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2019年中国超导材料应用:高温超导行业及低温超导行业发展现状和市场格局分析[图]

2019年11月11日 13:48:48字号:T|T

    超导材料是一种在一定低温条件下,能排斥磁力线且呈现出电阻为零的特性的新型节能材料。目前,已发现有46种元素和几千种合金和化合物可以成为超导材料。超导材料是1911年荷兰物理学家昂内斯首先发现的,因其具有零电阻、完全抗磁和通量量子化等优异特性,从被发现之日起就获得了广泛的关注和研究。经过百年的发展,目前以铌钛(NbTi)和铌锡(Nb3Sn)为主的低温超导材料已实现商业化生产,其应用规模已占到超导材料市场的90%左右。但由于低温超导材料临界转变温度低,必须在液氦温区下才能实现超导特性,而液氦制冷的成本又非常高,所以其工程应用受到限制。高温超导材料因为可以在更高的工作温区(如液氢温区、液氮温区)下工作,能降低其制冷成本,受到美、日、德等主要发达国家的高度重视。目前具有实用价值的高温超导材料有以下几种:已实现商业化生产的铋系(Bi2223、Bi2212)和二硼化镁(MgB2),处于商业化前期的钇钡铜氧(YBCO)涂层导体,以及处于实验室阶段的2008年刚发现的铁基超导材料。

    超导材料根据组成和转变温度的不同可分为低温超导材料和高温超导材料。一般认为,Tc<25K的超导材料称为低温超导材料,目前已实现商业化的包括NbTi(Tc=9.5K)和Nb3Sn(Tc=18k);Tc≥25K的超导材料称为高温超导材料,有实用价值的高温超导材料主要有:第一代铋系BSCCO高温超导材料,已得到商业化应用;第二代钇系YBCO高温超导材料、硼化镁(MgB2)、铁基超导材料(FeSe)。目前,基于低温超导材料的应用装置一般工作在液氦温度(4.2K及以下),基于高温超导材料的应用装置一般工作在液氢温度(约20K)至液氮温度(约77K)之间。探索出更高临界温度乃至室温的超导体是超导技术的主攻方向。

    目前各国研究人员研发和生产的重点是YBCO超导材料,并认为其是未来超导材料发展的主要方向。

    一、超导材料应用

    零电阻:这是超导材料最基本的性质,即当温度降至临界温度Tc以下时,其电阻变为零,能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流,这一电流可以毫不衰减地维持下去。利用该特性可制作磁体、电力电缆、通信电缆和天线,其性能优于常规材料。

    完全抗磁性:将超导体置于外磁场中时,超导体会表现出完全抗磁性,即把原来处于体内的磁场排挤出去,其内部的磁感应强度为零,人们将此种现象称为“迈斯纳效应”。利用超导材料的完全抗磁性,可以制造超导磁悬浮列车。

    量子隧穿效应:1962年,剑桥大学的约瑟夫森预言,在薄绝缘层隔开的两种超导体之间有电流通过,即有“电子对”能“穿过”薄绝缘层(量子隧穿),而超导结上并不出现电压,随后安德森和罗厄耳等人从实验上证实了约瑟夫森的预言,这一现象被称为“约瑟夫森效应”。超导材料的量子隧穿效应可用于弱电磁信号的检测,超导量子干涉仪(SQUID)是目前人类所掌握的能测量弱磁场的手段中最灵敏的仪器,可以探测强度为地磁场十亿分之一到百亿分之一的磁信号。还可用于制作微波发生器、逻辑元件等。

    同位素效应:超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关,M越大,Tc越低。通常可以用同位素效应来鉴别材料的超导电性。

超导材料的零电阻现象

数据来源:公开资料整理

超导材料的完全抗磁性

数据来源:公开资料整理

    超导材料产业链上游行业主要是Nb、Ti、Sn、Y、Ba、Cu等金属矿产资源,稀有金属为主,消耗量并不大,但却是产业发展的基础,使用不同的金属对超导体的性能影响较大。中游行业主要为NbTi、Nb3Sn超导线材、BSCCO和YBCO超导带材等,该环节的发展决定了超导材料的商业化应用领域和进程,核心关注技术的进步和成本的下降。下游应用领域根据超导材料不同的性能用途较为广泛,可应用于国防军事、电子通信、医疗设备、电力能源、交通运输、机械工程等领域,如超导电缆、超导限流器、超导储能、超导发电机等。

