机械一周解一惑系列：高温超导技术梳理及未来应用展望

本周关注：华中数控、精测电子、卓然股份、瑞晨环保 超导材料具备零电阻、完全抗磁性、量子隧穿效应性质。超导现象是物质的电阻在某一低温下变为零的现象，最早于1911年由荷兰科学家昂内斯发现。 超导具有3个临界值，即临界温度Tc、临界电流Ic和临界磁场Hc。三者之间相互制约并形成临界值曲面，只有当温度、电流和磁场在临界值曲面上或内部时，物质才会进入超导态，拥有零电阻、完全抗磁性、量子隧穿效应等特性。 低温超导是指在非常低的温度下（通常是液氦沸点以下，即-269°C），超导材料表现出零电阻的现象，低温超导材料主要有NbTi和Nb3Sn材料等。高温超导是指在较高的温度下（通常是液氮沸点以下，即-196°C），超导材料表现出零电阻的现象，高温超导材料主要有Bi-Sr-Ca-Cu-O（BSCCO）和Y-Ba-Cu-O（YBCO）材料、MgB2超导材料、铁基超导材料等。 高温超导具有使用成本低、应用限制少两大优势。高温超导材料的工作温度更高，可以使用更便宜、更容易获得的冷却剂，因此具有更广泛的应用前景。这些材料不仅比早期的超导材料工作温度高很多，而且在常压下也能实现超导。目前高温超导的代表性材料主要是BSCCO和ReBCO，其临界温度都在液氮温区（77 K）以上。BSCCO超导带材的研发和产业化进程早于ReBCO,因此被称为第一代高温超导带材，后者被称为第二代高温超导带材。相比于低温超导，高温超导可以工作在更高的温区，有更高的热惯性，因此鲁棒性更强，可以将其应用在更为复杂恶劣的环境中，这大大拓展了超导技术的应用范围。 此外铁基超导体具备良好的金属性、高Tc、极高的上临界磁场、较小的各向异性、且可采用低成本PIT法制备；MgB2超导体结构简单，制备成本低，可承载电流高，各向异性也比Bi系和Y系小得多，相关长度较大，不需要高度织构，可采用低成本的PIT工艺制备。 高温超导应用领域广泛，市场潜力较大。超导在实际应用中，超导体会被制成线材或带材使用。第二代(2G HTS)稀土系线材采用外延法生长超导薄膜制备，工艺较复杂，但银的用量少成本低，且具有更高的载流能力和良好的机械性能，在磁场中特性几乎不变，电流密度高，交流损耗小，是实用的高温超导线材中性能最高、商业化前景最好的材料。目前，在第二代高温超导线材的研究和应用上持续投入大量时间和经费，并将其作为下一代能源、交通和医疗等领域的关键支撑技术。其重点应用包括感应加热、磁约束可控核聚变、超导储能、超导电缆、核磁共振成像、超导磁悬浮、超导电机、粒子加速器等。如高温超导感应加热与传统交流感应加热比较具备效率高、加热质量高、可加热各种有色金属材料、安装维护简单便捷等优势；超导磁储能系统将电磁能存储在超导储能线圈中，具有反应速度快、转换效率高、快速进行功率补偿等优点，在提高电能品质、改善供电可靠性及提高大电网的动态稳定性方面具有重要价值；高温超导电缆因采用了无电阻、高流通密度的超导材料作为导电体，能够进行大容量输电同时降低损耗等。 投资建议：建议关注高温超导产业链公司：永鼎股份/联创光电/国光电气等。 风险提示：1）高温超导带材规模化及降本不及预期风险；2）高温超导商业化应用进展不及预期。 1什么是高温超导 1.1超导现象与超导材料特性 超导：是物质的电阻在某一低温下变为零的现象，最早于1911年由荷兰科学家昂内斯发现。由于低温超导材料对液氦工作环境的硬性要求，搭建冷却系统所需成本较高，低温超导材料应用及发展受到一定限制。直到1986年高温超导材料的突破性发现，可用液氮代替液氦搭建其工作环境，冷却系统成本大幅降低，超导材料得以迅速发展应用。目前，高温超导材料已在科研、电力、医疗、交通等方面得到应用。 图1：超导材料的发展历程 超导具有3个临界值，即临界温度Tc、临界电流Ic和临界磁场Hc。