2019年中國超導(dǎo)材料應(yīng)用:高溫超導(dǎo)行業(yè)及低溫超導(dǎo)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和市場格局分析[圖]

    超導(dǎo)材料是一種在一定低溫條件下，能排斥磁力線且呈現(xiàn)出電阻為零的特性的新型節(jié)能材料。目前，已發(fā)現(xiàn)有46種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)材料。超導(dǎo)材料是1911年荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯首先發(fā)現(xiàn)的，因其具有零電阻、完全抗磁和通量量子化等優(yōu)異特性，從被發(fā)現(xiàn)之日起就獲得了廣泛的關(guān)注和研究。經(jīng)過百年的發(fā)展，目前以鈮鈦（NbTi）和鈮錫（Nb3Sn）為主的低溫超導(dǎo)材料已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，其應(yīng)用規(guī)模已占到超導(dǎo)材料市場的90%左右。但由于低溫超導(dǎo)材料臨界轉(zhuǎn)變溫度低，必須在液氦溫區(qū)下才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)特性，而液氦制冷的成本又非常高，所以其工程應(yīng)用受到限制。高溫超導(dǎo)材料因?yàn)榭梢栽诟叩墓ぷ鳒貐^(qū)（如液氫溫區(qū)、液氮溫區(qū)）下工作，能降低其制冷成本，受到美、日、德等主要發(fā)達(dá)國家的高度重視。目前具有實(shí)用價(jià)值的高溫超導(dǎo)材料有以下幾種：已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的鉍系（Bi2223、Bi2212）和二硼化鎂（MgB2），處于商業(yè)化前期的釔鋇銅氧（YBCO）涂層導(dǎo)體，以及處于實(shí)驗(yàn)室階段的2008年剛發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)材料。

    超導(dǎo)材料根據(jù)組成和轉(zhuǎn)變溫度的不同可分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料。一般認(rèn)為，Tc<25K的超導(dǎo)材料稱為低溫超導(dǎo)材料，目前已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的包括NbTi（Tc=9.5K）和Nb3Sn（Tc=18k）；Tc≥25K的超導(dǎo)材料稱為高溫超導(dǎo)材料，有實(shí)用價(jià)值的高溫超導(dǎo)材料主要有：第一代鉍系BSCCO高溫超導(dǎo)材料，已得到商業(yè)化應(yīng)用；第二代釔系YBCO高溫超導(dǎo)材料、硼化鎂(MgB2)、鐵基超導(dǎo)材料(FeSe)。目前，基于低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用裝置一般工作在液氦溫度（4.2K及以下），基于高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用裝置一般工作在液氫溫度（約20K）至液氮溫度（約77K）之間。探索出更高臨界溫度乃至室溫的超導(dǎo)體是超導(dǎo)技術(shù)的主攻方向。

    目前各國研究人員研發(fā)和生產(chǎn)的重點(diǎn)是YBCO超導(dǎo)材料，并認(rèn)為其是未來超導(dǎo)材料發(fā)展的主要方向。

    一、超導(dǎo)材料應(yīng)用

    零電阻：這是超導(dǎo)材料最基本的性質(zhì)，即當(dāng)溫度降至臨界溫度Tc以下時(shí)，其電阻變?yōu)榱?，能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。利用該特性可制作磁體、電力電纜、通信電纜和天線，其性能優(yōu)于常規(guī)材料。

    完全抗磁性：將超導(dǎo)體置于外磁場中時(shí)，超導(dǎo)體會表現(xiàn)出完全抗磁性，即把原來處于體內(nèi)的磁場排擠出去，其內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，人們將此種現(xiàn)象稱為“邁斯納效應(yīng)”。利用超導(dǎo)材料的完全抗磁性，可以制造超導(dǎo)磁懸浮列車。

    量子隧穿效應(yīng)：1962年，劍橋大學(xué)的約瑟夫森預(yù)言，在薄絕緣層隔開的兩種超導(dǎo)體之間有電流通過，即有“電子對”能“穿過”薄絕緣層（量子隧穿），而超導(dǎo)結(jié)上并不出現(xiàn)電壓，隨后安德森和羅厄耳等人從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了約瑟夫森的預(yù)言，這一現(xiàn)象被稱為“約瑟夫森效應(yīng)”。超導(dǎo)材料的量子隧穿效應(yīng)可用于弱電磁信號的檢測，超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）是目前人類所掌握的能測量弱磁場的手段中最靈敏的儀器，可以探測強(qiáng)度為地磁場十億分之一到百億分之一的磁信號。還可用于制作微波發(fā)生器、邏輯元件等。

