中國人造太陽核心材料不再受制于人，金屬打造噸級高純凈C276合金

“人造太陽”關鍵核心材料實現了國產化制備，而且這種材料強大到可以在指甲蓋大小的面積上承受 19 噸的重量。這一材料便是由中國科學院金屬研究所（下稱“金屬所”）研究員戎利建和團隊制備的高純凈噸級 C276 合金。

圖 | 光潔如鏡的高純凈噸級 C276 合金（來源：資料圖）

金屬所方面公開表示：“這標志著我國在高溫超導帶材關鍵材料國產化制備上實現了重要突破，將為第二代高溫超導材料的全國產業化生產和應用提供重要保障。”

據了解，戎利建自上世紀末便開始在金屬所工作，自那時起一直研究各種合金。在此次高純凈噸級 C276 合金的制備中，他和團隊突破了合金的鍛造、軋制、熱處理、相析出調控、光亮表面質量控制等關鍵技術，攻克了長期以來制約國產化基帶應用的技術難題，實現了長度達到 2000m、厚度在 0.046mm（約為頭發絲直徑一半）、寬度達到 12mm 的第二代高溫超導帶材（REBCO，Rare-Earth Barium Copper Oxide）的 C276 合金基帶的批量化制備，基帶表面的粗糙度小于 20nm，在液氮溫度下抗拉強度大于 1900MPa，在 900℃下加熱 5 分鐘后室溫抗拉強度大于 1200MPa，展現出優異的熱穩定性和力學性能。

與此同時，C276 合金中的雜質元素含量能夠滿足較高應用要求，在純凈度上的各項指標均已達到進口材料水平，個別指標優于進口材料。這種高純凈的材料，能夠確保合金擁有優異的冷熱加工性能和基帶的表面質量，故能用于被譽為“人造太陽”的可控核聚變裝置，讓這一成果突破了可控核聚變的第二代高溫超導帶材技術瓶頸，為制備第二代高溫超導帶材提供了關鍵基礎材料的自主保障。

（來源：資料圖）

已在上海超導和上創超導開展驗證，并在東部超導完成規模化制備

據金屬所官方消息，此次由戎利建團隊批量化制備的 C276 基帶已在上海超導和上創超導開展驗證工作，并在東部超導完成了將近千米高溫超導帶材的規模化制備。

通過采用千米級的基帶，東部超導已經制備出 845m 長的多股化系列超導帶材。在液氮溫度（77K/-196°C）之下，以及沒有施加任何外部磁場的前提下，假如僅考慮通電時自身產生的磁場，這根超導帶材能夠穩定承載的平均最大電流為 594A，在多次測量超導帶材的臨界電流之后，所有單個測量值相對于 594A 的平均值的波動大小和離散程度，其標準差被控制在 9.8A 以內。

在 4.2K 液氦溫度和垂直于其表面的、強度為 10 萬高斯的極端惡劣磁場環境下，這一超導帶材表現出世界頂尖的性能：不僅擁有極強的載流能力——每 4 毫米寬度可以承載高達 1058.78A 的大電流；也擁有極高的品質——其超導-正常態的轉變非常銳利（N 值=75.6），這表明這一超導帶材有著極佳的均勻性，在運行上非常穩定和可靠，性能甚至能夠媲美采用進口基帶批量化制備的第二代高溫超導帶材超導材料的臨界電流水平。

目前，戎利建團隊所制備的第二代高溫超導帶材超導材料也已被用于聯創超導的相關項目中。與此同時，該團隊所在的金屬所已經和東部超導達成20 噸 C276 基帶供貨的框架合作協議，通過進一步地優化制備工藝，將能推動國產化基帶的規模化應用。

（來源：資料圖）

逐步擺脫合金進口依賴，或于 2030 年首次演示聚變能發電

可控核聚變，是探索未來清潔能源的重要方向，也是中國的國家重點發展領域之一。第二代高溫超導帶材，是可控核聚變中超級磁體中的核心材料，如果沒有它就很難造出能夠約束上億攝氏度等離子體的強大磁場。

對于金屬基帶來說，它是緩沖層和超導層生長的襯底，緩沖層和超導層需要一層一層地生長在這一基帶上，也就是說金屬基帶能為超導帶材提供必要的機械強度和變形能力，因此是整個超導結構得以穩定成型的基礎。

第二代高溫超導帶材所使用的金屬基帶，目前主要采取哈氏合金（C276）。C276，是美國哈氏合金公司為生產這種特定鎳基合金所注冊的商業牌號。哈氏合金公司將其耐腐蝕合金分為幾個系列，其中“C”系列是專門為抵抗強氧化性和中等還原性腐蝕而設計的鎳-鉻-鉬合金。這個系列的合金以其出色的抗點蝕、抗縫隙腐蝕和抗應力腐蝕開裂能力而著稱。“276”則是一個序列號，用于區分哈氏合金公司“C”系列中擁有不同化學成分和性能的具體合金。

C276 是上述家族中一個極其著名和已得到廣泛應用的具體型號，它特指一種含有大約 57% 鎳、16% 鉻、16% 鉬、4% 鎢和少量鐵等元素的合金，它的主要特點包括具有出色的耐腐蝕性、良好的熱穩定性和優異的抗應力腐蝕開裂能力，這讓其能夠抵抗多種化學介質，包括濕氯氣、次氯酸鹽、二氧化碳、硫酸、鹽酸和磷酸等。

資料顯示，中國在過去相當長的一段時間內，在哈氏合金的使用上存在進口依賴的現狀，特別是在一些高性能的牌號和高端應用領域。盡管近年來國內已有廠家生產這種金屬基帶，然而基于進口冷軋卷材進行后續加工，不僅價格昂貴，而且供貨時間難以得到保證。由于之前依賴進口，也讓哈氏合金的采購價格受到國外供應商的主導。此前在國際貿易政策的影響下，曾導致中國從美國進口的哈氏合金的成本進一步上升，而這部分成本最終會轉嫁到國內下游企業上。

前面提到，戎利建團隊此次制備的高純凈噸級 C276 合金能被用于“人造太陽”。“人造太陽”是一個廣義概念。在中國合肥，由中國科學院等離子體物理研究所打造的“人造太陽”家族中包含多個大科學裝置。全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST，Experimental Advanced Superconducting Tokamak）是一位“老大哥”，它已經運行多年并曾多次創造世界紀錄。而緊湊型聚變能實驗裝置（BEST，Burning Experimental Superconducting Tokamak）則是“人造太陽”家族的最新成員，也是當前最受矚目的新一代裝置，其使命是在 2027 年建設工程，并計劃于 2030 年首次在世界上演示聚變能發現。而此次金屬所團隊的成果，在一定程度上緩解了“人造太陽”在材料使用上的進口依賴局面，將為“人造太陽”的發展帶來助力。

參考資料：

戎利建個人主頁http://www.imr.cas.cn/sourcedb/zw/rck/yjy_imr/201804/t20180402_4988725.html

https://www.xinhuanet.com/20251028/338a64f23148484fb1f84023c495e97b/c.html

https://mp.weixin.qq.com/s/U72K_Qr2heRJ9wjnGmND8g

https://mp.weixin.qq.com/s/DlgYWdTljIOOFK0mSt5qEA