近日，號稱諾貝爾獎級發現的“室溫超導”再度引爆了市場對超導材料的熱議，超導材料應用究竟走到了哪一步？

　　什么是超導材料？

　　超導材料，是擁有完全導電性、完全抗磁性和宏觀量子效應三大基本特性的新材料。

　　早在二十世紀初，人們在氣體理論的指導下不斷將各種氣體液化，其中荷蘭物理學家昂尼斯在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，也是唯一不能在標準大氣壓下固化的物質，液氦的成功獲得極大地推進了低溫物理學的發展，這也為超導現象的發現埋下了伏筆。

　　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發現，汞的電阻并不像預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)時急劇下降，以至完全消失，這也就是超導體的第一個基本特征，即完全導電性。

　　因液氦的成功制備和超導現象的發現，昂尼斯于1913年獲得了諾貝爾物理學獎，并首次以“超導”一詞來表達這一現象，寓意為超級導電。

　　金屬汞的電阻在4.2K時突然降為零圖/工信論壇

　　1933年德國物理學家邁斯納和奧林菲爾德共同發現了超導體的另一個重要特征——完全抗磁性，即當材料處于超導狀態時，將完全排斥磁場，超導體內的磁感應強度為零，人們將這種現象稱為“邁斯納效應”。此后，判斷一種材料是否具備超導電性，必須要看其是否同時具備完全導電性和完全抗磁性。

　　理想導體和超導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，它把超導現象看作種宏觀量子效應，成功地解釋了金屬或合金超導體的超導電性微觀機理。由于電阻是由電子定向運動時與金屬晶格發生碰撞而形成的，而在超導臨界溫度以下，超導體中的電子通過與晶格振動聲子的交換來實現無損耗運動，即沒有電阻產生，因此能夠實現超導電性。至此，超導體的三大基本特性完全導電性、完全抗磁性和宏觀量子效應均已奠定。

　　超導的零電阻、完全抗磁性和量子隧穿效應三大特性使其區別于普通材料，有著獨特的應用場景：1）基于超導材料的零電阻性質和完全抗磁性，在超導材料中加載大電流，可以實現大電流輸運、強磁場、磁懸浮等顛覆性技術；2）基于量子隧穿效應，超導能夠應用于量子計算和實現弱磁場探測。因此超導材料被廣泛應用在電力傳輸、醫療器械、電子通信、國防軍事、科學研究等多領域。

　　高溫超導剛起步室溫超導還只是概念

　　按照超導體的臨界溫度，可以將超導體分為低溫超導和高溫超導材料: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(鈮三錫，Tc=18k)。由于NbTi和Nb3Sn具有優良的機械加工性能和成本優勢，其制備技術與工藝已經相當成熟。

　　目前低溫超導的下游應用主要包括加速器磁體、核聚變工程用超導磁體、核磁共振磁體、通用超導磁體等，基于低溫超導材料的應用裝置一般工作在液氦溫度(約4.2K)。在相當長的時期內，低溫超導材料仍將是最主要的超導產業支柱性材料。

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

　　不過鉍系和釔系高溫超導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等問題，因此生產成本較高，尚處于商業化初期階段。

　　目前高溫超導的下游終端應用主要包括超導電纜、超導電機、超導變壓器、超導濾波器等，基于高溫超導材料的應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磁體成功產生了高達20特斯拉的磁場，計劃于2025年制成首個實現能量增益的磁約束聚變裝置，再度引發了人們對超導材料的無限遐想。

資料來源:《新型高溫超導材料研究進展》

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

　　具備更高臨界溫度的超導體是解決超導材料應用的關鍵，能夠大規模應用的室溫超導體也就成為了超導研發人員的重要目標。

　　2020年，迪亞斯在實驗室將氫、碳和硫元素，在金剛石壓腔中通過光化學合成簡單的碳質硫氫化物(CSH)，并將其超導臨界溫度提升至15℃，這是人類第一次觀察到室溫超導體。不過，該現象的環境壓力為267Gpa，相當于267萬個標準大氣壓，并且產生超導現象的材料數量極其微量，并無法產生實際的應用。