    同位素效應(yīng)：超導(dǎo)體的臨界溫度Tc與其同位素質(zhì)量M有關(guān)，M越大，Tc越低。通?？梢杂猛凰匦?yīng)來鑒別材料的超導(dǎo)電性。

超導(dǎo)材料的零電阻現(xiàn)象

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

超導(dǎo)材料的完全抗磁性

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)鏈上游行業(yè)主要是Nb、Ti、Sn、Y、Ba、Cu等金屬礦產(chǎn)資源，稀有金屬為主，消耗量并不大，但卻是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，使用不同的金屬對超導(dǎo)體的性能影響較大。中游行業(yè)主要為NbTi、Nb3Sn超導(dǎo)線材、BSCCO和YBCO超導(dǎo)帶材等，該環(huán)節(jié)的發(fā)展決定了超導(dǎo)材料的商業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域和進(jìn)程，核心關(guān)注技術(shù)的進(jìn)步和成本的下降。下游應(yīng)用領(lǐng)域根據(jù)超導(dǎo)材料不同的性能用途較為廣泛，可應(yīng)用于國防軍事、電子通信、醫(yī)療設(shè)備、電力能源、交通運(yùn)輸、機(jī)械工程等領(lǐng)域，如超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)儲能、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)等。

    不論是第一代超導(dǎo)材料還是第二代超導(dǎo)材料，都需要使用中國具有優(yōu)勢資源的稀有小金屬為主要原材料。特別是第二代YBCO中的稀土釔是中國具有戰(zhàn)略性資源的重稀土主要成份。中游的超導(dǎo)材料是超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈中毛利率最高的環(huán)節(jié)，毛利率水平達(dá)到50%以上；目前國內(nèi)超導(dǎo)材料主要是依賴于美國和日本進(jìn)口，價(jià)格昂貴，占超導(dǎo)應(yīng)用產(chǎn)品50%左右的成本。從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值看，超導(dǎo)材料占超導(dǎo)設(shè)備40%-50%的成本。我國在超導(dǎo)材料及其應(yīng)用領(lǐng)域總體上處于國際先進(jìn)行列，基本掌握了各種實(shí)用化超導(dǎo)材料的制備技術(shù)，在多個(gè)應(yīng)用方面也取得了良好的發(fā)展。

    預(yù)測，到2020年，超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)將會形成總量為1500-2000億美元的巨大國際市場。美國預(yù)測，預(yù)計(jì)到2020年,全世界超導(dǎo)電纜應(yīng)用的總市場將達(dá)到2440億美元，約占全球電纜市場的5%。預(yù)計(jì)到2022年，全球超導(dǎo)技術(shù)市場規(guī)模將增至58億美元，期間年復(fù)合增率高達(dá)12.8%。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，高溫超導(dǎo)需求將不斷增加，尤其是在電力領(lǐng)域。從應(yīng)用領(lǐng)域來說，磁共振成像將成為消費(fèi)者應(yīng)用需求最多的一個(gè)領(lǐng)域。從區(qū)域市場來看，隨著工業(yè)發(fā)展步伐加快，亞太地區(qū)將成為最大的超導(dǎo)技術(shù)需求市場，尤其是中國、日本和印度這3個(gè)國家。

    二、高溫超導(dǎo)

    在新型超導(dǎo)材料方面，人們一直希望能夠獲得低成本和高臨界轉(zhuǎn)變溫度的材料。在20世紀(jì)的上半葉，科學(xué)家們在Pb、Nb、NbC、NbN、Nb3Sn和Nb-Al-Ge等各種元素、上千種合金材料和化合物中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)特性，到了20世紀(jì)60年代后期，超導(dǎo)溫度已經(jīng)從Hg的4K上升到20K。到了20世紀(jì)80年代，超導(dǎo)材料飛躍式發(fā)展。

    首先是1986年4月，貝德羅茲（J.G.Bednorz）和繆勒（K.A.Muller）在La-Ba-Cu-O系氧化物超導(dǎo)體中驗(yàn)證了其臨界溫度達(dá)到了35K，比之前的超導(dǎo)溫度上升了10K多，這項(xiàng)工作在1998年被評為諾貝爾獎。此后，La-Ba-Cu-O體系被大力發(fā)展。一年后的12月，朱經(jīng)武等公開說明他們發(fā)現(xiàn)了一種新的可工作在液氮溫區(qū)內(nèi)的超導(dǎo)材料，其臨界溫度超過了90K，至此，超導(dǎo)物理邁進(jìn)了高溫超導(dǎo)的時(shí)代。