    不论是第一代超导材料还是第二代超导材料,都需要使用中国具有优势资源的稀有小金属为主要原材料。特别是第二代YBCO中的稀土钇是中国具有战略性资源的重稀土主要成份。中游的超导材料是超导产业链中毛利率最高的环节,毛利率水平达到50%以上;目前国内超导材料主要是依赖于美国和日本进口,价格昂贵,占超导应用产品50%左右的成本。从整个产业链价值看,超导材料占超导设备40%-50%的成本。我国在超导材料及其应用领域总体上处于国际先进行列,基本掌握了各种实用化超导材料的制备技术,在多个应用方面也取得了良好的发展。

    预测,到2020年,超导产业将会形成总量为1500-2000亿美元的巨大国际市场。美国预测,预计到2020年,全世界超导电缆应用的总市场将达到2440亿美元,约占全球电缆市场的5%。预计到2022年,全球超导技术市场规模将增至58亿美元,期间年复合增率高达12.8%。随着技术的不断改进,高温超导需求将不断增加,尤其是在电力领域。从应用领域来说,磁共振成像将成为消费者应用需求最多的一个领域。从区域市场来看,随着工业发展步伐加快,亚太地区将成为最大的超导技术需求市场,尤其是中国、日本和印度这3个国家。

    二、高温超导

    在新型超导材料方面,人们一直希望能够获得低成本和高临界转变温度的材料。在20世纪的上半叶,科学家们在Pb、Nb、NbC、NbN、Nb3Sn和Nb-Al-Ge等各种元素、上千种合金材料和化合物中发现了超导特性,到了20世纪60年代后期,超导温度已经从Hg的4K上升到20K。到了20世纪80年代,超导材料飞跃式发展。

    首先是1986年4月,贝德罗兹(J.G.Bednorz)和缪勒(K.A.Muller)在La-Ba-Cu-O系氧化物超导体中验证了其临界温度达到了35K,比之前的超导温度上升了10K多,这项工作在1998年被评为诺贝尔奖。此后,La-Ba-Cu-O体系被大力发展。一年后的12月,朱经武等公开说明他们发现了一种新的可工作在液氮温区内的超导材料,其临界温度超过了90K,至此,超导物理迈进了高温超导的时代。

    1987年,来自中国科学院北京物理所的赵忠贤等公布了Y-Ba-Cu-O(YBCO)超导体系,它拥有92.8K的中点转变温度而且当温度降低到78.5K时,该超导体中出现电阻为零的现象。YBCO超导体化学式为YBa2Cu3O7,具有层状结构,堆叠Y-BaO-CuO2-CuO-CuO2-BaO。此后的数十年间,超导物理的主要工作就变成了在此结构下的元素替换。特别是稀土元素Re(Re=La、Nd、Sm、Eu、Gd、Ho、Er和Lu)的替换。一系列的ReBa2Cu3O7-δ超导体在80、90年代被制备出来。此后,一些复合材料的超导特性也被人发现,包括Bi-Sr-Ca-Cu-O,Tl-Ba-Ca-Cu-O和Tl-Pb-Sr-Ca-Cu-O,他们的超导温度都超过了100K。

    第一代高温超导材料以Bi系材料为代表,有着相对容易制备的特点,但和YBCO高温超导材料相比,Bi系不可逆场小了至少一个量级,导致了其在强磁场条件和液氮温区(77K)下的应用被局限。YBCO的高载流能力在液氮温区和高磁场条件下都非常突出,这使得YBCO被称为使用范围更加广泛的第二代高温超导材料。同时,YBCO因其结构相对简单的特点,可通过各种制备手段大批量生产。因此,在所有的高温超导材料中,YBCO第二代高温超导材料的优势日益凸显,奠定了YBCO薄膜在通信、电子、雷达等领域的广泛应用基础,挖掘了其巨大的商业价值。

    高温超导材料有着不同于半导体材料的特殊性质,使其在包括强电领域、弱电领域等不同的领域内应用前景都非常的普遍。强电领域方面,高温超导在电力工程方面的应用发展无与伦比,包括在电能输送、输电线路和微弱信号检测方面的都取得了成功,而在通信设备的应用、磁流体的发展方面,特别是对超导磁悬浮列车的研究发展与应用,彻底改变了现有的人类生活,并对未来电子、通信、交通、电力等方面进行了革命性的创新。弱电领域方面,超导量子干涉器、微波器件、数字电路等的研制成功,使其成功应用于军事、矿业、灾害预警等方面。