　　2022年3月8日，迪亞斯再度宣布在攝氏20℃（294K）的室溫環境中實現氮摻雜氫化镥中觀察到了超導性，引發了市場巨震。不過即便環境壓力大幅減至了1Gpa，實現較大突破，但仍較大規模應用有著遙遠的距離，所以當前超導材料規模應用的重心暫時還會在高溫超導領域。

　　國內超導材料產業化進程如何？

　　由于超導材料的應用不僅能提高電力生產、傳輸等領域的工作效率，也能對資源的節約起到舉足輕重的作用，在這個能源緊缺的時代，超導材料科研技術和生產技術的飛躍勢必帶來新一輪的能源革命，因此全球多個國家不惜投入巨資開展前期研究和產業化應用實驗。

　　國內在產業政策方面也對超導材料的發展方向做出了相關支持，歷年出臺的各類新材料行業發展政策推動了超導材料的發展和革新?！吨袊圃?025》將超導材料列為前沿顛覆性新材料中需重點發展的項目，《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》指出應積極參與國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)，不斷完善全超導托卡馬克核聚變實驗裝置等國家重大科技基礎設施。

　　目前國內也是以低溫超導材料為主，其應用占超導市場總量的90%以上。我國已成為國際超導材料和應用技術研發的中堅力量，基本掌握了各種實用化超導材料的制備技術，實現了低溫超導材料的商業化生產。

　　雖然我國在商業化超導強電和弱電應用技術等方面已基本達到國際先進水平，但由于產學研用結合不緊密、創新鏈和產業鏈不完整，導致我國在高端醫療設備、分析儀器、科研裝備等超導技術應用方面存在明顯差距，相關材料和裝備仍然依賴進口。

　　當前西部超導是目前國內唯一實現超導線材商業化生產的企業，也是全球唯一的鈮鈦錠棒、超導線材、超導磁體的全流程生產企業，其低溫超導線材技術已達國際領先水平。

　　公司的超導業務涉及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，主要用于先進裝備制造、大型科學工程等領域，包括磁共振成像儀、磁控直拉單晶硅、核聚變實驗堆、核磁共振譜儀、質子/重粒子加速器、磁懸浮列車、智能電網裝備等。

目前全球低溫超導產業發展格局資料來源：西部超導招股書，《中國新材料產業發展報告2020》

　　具有使用成本低、應用限制少兩大優勢的高溫超導領域，我國在基礎研究和工藝研究方面均已實現一定進展，材料性能基本滿足應用需求，目前正逐漸開始商業化。但和國際水平仍存在著明顯的差距，未來高溫超導材料商業化的核心仍需圍繞低成本、大規模批量制備技術。

　　目前聯創光電的高溫超導感應加熱技術國際領先，正推動產品市場化。2021年1月，公司設計的國際首臺兆瓦級超導感應加熱裝置工業樣機被運往中鋁集團正式投入生產，首批產品于22年3月驗收，各項性能指標完美符合要求。

　　此外，公司于2022年11月4日和廣亞鋁業達成合作，將利用高溫超導感應加熱技術幫助廣亞鋁業進行節能技改，加速公司高溫超導感應加熱設備的市場化進程。目前聯創光電正在計劃拓展產能，且高溫超導加熱下游需求較大，公司可利用技術優勢拓展客戶群體。

　　永鼎股份下屬全資子公司東部超導科技則在專注第二代高溫超導（2G-HTS）帶材，主要從事超導電纜、超導磁體、超導限流器、超導電機的產業化發展以及超導變壓器、全超導電力系統集成的研發推廣。永鼎股份下屬的蘇州新材料研究主營業務也是研發新型高溫超導（HTS）千米長帶材。

　　超導材料龍頭西部超導也在高溫超導領域有所動作，公司正在推進Bi-2223和MgB2的研發和產業化，已掌握核心制備技術；重點發展20T以上全超導磁體、高性能核磁共振MRI/NMR用超導線材、低成本千米級高溫超導涂層導體織構化基帶及功能層沉積技術、高性能Bi系和鐵基超導線材制備技術；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技術也是國內較早成立的專業研發高溫超導材料的企業，主要從事鉍系高溫超導線材的研發生產，獲得多項高溫超導線材制備及高溫超導應用領域的核心技術授權專利。

　　相信隨著超導技術不斷，超導材料相關企業將打開十分廣闊的市場空間。