    1987年，來自中國科學(xué)院北京物理所的趙忠賢等公布了Y-Ba-Cu-O（YBCO）超導(dǎo)體系，它擁有92.8K的中點(diǎn)轉(zhuǎn)變溫度而且當(dāng)溫度降低到78.5K時(shí)，該超導(dǎo)體中出現(xiàn)電阻為零的現(xiàn)象。YBCO超導(dǎo)體化學(xué)式為YBa2Cu3O7，具有層狀結(jié)構(gòu)，堆疊Y-BaO-CuO2-CuO-CuO2-BaO。此后的數(shù)十年間，超導(dǎo)物理的主要工作就變成了在此結(jié)構(gòu)下的元素替換。特別是稀土元素Re（Re=La、Nd、Sm、Eu、Gd、Ho、Er和Lu）的替換。一系列的ReBa2Cu3O7-δ超導(dǎo)體在80、90年代被制備出來。此后，一些復(fù)合材料的超導(dǎo)特性也被人發(fā)現(xiàn)，包括Bi-Sr-Ca-Cu-O，Tl-Ba-Ca-Cu-O和Tl-Pb-Sr-Ca-Cu-O，他們的超導(dǎo)溫度都超過了100K。

    第一代高溫超導(dǎo)材料以Bi系材料為代表，有著相對容易制備的特點(diǎn)，但和YBCO高溫超導(dǎo)材料相比，Bi系不可逆場小了至少一個(gè)量級，導(dǎo)致了其在強(qiáng)磁場條件和液氮溫區(qū)（77K）下的應(yīng)用被局限。YBCO的高載流能力在液氮溫區(qū)和高磁場條件下都非常突出，這使得YBCO被稱為使用范圍更加廣泛的第二代高溫超導(dǎo)材料。同時(shí)，YBCO因其結(jié)構(gòu)相對簡單的特點(diǎn)，可通過各種制備手段大批量生產(chǎn)。因此，在所有的高溫超導(dǎo)材料中，YBCO第二代高溫超導(dǎo)材料的優(yōu)勢日益凸顯，奠定了YBCO薄膜在通信、電子、雷達(dá)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用基礎(chǔ)，挖掘了其巨大的商業(yè)價(jià)值。

    高溫超導(dǎo)材料有著不同于半導(dǎo)體材料的特殊性質(zhì)，使其在包括強(qiáng)電領(lǐng)域、弱電領(lǐng)域等不同的領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用前景都非常的普遍。強(qiáng)電領(lǐng)域方面，高溫超導(dǎo)在電力工程方面的應(yīng)用發(fā)展無與倫比，包括在電能輸送、輸電線路和微弱信號檢測方面的都取得了成功，而在通信設(shè)備的應(yīng)用、磁流體的發(fā)展方面，特別是對超導(dǎo)磁懸浮列車的研究發(fā)展與應(yīng)用，徹底改變了現(xiàn)有的人類生活，并對未來電子、通信、交通、電力等方面進(jìn)行了革命性的創(chuàng)新。弱電領(lǐng)域方面，超導(dǎo)量子干涉器、微波器件、數(shù)字電路等的研制成功，使其成功應(yīng)用于軍事、礦業(yè)、災(zāi)害預(yù)警等方面。

    高溫超導(dǎo)材料使用形式多樣，而帶材是其最主要的使用形式。YBCO高溫超導(dǎo)帶材的結(jié)構(gòu)通常由基帶層、織構(gòu)化隔離層、YBCO涂層、保護(hù)層等組成。YBCO第二代帶材的性能優(yōu)于第一代帶材BSCCO，交流損耗也低。另外YBCO帶材的原材料中不包含貴金屬銀，隨著制備工藝逐漸成熟，具有潛在的成本競爭力。

    YBCO高溫超導(dǎo)帶材不僅在電力電纜、強(qiáng)磁場磁體、電力限流器、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)儲能、等強(qiáng)電應(yīng)用中得到了充分的使用，也應(yīng)用于科研醫(yī)療等不同的場合。并且在有色金屬加熱領(lǐng)域，基于感應(yīng)加熱工作原理，利用超導(dǎo)磁體損耗低、效率高、加熱均勻等特點(diǎn)對金屬進(jìn)行高溫超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱。

    三、商業(yè)應(yīng)用

    高品質(zhì)工業(yè)鋁型材產(chǎn)品正成為實(shí)現(xiàn)大飛機(jī)、汽車、軌道交通列車、航天、軍工、船舶等工業(yè)先進(jìn)裝備技術(shù)升級和國產(chǎn)化目標(biāo)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。隨著汽車、航空、軍工等高端應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ褂玫膸缀谓Y(jié)構(gòu)鋁型材、鈦型材等機(jī)械性能和表面質(zhì)量要求也越來越高，傳統(tǒng)的交流感應(yīng)加熱和燃?xì)饧訜岬木芗庸つ芰κ芟?，除了擠壓模具精度不足外，型材擠壓前加熱工序中鋁錠加熱的幅向均勻性和軸向梯度分布要求也不能滿足要求。目前，我國很多高端鋁型材依然要依靠進(jìn)口。而超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱技術(shù)對提高擠壓型材產(chǎn)品的機(jī)械性能和表面光潔度方面有著很大的幫助，是企業(yè)產(chǎn)品升級換代的有效技術(shù)路徑。

