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2019年中國超導材料應用:高溫超導行業及低溫超導行業發展現狀和市場格局分析[圖]

2019年11月11日 13:48:48字號:T|T

    超導材料是一種在一定低溫條件下,能排斥磁力線且呈現出電阻為零的特性的新型節能材料。目前,已發現有46種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導材料。超導材料是1911年荷蘭物理學家昂內斯首先發現的,因其具有零電阻、完全抗磁和通量量子化等優異特性,從被發現之日起就獲得了廣泛的關注和研究。經過百年的發展,目前以鈮鈦(NbTi)和鈮錫(Nb3Sn)為主的低溫超導材料已實現商業化生產,其應用規模已占到超導材料市場的90%左右。但由于低溫超導材料臨界轉變溫度低,必須在液氦溫區下才能實現超導特性,而液氦制冷的成本又非常高,所以其工程應用受到限制。高溫超導材料因為可以在更高的工作溫區(如液氫溫區、液氮溫區)下工作,能降低其制冷成本,受到美、日、德等主要發達國家的高度重視。目前具有實用價值的高溫超導材料有以下幾種:已實現商業化生產的鉍系(Bi2223、Bi2212)和二硼化鎂(MgB2),處于商業化前期的釔鋇銅氧(YBCO)涂層導體,以及處于實驗室階段的2008年剛發現的鐵基超導材料。

    超導材料根據組成和轉變溫度的不同可分為低溫超導材料和高溫超導材料。一般認為,Tc<25K的超導材料稱為低溫超導材料,目前已實現商業化的包括NbTi(Tc=9.5K)和Nb3Sn(Tc=18k);Tc≥25K的超導材料稱為高溫超導材料,有實用價值的高溫超導材料主要有:第一代鉍系BSCCO高溫超導材料,已得到商業化應用;第二代釔系YBCO高溫超導材料、硼化鎂(MgB2)、鐵基超導材料(FeSe)。目前,基于低溫超導材料的應用裝置一般工作在液氦溫度(4.2K及以下),基于高溫超導材料的應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體是超導技術的主攻方向。

    目前各國研究人員研發和生產的重點是YBCO超導材料,并認為其是未來超導材料發展的主要方向。

    一、超導材料應用

    零電阻:這是超導材料最基本的性質,即當溫度降至臨界溫度Tc以下時,其電阻變為零,能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導環中引發感生電流,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,其性能優于常規材料。

    完全抗磁性:將超導體置于外磁場中時,超導體會表現出完全抗磁性,即把原來處于體內的磁場排擠出去,其內部的磁感應強度為零,人們將此種現象稱為“邁斯納效應”。利用超導材料的完全抗磁性,可以制造超導磁懸浮列車。

    量子隧穿效應:1962年,劍橋大學的約瑟夫森預言,在薄絕緣層隔開的兩種超導體之間有電流通過,即有“電子對”能“穿過”薄絕緣層(量子隧穿),而超導結上并不出現電壓,隨后安德森和羅厄耳等人從實驗上證實了約瑟夫森的預言,這一現象被稱為“約瑟夫森效應”。超導材料的量子隧穿效應可用于弱電磁信號的檢測,超導量子干涉儀(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生器、邏輯元件等。

    同位素效應:超導體的臨界溫度Tc與其同位素質量M有關,M越大,Tc越低。通常可以用同位素效應來鑒別材料的超導電性。

超導材料的零電阻現象

數據來源:公開資料整理

超導材料的完全抗磁性

數據來源:公開資料整理

    超導材料產業鏈上游行業主要是Nb、Ti、Sn、Y、Ba、Cu等金屬礦產資源,稀有金屬為主,消耗量并不大,但卻是產業發展的基礎,使用不同的金屬對超導體的性能影響較大。中游行業主要為NbTi、Nb3Sn超導線材、BSCCO和YBCO超導帶材等,該環節的發展決定了超導材料的商業化應用領域和進程,核心關注技術的進步和成本的下降。下游應用領域根據超導材料不同的性能用途較為廣泛,可應用于國防軍事、電子通信、醫療設備、電力能源、交通運輸、機械工程等領域,如超導電纜、超導限流器、超導儲能、超導發電機等。

