超导材料：可用于核聚变、关乎能源革命的关键材料 正在大规模应用方向不断前进

时间: 2024-07-20 19:32:12 |   作者: 家居及玩具

　　近日，号称诺贝尔奖级发现的“室温超导”再度引爆了市场对超导材料的热议，超导材料应用究竟走到了哪一步？

　　超导材料，是拥有完全导电性、完全抗磁性和宏观量子效应三大基本特性的新材料。

　　早在二十世纪初，人们在气体理论的指导下不断将各种气体液化，其中荷兰物理学家昂尼斯在1908年成功液化了地球上最后一种“顽固气体”氦气，并且获得了接近绝对零度的低温4.2K(约-269°C)。

　　氦作为分子质量最小的稀有气体，是最不活泼的元素之一，也是唯一不能在标准大气压下固化的物质，液氦的成功获得极大地推进了低温物理学的发展，这也为超导现象的发现埋下了伏笔。

　　1911年，昂尼斯等人用液氦冷却金属汞以研究金属在低温下的电阻行为时发现，汞的电阻并不像预期中随温度降低而逐渐减小，而是在温度降至4.2K左右(Tc=4.2K，等同于-268.98°C)时急剧下降，以至完全消失，这也就是超导体的第一个基本特征，即完全导电性。

　　因液氦的成功制备和超导现象的发现，昂尼斯于1913年获得了诺贝尔物理学奖，并首次以“超导”一词来表达这一现象，寓意为超级导电。

　　1933年德国物理学家迈斯纳和奥林菲尔德共同发现了超导体的另一个重要特征——完全抗磁性，即当材料处于超导状态时，将完全排斥磁场，超导体内的磁感应强度为零，人们将此现状称为“迈斯纳效应”。此后，判断一种材料是不是具备超导电性，必须要看其是否同时具备完全导电性和完全抗磁性。

　　随后，巴丁、库珀和施里弗在1957年提出了著名的BCS理论，它把超导现象看作种宏观量子效应，成功地解释了金属或合金超导体的超导电性微观机理。由于电阻是由电子定向运动时与金属晶格发生碰撞而形成的，而在超导临界温度以下，超导体中的电子通过与晶格振动声子的交换来实现无损耗运动，即没有电阻产生，因此可以在一定程度上完成超导电性。至此，超导体的三大基本特性完全导电性、完全抗磁性和宏观量子效应均已奠定。

　　超导的零电阻、完全抗磁性和量子隧穿效应三大特性使其区别于普通材料，有着独特的应用场景：1）基于超导材料的零电阻性质和完全抗磁性，在超导材料中加载大电流，能轻松实现大电流输运、强磁场、磁悬浮等颠覆性技术；2）基于量子隧穿效应，超导能够应用于量子计算和实现弱磁场探测。因此超导材料被大范围的应用在电力传输、医疗器械、电子通信、国防军事、科学研究等多领域。

　　目前低温超导的下游应用最重要的包含加速器磁体、核聚变工程用超导磁体、核磁共振磁体、通用超导磁体等，基于低温超导材料的应用装置一般工作在液氦温度(约4.2K)。在相当长的时期内，低温超导材料仍将是最主要的超导产业支柱性材料。

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　　25K的超导材料则为高温超导材料，具备实用价值的主要包括Bi-Sr-Ca-Cu-0，BSCCO在内的铋系材料，Tc=110K；还有Y-Ba-Cu-0，YBCO在内的钇系材料，Tc=92K；以及Tc=39K的MgB2超导材料和铁基超导材料等。

　　不过铋系和钇系高温超导材料属于氧化物陶瓷，在制造工艺上须克服加工脆性、氧含量的精确控制及与基体反应等问题，因此生产所带来的成本较高，尚处于商业化初期阶段。

　　目前高温超导的下游终端应用最重要的包含超导电缆、超导电机、超导变压器、超导滤波器等，基于高温超导材料的应用装置一般工作在约20K的液氢温度至约77K的液氮温度之间。

　　2021年9月，MIT使用YBCO材料制造成的高温超导磁体成功产生了高达20特斯拉的磁场，计划于2025年制成首个实现能量增益的磁约束聚变装置，再度引发了人们对超导材料的无限遐想。

　　虽然超导体的应用解决了输电过程中造成的热损耗，具备着常规金属材料无法企及的性能。由于超导体往往需要在非常低的环境和温度中应用，低温度的环境又需要依赖于液氦或别的设备来维持，这极大地增加了超导材料的应用和维护成本，导致具备如此颠覆性的材料无法在低成本下被大规模应用。