三者之间相互制约并形成临界值曲面，只有当温度、电流和磁场在临界值曲面上或内部时，物质才会进入超导态，拥有零电阻特性。 图2：超导现象及超导临界值 超导材料具有零电阻、完全抗磁性、量子隧穿效应性质：超导材料又称为超导体，是在某一温度下电阻为零的导体。而超导材料不仅具有零电阻的特性，还可以完全抗磁性。因此超导材料在传输过程中几乎没有能量耗损，还能在每平方厘米上承载更强的电流。在超导材料中，电子之间存在一种相互作用，使得它们能够以成对的方式运动，这些成对的电子被称为“库珀对”。超导材料被冷却到低温时，库珀对开始形成，并在材料中不受阻碍地移动，从而导致电阻为零。 表1：超导材料性质 1.2低温、高温超导及对比 低温超导：低温超导是指在非常低的温度下（通常是液氦沸点以下，即-269°C），超导材料表现出零电阻的现象。这种超导现象最早于1911年被发现汞在冷却到接近绝对零度（-273°C）时，发现汞的电阻消失了。此后，其他金属如铅、铝等也被发现具有低温超导性质。虽然低温超导技术已经应用于许多领域，包括磁共振成像、粒子加速器、磁悬浮列车等，但其限制因素是需要使用昂贵的冷却剂，这限制了其在实际应用中的推广。 图3：汞冷却到4.2K以下零电阻及完全抗磁性现象 低温超导材料主要有NbTi和Nb3Sn材料等。低温超导材料是具有低临界转变温度(Tc<30K)，在液氦温度条件下工作的超导材料。分为金属、合金和化合物。低温超导材料在批量化加工技术、成本、使用稳定性方面的优势无可替代。 低温超导线圈主要是指用低温超导材料绕制而成的超导线圈，其通常采用液氦制冷，工作温区在4.2 K及以下。低温超导的代表性材料是铌钛（NbTi）和铌三锡（Nb3Sn）。其中NbTi超导体临界温度在10 K左右。NbTi超导体具有良好延展性、较高的强度、高临界电流密度和相对低的造价；Nb3Sn的临界温度相对较高，在18 K左右。Nb3Sn材料本身具有脆性，力学加工性能较差，临界电流对应变比较敏感，且制造困难、造价相对较高。相比于NbTi，Nb3Sn的主要优势是有比较高的临界磁场，4.2 K下其临界磁场可达20 T，而NbTi的临界磁场仅12 T（4.2 K）。 图4：铌钛（NbTi）超导线 图5：铌三锡（Nb3Sn）超导线 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。 图6：低温超导行业产业链 高温超导：高温超导是指在较高的温度下（通常是液氮沸点以下，即-196°C），超导材料表现出零电阻的现象。高温超导材料的工作温度更高，可以使用更便宜、更容易获得的冷却剂，因此具有更广泛的应用前景。这些材料不仅比早期的超导材料工作温度高很多，而且在常压下也能实现超导。虽然目前已经发现了很多种高温超导材料，但其超导机理仍然没有被完全理解。 图7：铜基超导相图 高温超导较低温超导具备更优性能。高温超导材料主要有Bi-Sr-Ca-Cu-O（BSCCO）和Y-Ba-Cu-O（YBCO）材料、MgB2超导材料、铁基超导材料等。 高温超导体材料(HTS)具有超导电性和抗磁性两个重要特性。要让超导体得到现实的应用，首先要有容易找到的超导材料。即主要研究方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料。 目前高温超导的代表性材料主要是BSCCO和ReBCO，其临界温度都在液氮温区（77 K）以上。BSCCO超导带材的研发和产业化进程早于ReBCO,因此被称为第一代高温超导带材，后者被称为第二代高温超导带材。相比于低温超导，高温超导可以工作在更高的温区，有更高的热惯性，因此鲁棒性更强，可以将其应用在更为复杂恶劣的环境中，这大大拓展了超导技术的应用范围。 