近日，號稱諾貝爾獎(jiǎng)級發(fā)現(xiàn)的“室溫超導(dǎo)”再度引爆了市場對超導(dǎo)材料的熱議，超導(dǎo)材料應(yīng)用究竟走到了哪一步？

什么是超導(dǎo)材料？

超導(dǎo)材料，是擁有完全導(dǎo)電性、完全抗磁性和宏觀量子效應(yīng)三大基本特性的新材料。

(資料圖片)

早在二十世紀(jì)初，人們在氣體理論的指導(dǎo)下不斷將各種氣體液化，其中荷蘭物理學(xué)家昂尼斯在1908年成功液化了地球上最后一種“頑固氣體”氦氣，并且獲得了接近絕對零度的低溫4.2K(約-269°C)。

氦作為分子質(zhì)量最小的稀有氣體，是最不活潑的元素之一，也是唯一不能在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下固化的物質(zhì)，液氦的成功獲得極大地推進(jìn)了低溫物理學(xué)的發(fā)展，這也為超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)埋下了伏筆。

1911年，昂尼斯等人用液氦冷卻金屬汞以研究金屬在低溫下的電阻行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，汞的電阻并不像預(yù)期中隨溫度降低而逐漸減小，而是在溫度降至4.2K左右(Tc=4.2K，等同于-268.98°C)時(shí)急劇下降，以至完全消失，這也就是超導(dǎo)體的第一個(gè)基本特征，即完全導(dǎo)電性。

因液氦的成功制備和超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，昂尼斯于1913年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，并首次以“超導(dǎo)”一詞來表達(dá)這一現(xiàn)象，寓意為超級導(dǎo)電。

金屬汞的電阻在4.2K時(shí)突然降為零圖/工信論壇

1933年德國物理學(xué)家邁斯納和奧林菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)重要特征——完全抗磁性，即當(dāng)材料處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，將完全排斥磁場，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，人們將這種現(xiàn)象稱為“邁斯納效應(yīng)”。此后，判斷一種材料是否具備超導(dǎo)電性，必須要看其是否同時(shí)具備完全導(dǎo)電性和完全抗磁性。

理想導(dǎo)體和超導(dǎo)體的完全抗磁性對比圖/維基百科

隨后，巴丁、庫珀和施里弗在1957年提出了著名的BCS理論，它把超導(dǎo)現(xiàn)象看作種宏觀量子效應(yīng)，成功地解釋了金屬或合金超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性微觀機(jī)理。由于電阻是由電子定向運(yùn)動時(shí)與金屬晶格發(fā)生碰撞而形成的，而在超導(dǎo)臨界溫度以下，超導(dǎo)體中的電子通過與晶格振動聲子的交換來實(shí)現(xiàn)無損耗運(yùn)動，即沒有電阻產(chǎn)生，因此能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)電性。至此，超導(dǎo)體的三大基本特性完全導(dǎo)電性、完全抗磁性和宏觀量子效應(yīng)均已奠定。

超導(dǎo)的零電阻、完全抗磁性和量子隧穿效應(yīng)三大特性使其區(qū)別于普通材料，有著獨(dú)特的應(yīng)用場景：1）基于超導(dǎo)材料的零電阻性質(zhì)和完全抗磁性，在超導(dǎo)材料中加載大電流，可以實(shí)現(xiàn)大電流輸運(yùn)、強(qiáng)磁場、磁懸浮等顛覆性技術(shù)；2）基于量子隧穿效應(yīng)，超導(dǎo)能夠應(yīng)用于量子計(jì)算和實(shí)現(xiàn)弱磁場探測。因此超導(dǎo)材料被廣泛應(yīng)用在電力傳輸、醫(yī)療器械、電子通信、國防軍事、科學(xué)研究等多領(lǐng)域。

高溫超導(dǎo)剛起步室溫超導(dǎo)還只是概念

按照超導(dǎo)體的臨界溫度，可以將超導(dǎo)體分為低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)材料: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(鈮三錫，Tc=18k)。由于NbTi和Nb3Sn具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能和成本優(yōu)勢，其制備技術(shù)與工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟。

目前低溫超導(dǎo)的下游應(yīng)用主要包括加速器磁體、核聚變工程用超導(dǎo)磁體、核磁共振磁體、通用超導(dǎo)磁體等，基于低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用裝置一般工作在液氦溫度(約4.2K)。在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，低溫超導(dǎo)材料仍將是最主要的超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)支柱性材料。