    不論是第一代超導材料還是第二代超導材料,都需要使用中國具有優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略性資源的重稀土主要成份。中游的超導材料是超導產業鏈中毛利率最高的環節,毛利率水平達到50%以上;目前國內超導材料主要是依賴于美國和日本進口,價格昂貴,占超導應用產品50%左右的成本。從整個產業鏈價值看,超導材料占超導設備40%-50%的成本。我國在超導材料及其應用領域總體上處于國際先進行列,基本掌握了各種實用化超導材料的制備技術,在多個應用方面也取得了良好的發展。

    預測,到2020年,超導產業將會形成總量為1500-2000億美元的巨大國際市場。美國預測,預計到2020年,全世界超導電纜應用的總市場將達到2440億美元,約占全球電纜市場的5%。預計到2022年,全球超導技術市場規模將增至58億美元,期間年復合增率高達12.8%。隨著技術的不斷改進,高溫超導需求將不斷增加,尤其是在電力領域。從應用領域來說,磁共振成像將成為消費者應用需求最多的一個領域。從區域市場來看,隨著工業發展步伐加快,亞太地區將成為最大的超導技術需求市場,尤其是中國、日本和印度這3個國家。

    二、高溫超導

    在新型超導材料方面,人們一直希望能夠獲得低成本和高臨界轉變溫度的材料。在20世紀的上半葉,科學家們在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現了超導特性,到了20世紀60年代后期,超導溫度已經從Hg的4K上升到20K。到了20世紀80年代,超導材料飛躍式發展。

    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系氧化物超導體中驗證了其臨界溫度達到了35K,比之前的超導溫度上升了10K多,這項工作在1998年被評為諾貝爾獎。此后,La-Ba-Cu-O體系被大力發展。一年后的12月,朱經武等公開說明他們發現了一種新的可工作在液氮溫區內的超導材料,其臨界溫度超過了90K,至此,超導物理邁進了高溫超導的時代。

    1987年,來自中國科學院北京物理所的趙忠賢等公布了Y-Ba-Cu-O(YBCO)超導體系,它擁有92.8K的中點轉變溫度而且當溫度降低到78.5K時,該超導體中出現電阻為零的現象。YBCO超導體化學式為YBa2Cu3O7,具有層狀結構,堆疊Y-BaO-CuO2-CuO-CuO2-BaO。此后的數十年間,超導物理的主要工作就變成了在此結構下的元素替換。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超導體在80、90年代被制備出來。此后,一些復合材料的超導特性也被人發現,包括Bi-Sr-Ca-Cu-O,Tl-Ba-Ca-Cu-O和Tl-Pb-Sr-Ca-Cu-O,他們的超導溫度都超過了100K。

    第一代高溫超導材料以Bi系材料為代表,有著相對容易制備的特點,但和YBCO高溫超導材料相比,Bi系不可逆場小了至少一個量級,導致了其在強磁場條件和液氮溫區(77K)下的應用被局限。YBCO的高載流能力在液氮溫區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材料。同時,YBCO因其結構相對簡單的特點,可通過各種制備手段大批量生產。因此,在所有的高溫超導材料中,YBCO第二代高溫超導材料的優勢日益凸顯,奠定了YBCO薄膜在通信、電子、雷達等領域的廣泛應用基礎,挖掘了其巨大的商業價值。

    高溫超導材料有著不同于半導體材料的特殊性質,使其在包括強電領域、弱電領域等不同的領域內應用前景都非常的普遍。強電領域方面,高溫超導在電力工程方面的應用發展無與倫比,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,而在通信設備的應用、磁流體的發展方面,特別是對超導磁懸浮列車的研究發展與應用,徹底改變了現有的人類生活,并對未來電子、通信、交通、電力等方面進行了革命性的創新。弱電領域方面,超導量子干涉器、微波器件、數字電路等的研制成功,使其成功應用于軍事、礦業、災害預警等方面。