图8：高温超导材料-BSCCO 图9：高温超导材料-ReBCO 图10：高温超导带材临界电流密度Jc随磁场B变化 铁基超导体的晶体结构主要分为基于FeAs的“1111”体系、“122”体系、“111”体系和“11”体系，分别对应图中(a)、(b)、(c)、(d)，相较于铜氧化物超导体，铁基超导材料因其良好的金属性、高Tc、极高的上临界磁场、较小的各向异性、且可采用低成本PIT法制备等备受科学家青睐。 图11：铁基超导体的晶体结构类型 MgB2超导体：MgB2在20世纪50年代初首次合成，直到2001年发现MgB2的Tc为39 K，表明MgB2具有超导性质，突破了BCS理论的极限。 MgB2是具有六方型晶体结构的金属间化合物，其结构简单，制备成本低，可承载电流高，各向异性也比Bi系和Y系小得多，相关长度较大，不需要高度织构，可采用低成本的PIT工艺制备。 图12：MgB2结构图 高温超导具有使用成本低、应用限制少两大优势。低温超导材料临界温度均小于25K，需要在造价高昂的液氦(4.2K)环境下工作，而高温超导体可在极为廉价的液氮环境下工作；目前应用较广的高温超导材料YBCO对临界电流密度、临界磁场强度的要求相比主流低温超导材料更低，应用场景更为广泛。 表2：高温超导与低温超导比较 2高温超导应用领域广泛，市场潜力较大 2.1超导产业链 超导材料产业链上游为矿资源，如钇、钡、铋、锶、硼等金属；中游是超导材料，如YBCO、BSCCO和MgB2等；下游是超导应用产品，如超导电缆、超导限流器、超导滤波、超导储能以及超导发电机等。 图13：超导产业链 整体而言，我国在超导材料领域的研究进展基本与国际同步。其中，低温超导材料、超导电子学应用以及超导电工学应用领域的研究已达到或接近国际先进水平。我国NbTi线材性能和性价比已优于发达国家，Nb3Sn线材综合水平与发达国家相当。 图14：我国超导产业发展历程 2.2高温超导应用领域广泛，存在较大市场空间 在实际应用中，超导体会被制成线材或带材使用。高温超导线材分为铋系的第一代(1G HTS)线材和稀土系的第二代(2GHTS)线材。前者使用银套管法制备，工艺成熟且具有较好的弯曲特性，但需要使用大量的贵金属银，成本较高；后者采用外延法生长超导薄膜制备，工艺较复杂，但银的用量少成本低，且具有更高的载流能力和良好的机械性能，在磁场中特性几乎不变，电流密度高，交流损耗小，是实用的高温超导线材中性能最高，商业化前景最好的材料。 图15：高温超导的应用领域 目前，在第二代高温超导线材的研究和应用上持续投入大量时间和经费，并将其作为下一代能源、交通和医疗等领域的关键支撑技术。其重点应用包括感应加热、磁约束可控核聚变、超导储能、超导电缆、核磁共振成像、超导磁悬浮、超导电机、粒子加速器等。 1）高温超导感应加热技术 高温超导感应加热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。 图16：高温超导感应加热原理图 图17：超导感应加热装置示意图 超导感应加热技术利用超导材料在临界低温下呈现零电阻的特性，建立直流磁场约0.5~1T，铝锭在直流磁场中通过驱动电机带动旋转，切割磁力线，产生感应电流，加热铝锭。加热的基本原理与传统感应加热相同，都是法拉第电磁感应定律、涡流效应与焦耳定律。 高温超导感应加热与传统交流感应加热比较具备效率高、加热质量高、可加热各种有色金属材料、安装维护简单便捷等优势。 表3：超导感应加热与传统交流感应加热的性能对比 2023年4月20日，联创光电世界首台兆瓦级高温超导感应加热装置投产仪式完美落幕，由联创超导自主研制的全球首台MW级高温超导感应加热装置的竣工投产，标志着我国超导热加工技术率先在全球实现了重大突破，在金属热加工行业实现了颠覆性替代应用，将助力我国更快实现“双碳”目标，突破国产高性能金属材料的“卡脖子”问题。 图18：联创光电首台MW级高温超导感应加热装置投产 2）磁约束可控核聚变 核聚变是结合原子核以产生能量