Tc>25K的超導(dǎo)材料則為高溫超導(dǎo)材料，具備實(shí)用價(jià)值的主要包括Bi-Sr-Ca-Cu-0，BSCCO在內(nèi)的鉍系材料，Tc=110K；還有Y-Ba-Cu-0，YBCO在內(nèi)的釔系材料，Tc=92K；以及Tc=39K的MgB2超導(dǎo)材料和鐵基超導(dǎo)材料等。

不過鉍系和釔系高溫超導(dǎo)材料屬于氧化物陶瓷，在制造工藝上須克服加工脆性、氧含量的精確控制及與基體反應(yīng)等問題，因此生產(chǎn)成本較高，尚處于商業(yè)化初期階段。

目前高溫超導(dǎo)的下游終端應(yīng)用主要包括超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)濾波器等，基于高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用裝置一般工作在約20K的液氫溫度至約77K的液氮溫度之間。

2021年9月，MIT使用YBCO材料制成的高溫超導(dǎo)磁體成功產(chǎn)生了高達(dá)20特斯拉的磁場，計(jì)劃于2025年制成首個(gè)實(shí)現(xiàn)能量增益的磁約束聚變裝置，再度引發(fā)了人們對超導(dǎo)材料的無限遐想。

資料來源:《新型高溫超導(dǎo)材料研究進(jìn)展》

雖然超導(dǎo)體的應(yīng)用解決了輸電過程中造成的熱損耗，具備著常規(guī)金屬材料無法企及的性能。由于超導(dǎo)體往往需要在非常低的環(huán)境溫度中應(yīng)用，低溫環(huán)境又需要依賴于液氦或其他設(shè)備來維持，這極大地增加了超導(dǎo)材料的應(yīng)用和維護(hù)成本，導(dǎo)致具備如此顛覆性的材料無法在低成本下被大規(guī)模應(yīng)用。

具備更高臨界溫度的超導(dǎo)體是解決超導(dǎo)材料應(yīng)用的關(guān)鍵，能夠大規(guī)模應(yīng)用的室溫超導(dǎo)體也就成為了超導(dǎo)研發(fā)人員的重要目標(biāo)。

2020年，迪亞斯在實(shí)驗(yàn)室將氫、碳和硫元素，在金剛石壓腔中通過光化學(xué)合成簡單的碳質(zhì)硫氫化物(CSH)，并將其超導(dǎo)臨界溫度提升至15℃，這是人類第一次觀察到室溫超導(dǎo)體。不過，該現(xiàn)象的環(huán)境壓力為267Gpa，相當(dāng)于267萬個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，并且產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象的材料數(shù)量極其微量，并無法產(chǎn)生實(shí)際的應(yīng)用。

2022年3月8日，迪亞斯再度宣布在攝氏20℃（294K）的室溫環(huán)境中實(shí)現(xiàn)氮摻雜氫化镥中觀察到了超導(dǎo)性，引發(fā)了市場巨震。不過即便環(huán)境壓力大幅減至了1Gpa，實(shí)現(xiàn)較大突破，但仍較大規(guī)模應(yīng)用有著遙遠(yuǎn)的距離，所以當(dāng)前超導(dǎo)材料規(guī)模應(yīng)用的重心暫時(shí)還會在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域。

國內(nèi)超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程如何？

由于超導(dǎo)材料的應(yīng)用不僅能提高電力生產(chǎn)、傳輸?shù)阮I(lǐng)域的工作效率，也能對資源的節(jié)約起到舉足輕重的作用，在這個(gè)能源緊缺的時(shí)代，超導(dǎo)材料科研技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的飛躍勢必帶來新一輪的能源革命，因此全球多個(gè)國家不惜投入巨資開展前期研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

國內(nèi)在產(chǎn)業(yè)政策方面也對超導(dǎo)材料的發(fā)展方向做出了相關(guān)支持，歷年出臺的各類新材料行業(yè)發(fā)展政策推動了超導(dǎo)材料的發(fā)展和革新。《中國制造2025》將超導(dǎo)材料列為前沿顛覆性新材料中需重點(diǎn)發(fā)展的項(xiàng)目，《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出應(yīng)積極參與國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃(ITER)，不斷完善全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置等國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。

目前國內(nèi)也是以低溫超導(dǎo)材料為主，其應(yīng)用占超導(dǎo)市場總量的90%以上。我國已成為國際超導(dǎo)材料和應(yīng)用技術(shù)研發(fā)的中堅(jiān)力量，基本掌握了各種實(shí)用化超導(dǎo)材料的制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低溫超導(dǎo)材料的商業(yè)化生產(chǎn)。