    高溫超導材料使用形式多樣,而帶材是其最主要的使用形式。YBCO高溫超導帶材的結構通常由基帶層、織構化隔離層、YBCO涂層、保護層等組成。YBCO第二代帶材的性能優于第一代帶材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高溫超導帶材不僅在電力電纜、強磁場磁體、電力限流器、超導變壓器、超導電機、超導儲能、等強電應用中得到了充分的使用,也應用于科研醫療等不同的場合。并且在有色金屬加熱領域,基于感應加熱工作原理,利用超導磁體損耗低、效率高、加熱均勻等特點對金屬進行高溫超導直流感應加熱。

    三、商業應用

    高品質工業鋁型材產品正成為實現大飛機、汽車、軌道交通列車、航天、軍工、船舶等工業先進裝備技術升級和國產化目標的關鍵基礎材料。隨著汽車、航空、軍工等高端應用領域對所使用的幾何結構鋁型材、鈦型材等機械性能和表面質量要求也越來越高,傳統的交流感應加熱和燃氣加熱的精密加工能力受限,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口。而超導直流感應加熱技術對提高擠壓型材產品的機械性能和表面光潔度方面有著很大的幫助,是企業產品升級換代的有效技術路徑。

    從節能降耗方面來看,高溫超導直流感應加熱技術的意義更大。國內鋁型材企業年耗電費超過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直流感應技術年節電可達200萬kwh,直接減少電費開支100萬元人民幣,同時相當于節約0.8萬t標煤,減少二氧化碳排放2萬t,減少氮氧化物排放300t。

    四、高溫超導感應加熱原理

    高溫超導感應加熱現在通常是采用如釔鋇銅氧(YBCO)等高溫超導帶材繞制的超導磁體在鐵芯中產生背景磁場,由機械傳動系統帶動如鋁錠等金屬工件在磁場中旋轉,工件切割磁力線形成渦流并產生焦耳熱,實現對工件的熱處理。

    五、低溫超導行業

    目前,全球超導市場以低溫超導為主。低溫超導行業產業鏈主要包括上游原材料、超導線材、超導磁體、超導設備四個環節,其中NbTi線材的上游還包括NbTi棒材環節,由于Nb和Ti的熔點相差較大,且NbTi合金中Nb的含量較多,如果控制不好熔煉技術,易產生不熔塊,導致后續細芯絲NbTi線加工中斷線,因此NbTi二元合金棒的制備非常困難。

    全球僅有少數幾家企業掌握低溫超導線生產技術,主要分布在英國、德國、日本和中國,西部超導的業務涉及NbTi錠棒和線材、Nb3Sn線材(包括“青銅法”和“內錫法”)和超導磁體的生產,是全球唯一的鈮鈦(NbTi)錠棒、超導線材、超導磁體的全流程生產企業。在NbTi錠棒領域:全球僅有西部超導和美國ATI兩家公司。

    在超導線材領域:主要廠商包括西部超導、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線材生產商,并且都能夠采用“青銅法”和“內錫法”兩種方法生產Nb3Sn線材,而日本JASTEC主要采用“青銅法”生產Nb3Sn線材。

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

    在超導設備領域:高端超導MRI市場基本上被GE、PHILIPS、SIEMENS三家國際巨頭壟斷,其主流產品是3.0T,SIEMENS已量產7T產品;國內主要廠家包括成都奧泰、蘇州安科、東軟醫療、上海聯影,目前已實現1.5T和3T超導MRI的商業化生產。國外NMR廠商主要包括德國Bruker、日本JEOL。

    相關報告:智研咨詢發布的《2019-2025年中國超導材料行業市場分析預測及投資方向研究報告

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