    高温超导材料使用形式多样,而带材是其最主要的使用形式。YBCO高温超导带材的结构通常由基带层、织构化隔离层、YBCO涂层、保护层等组成。YBCO第二代带材的性能优于第一代带材BSCCO,交流损耗也低。另外YBCO带材的原材料中不包含贵金属银,随着制备工艺逐渐成熟,具有潜在的成本竞争力。

    YBCO高温超导带材不仅在电力电缆、强磁场磁体、电力限流器、超导变压器、超导电机、超导储能、等强电应用中得到了充分的使用,也应用于科研医疗等不同的场合。并且在有色金属加热领域,基于感应加热工作原理,利用超导磁体损耗低、效率高、加热均匀等特点对金属进行高温超导直流感应加热。

    三、商业应用

    高品质工业铝型材产品正成为实现大飞机、汽车、轨道交通列车、航天、军工、船舶等工业先进装备技术升级和国产化目标的关键基础材料。随着汽车、航空、军工等高端应用领域对所使用的几何结构铝型材、钛型材等机械性能和表面质量要求也越来越高,传统的交流感应加热和燃气加热的精密加工能力受限,除了挤压模具精度不足外,型材挤压前加热工序中铝锭加热的幅向均匀性和轴向梯度分布要求也不能满足要求。目前,我国很多高端铝型材依然要依靠进口。而超导直流感应加热技术对提高挤压型材产品的机械性能和表面光洁度方面有着很大的帮助,是企业产品升级换代的有效技术路径。

    从节能降耗方面来看,高温超导直流感应加热技术的意义更大。国内铝型材企业年耗电费超过6亿元人民币,加热工序所占的能耗占全厂能耗的60%以上。一台1MW的加热炉如果采用超导直流感应技术年节电可达200万kwh,直接减少电费开支100万元人民币,同时相当于节约0.8万t标煤,减少二氧化碳排放2万t,减少氮氧化物排放300t。

    四、高温超导感应加热原理

    高温超导感应加热现在通常是采用如钇钡铜氧(YBCO)等高温超导带材绕制的超导磁体在铁芯中产生背景磁场,由机械传动系统带动如铝锭等金属工件在磁场中旋转,工件切割磁力线形成涡流并产生焦耳热,实现对工件的热处理。

    五、低温超导行业

    目前,全球超导市场以低温超导为主。低温超导行业产业链主要包括上游原材料、超导线材、超导磁体、超导设备四个环节,其中NbTi线材的上游还包括NbTi棒材环节,由于Nb和Ti的熔点相差较大,且NbTi合金中Nb的含量较多,如果控制不好熔炼技术,易产生不熔块,导致后续细芯丝NbTi线加工中断线,因此NbTi二元合金棒的制备非常困难。

    全球仅有少数几家企业掌握低温超导线生产技术,主要分布在英国、德国、日本和中国,西部超导的业务涉及NbTi锭棒和线材、Nb3Sn线材(包括“青铜法”和“内锡法”)和超导磁体的生产,是全球唯一的铌钛(NbTi)锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业。在NbTi锭棒领域:全球仅有西部超导和美国ATI两家公司。

    在超导线材领域:主要厂商包括西部超导、英国Oxford、德国Bruker、英国Luvata、日本JASTEC,其中英国Oxford、德国Bruker、英国Luvata三家公司是全球最主要的低温超导线材生产商,并且都能够采用“青铜法”和“内锡法”两种方法生产Nb3Sn线材,而日本JASTEC主要采用“青铜法”生产Nb3Sn线材。

    在超导磁体领域:国外主要厂商包括英国Oxford、德国Bruker、日本JASTEC,GE、Philips、Siemens也有自己的超导磁体工厂(不对外出售);国内主要厂家包括宁波健信、西部超导和潍坊新力,成都奥泰也有自己的超导磁体工厂(不对外出售)。

    在超导设备领域:高端超导MRI市场基本上被GE、PHILIPS、SIEMENS三家国际巨头垄断,其主流产品是3.0T,SIEMENS已量产7T产品;国内主要厂家包括成都奥泰、苏州安科、东软医疗、上海联影,目前已实现1.5T和3T超导MRI的商业化生产。国外NMR厂商主要包括德国Bruker、日本JEOL。

    相关报告:智研咨询发布的《2019-2025年中国超导材料行业市场分析预测及投资方向研究报告

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