBCO是非理想的第二类超导体，可以通过掺杂，为YBCO薄膜引入高密度的、分布合理的、尺寸合适的晶格缺陷或者杂质作为有效的磁通钉扎中心，从而提高YBCO的电流传输特性，这是目前用于提高二代导线性能的一项重要技术。当人为地往YBCO薄膜中引入钉扎中心时，BaZrO₃（BZO）是一个典型的代表，使用的比较广泛。2004年，MACMANUS-DRISCOLL等人首先利用掺有BZO的YBCO靶材，通过PLD方法制备了含有BZO的YBCO薄膜，使得YBCO在磁场中（1～5T）的临界电流密度提高了50%以上[40]。之后，SuperPower公司的研究员使用MOCVD工艺制备YBCO超导薄膜时，在前驱溶液中加入Zr-四甲基-庚二酮酸（Zr-tetra Methyl Heptanedionate），发现制备成的YBCO薄膜中也会有自发形成的BZO纳米柱（Nanocolumn），BZO作为磁通钉扎中心，使得它在磁场中（77K，1T）的性能提高了100%，目前这项技术已经用到了SuperPower长带的生产之中，Zr的掺杂使得长带的临界电流从250A/cm提高到了300A/cm。(www.xing528.com)

据预测，二代导线只有当它的价格低于100美元/kA·m时，才能进入小规模的商业市场；低于50美元/kA·m时才能进入中等规模的商业市场；要进入大规模的商业市场，它的价格必须低于25美元/kA·m，这大约是传统材料铜的价格。目前，二代导线的价格大约是175美元/kA·m这个水平（SuperPower公司）。这个价格还远不能满足大规模应用的要求。目前设备、人力成本在导线的总成本中占有大部分比例，降低这部分的成本是降低导线总成本的关键。设备、人力成本除了会随着导线性能的提高而下降之外，还受生产速率的制约，提高生产速率也是降低设备、人力成本的关键。此外，导线的成品率也是影响导线成本的一个重要因素，例如，SuperPower在2009年时300A/cm导线的成品率只有8%，2010年提高到了22%，这也是目前二代导线价格居高的重要原因。

L、U 的元素可以直接从A 的元素求出。我们任取A中的第i行、第j列的元素aij来考察。