雖然我國在商業(yè)化超導(dǎo)強(qiáng)電和弱電應(yīng)用技術(shù)等方面已基本達(dá)到國際先進(jìn)水平，但由于產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合不緊密、創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈不完整，導(dǎo)致我國在高端醫(yī)療設(shè)備、分析儀器、科研裝備等超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用方面存在明顯差距，相關(guān)材料和裝備仍然依賴進(jìn)口。

當(dāng)前西部超導(dǎo)是目前國內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)線材商業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)，也是全球唯一的鈮鈦錠棒、超導(dǎo)線材、超導(dǎo)磁體的全流程生產(chǎn)企業(yè)，其低溫超導(dǎo)線材技術(shù)已達(dá)國際領(lǐng)先水平。

公司的超導(dǎo)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)，主要用于先進(jìn)裝備制造、大型科學(xué)工程等領(lǐng)域，包括磁共振成像儀、磁控直拉單晶硅、核聚變實(shí)驗(yàn)堆、核磁共振譜儀、質(zhì)子/重粒子加速器、磁懸浮列車、智能電網(wǎng)裝備等。

目前全球低溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局資料來源：西部超導(dǎo)招股書，《中國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2020》

具有使用成本低、應(yīng)用限制少兩大優(yōu)勢的高溫超導(dǎo)領(lǐng)域，我國在基礎(chǔ)研究和工藝研究方面均已實(shí)現(xiàn)一定進(jìn)展，材料性能基本滿足應(yīng)用需求，目前正逐漸開始商業(yè)化。但和國際水平仍存在著明顯的差距，未來高溫超導(dǎo)材料商業(yè)化的核心仍需圍繞低成本、大規(guī)模批量制備技術(shù)。

目前聯(lián)創(chuàng)光電的高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)國際領(lǐng)先，正推動產(chǎn)品市場化。2021年1月，公司設(shè)計(jì)的國際首臺兆瓦級超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置工業(yè)樣機(jī)被運(yùn)往中鋁集團(tuán)正式投入生產(chǎn)，首批產(chǎn)品于22年3月驗(yàn)收，各項(xiàng)性能指標(biāo)完美符合要求。

此外，公司于2022年11月4日和廣亞鋁業(yè)達(dá)成合作，將利用高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)幫助廣亞鋁業(yè)進(jìn)行節(jié)能技改，加速公司高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備的市場化進(jìn)程。目前聯(lián)創(chuàng)光電正在計(jì)劃拓展產(chǎn)能，且高溫超導(dǎo)加熱下游需求較大，公司可利用技術(shù)優(yōu)勢拓展客戶群體。

永鼎股份下屬全資子公司東部超導(dǎo)科技則在專注第二代高溫超導(dǎo)（2G-HTS）帶材，主要從事超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展以及超導(dǎo)變壓器、全超導(dǎo)電力系統(tǒng)集成的研發(fā)推廣。永鼎股份下屬的蘇州新材料研究主營業(yè)務(wù)也是研發(fā)新型高溫超導(dǎo)（HTS）千米長帶材。

超導(dǎo)材料龍頭西部超導(dǎo)也在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域有所動作，公司正在推進(jìn)Bi-2223和MgB2的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，已掌握核心制備技術(shù)；重點(diǎn)發(fā)展20T以上全超導(dǎo)磁體、高性能核磁共振MRI/NMR用超導(dǎo)線材、低成本千米級高溫超導(dǎo)涂層導(dǎo)體織構(gòu)化基帶及功能層沉積技術(shù)、高性能Bi系和鐵基超導(dǎo)線材制備技術(shù)；參與研制出國際首臺0.6TMgB2核磁共振成像儀。

此外，百利電氣下屬控股子公司北京英納超導(dǎo)技術(shù)也是國內(nèi)較早成立的專業(yè)研發(fā)高溫超導(dǎo)材料的企業(yè)，主要從事鉍系高溫超導(dǎo)線材的研發(fā)生產(chǎn)，獲得多項(xiàng)高溫超導(dǎo)線材制備及高溫超導(dǎo)應(yīng)用領(lǐng)域的核心技術(shù)授權(quán)專利。

相信隨著超導(dǎo)技術(shù)不斷，超導(dǎo)材料相關(guān)企業(yè)將打開十分廣闊的市場空間。