　　具备更高临界温度的超导体是解决超导材料应用的关键，能够大规模应用的室温超导体也就成为了超导研发人员的重要目标。

　　2020年，迪亚斯在实验室将氢、碳和硫元素，在金刚石压腔中通过光化学合成简单的碳质硫氢化物(CSH)，并将其超导临界温度提升至15℃，这是人类第一次观察到室温超导体。不过，该现象的环境压力为267Gpa，相当于267万个标准大气压，并且产生超导现象的材料数量极其微量，并无法产生实际的应用。

　　2022年3月8日，迪亚斯再度宣布在摄氏20℃（294K）的室温环境中实现氮掺杂氢化镥中观察到了超导性，引发了市场巨震。不过即便环境压力大幅减至了1Gpa，实现较大突破，但仍较大规模应用有着遥远的距离，所以当前超导材料规模应用的重心暂时还会在高温超导领域。

　　由于超导材料的应用不仅能提高电力生产、传输等领域的工作效率，也能对资源的节约起到举足轻重的作用，在这个能源紧缺的时代，超导材料科研技术和生产技术的飞跃势必带来新一轮的能源革命，因此全球多个国家不惜投入巨资开展前期研究和产业化应用实验。

　　国内在产业政策方面也对超导材料的发展趋势做出了相关支持，历年出台的各类新材料行业发展政策推动了超导材料的发展和革新。《中国制造2025》将超导材料列为前沿颠覆性新材料中需重点发展的项目，《“十三五”国家战略性新兴起的产业发展规划》指出应积极参与国际热核聚变实验堆计划(ITER)，不断完善全超导托卡马克核聚变实验装置等国家重大科技基础设施。

　　目前国内也是以低温超导材料为主，其应用占超导市场总量的90%以上。我国已成为国际超导材料和应用技术研发的中坚力量，基本掌握了各种实用化超导材料的制备技术，实现了低温超导材料的商业化生产。

　　虽然我国在商业化超导强电和弱电应用技术等方面已基本达到国际先进水平，但由于产学研用结合不紧密、创新链和产业链不完整，导致我国在高端医疗设备、分析仪器、科研装备等超导技术应用方面存在明显差距，相关材料和装备仍然依赖进口。

　　当前西部超导是目前国内唯一实现超导线材商业化生产的企业，也是全球唯一的铌钛锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业，其低温超导线材技术已达国际领先水平。

　　公司的超导业务涉及NbTi锭棒和线Sn线材（包括“青铜法”和“内锡法”）和超导磁体的生产，主要用于先进装备制造、大型科学工程等领域，包括磁共振成像仪、磁控直拉单晶硅、核聚变实验堆、核磁共振谱仪、质子/重粒子加速器、磁悬浮列车、智能电网装备等。

　　目前全球低温超导产业高质量发展格局资料来源：西部超导招股书，《中国新材料产业发展报告2020》

　　具有使用成本低、应用限制少两大优势的高温超导领域，我国在基础研究和工艺研究方面均已实现一定进展，材料性能基本满足应用需求，目前正逐渐开始商业化。但和国际水平仍存在着明显的差距，未来高温超导材料商业化的核心仍需围绕低成本、大规模批量制备技术。

　　目前联创光电的高温超导感应加热技术国际领先，正推动产品市场化。2021年1月，公司设计的国际首台兆瓦级超导感应加热装置工业样机被运往中铝集团正式投入生产，首批产品于22年3月验收，各项性能指标完美符合要求。

　　此外，公司于2022年11月4日和广亚铝业达成合作，将利用高温超导感应加热技术帮助广亚铝业进行节能技改，加速公司高温超导感应加热设备的市场化进程。目前联创光电正在计划拓展产能，且高温超导加热下游需求较大，公司可利用技术优势拓展客户群体。

　　永鼎股份下属全资子公司东部超导科技则在专注第二代高温超导（2G-HTS）带材，主要是做超导电缆、超导磁体、超导限流器、超导电机的产业化发展以及超导变压器、全超导电力系统集成的研发推广。永鼎股份下属的苏州新材料研究主营业务也是研发新型高温超导（HTS）千米长带材。

　　超导材料龙头西部超导也在高温超导领域有所动作，公司正在推进Bi-2223和MgB2的研发和产业化，已掌握核心制备技术；重点发展20T以上全超导磁体、高性能核磁共振MRI/NMR用超导线材、低成本千米级高温超导涂层导体织构化基带及功能层沉积技术、高性能Bi系和铁基超导线材制备技术；参与研制出国际首台0.6TMgB2核磁共振成像仪。

　　此外，百利电气下属控股子公司北京英纳超导技术也是国内较早成立的专业研发高温超导材料的企业，主要是做铋系高温超导线材的研发生产，获得多项高温超导线材制备及高温超导应用领域的核心技术授权专利。

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