    從節(jié)能降耗方面來看，高溫超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱技術(shù)的意義更大。國內(nèi)鋁型材企業(yè)年耗電費(fèi)超過6億元人民幣，加熱工序所占的能耗占全廠能耗的60%以上。一臺1MW的加熱爐如果采用超導(dǎo)直流感應(yīng)技術(shù)年節(jié)電可達(dá)200萬kwh，直接減少電費(fèi)開支100萬元人民幣，同時(shí)相當(dāng)于節(jié)約0.8萬t標(biāo)煤，減少二氧化碳排放2萬t，減少氮氧化物排放300t。

    四、高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱原理

    高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱現(xiàn)在通常是采用如釔鋇銅氧（YBCO）等高溫超導(dǎo)帶材繞制的超導(dǎo)磁體在鐵芯中產(chǎn)生背景磁場，由機(jī)械傳動系統(tǒng)帶動如鋁錠等金屬工件在磁場中旋轉(zhuǎn)，工件切割磁力線形成渦流并產(chǎn)生焦耳熱，實(shí)現(xiàn)對工件的熱處理。

    五、低溫超導(dǎo)行業(yè)

    目前，全球超導(dǎo)市場以低溫超導(dǎo)為主。低溫超導(dǎo)行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游原材料、超導(dǎo)線材、超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)設(shè)備四個(gè)環(huán)節(jié)，其中NbTi線材的上游還包括NbTi棒材環(huán)節(jié)，由于Nb和Ti的熔點(diǎn)相差較大，且NbTi合金中Nb的含量較多，如果控制不好熔煉技術(shù)，易產(chǎn)生不熔塊，導(dǎo)致后續(xù)細(xì)芯絲NbTi線加工中斷線，因此NbTi二元合金棒的制備非常困難。

    全球僅有少數(shù)幾家企業(yè)掌握低溫超導(dǎo)線生產(chǎn)技術(shù)，主要分布在英國、德國、日本和中國，西部超導(dǎo)的業(yè)務(wù)涉及NbTi錠棒和線材、Nb3Sn線材（包括“青銅法”和“內(nèi)錫法”）和超導(dǎo)磁體的生產(chǎn)，是全球唯一的鈮鈦（NbTi）錠棒、超導(dǎo)線材、超導(dǎo)磁體的全流程生產(chǎn)企業(yè)。在NbTi錠棒領(lǐng)域：全球僅有西部超導(dǎo)和美國ATI兩家公司。

    在超導(dǎo)線材領(lǐng)域：主要廠商包括西部超導(dǎo)、英國Oxford、德國Bruker、英國Luvata、日本JASTEC，其中英國Oxford、德國Bruker、英國Luvata三家公司是全球最主要的低溫超導(dǎo)線材生產(chǎn)商，并且都能夠采用“青銅法”和“內(nèi)錫法”兩種方法生產(chǎn)Nb3Sn線材，而日本JASTEC主要采用“青銅法”生產(chǎn)Nb3Sn線材。

    在超導(dǎo)磁體領(lǐng)域：國外主要廠商包括英國Oxford、德國Bruker、日本JASTEC，GE、Philips、Siemens也有自己的超導(dǎo)磁體工廠（不對外出售）；國內(nèi)主要廠家包括寧波健信、西部超導(dǎo)和濰坊新力，成都奧泰也有自己的超導(dǎo)磁體工廠（不對外出售）。

    在超導(dǎo)設(shè)備領(lǐng)域：高端超導(dǎo)MRI市場基本上被GE、PHILIPS、SIEMENS三家國際巨頭壟斷，其主流產(chǎn)品是3.0T，SIEMENS已量產(chǎn)7T產(chǎn)品；國內(nèi)主要廠家包括成都奧泰、蘇州安科、東軟醫(yī)療、上海聯(lián)影，目前已實(shí)現(xiàn)1.5T和3T超導(dǎo)MRI的商業(yè)化生產(chǎn)。國外NMR廠商主要包括德國Bruker、日本JEOL。

    相關(guān)報(bào)告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國超導(dǎo)材料行業(yè)市場分析預(yù)測及投資方向研究報(bào)告》