超导体材料的研究发展小论文

行业主要上市企业：西部超导(688122)、永鼎股份(600105)、汉缆股份(002498)、综艺股份(600700)、中天科技(600522)等。

本文核心观点：超导行业市场规模、超导行业竞争格局、超导行业产业链等

行业概况

1、定义

超导是指在一定温度条件下物质电阻突然消失的现象，超导体是指能够产生超导现象的物质。1911年，荷兰科学家昂尼斯(Onnes)发现，在液氦()低温条件下水银的电阻突降为零。这种在低温条件下物质电阻突然消失的现象被称为超导现象，转变温度称为临界温度(Tc)。

超导材料是指在一定条件下，具有直流电阻为零和完全抗磁性的材料。目前，已发现有46中元素和几千种合金、化合物可以成为超导材料。超导材料按照其化学成分可以划分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶器。

超导材料根据临界转变温度的不同可以划分为低温超导材料和高温超导体材料。

2、产业链剖析

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。

超导材料产业链上游为原材料，如铌、钛、钇、钡、铋、锶、硼等金属材料，中游为超导材料相关公司，如江苏中天科技、特变电工、西部超导、青岛汉缆、北京英纳超导等，下游为超导设备应用。

行业发展历程：我国超导行业进展基本与国际同步

根据国家新材料产业发展战略咨询委员会的分析，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。

行业政策背景：行业更加规范化

近年来，国家制定了一系列“超导”相关规定以及政策，目的在于为了规范行业内生产经营活动，加强监督管理，促进行业进一步发展。行业主要重点政策汇总如下：

行业发展现状

1、供给端：研发机构主要以院校为依托

国内超导技术研究起步较早，清华大学超导实验室从20世纪90年代就开始进行超导技术研究，但是国内的超导行业产业化起步较晚，由于较高的技术壁垒，直到2011年国内才第一次实现超导产品产业化批量生产和销售。

目前，国内涉及超导的研究机构有中国科学院物理研究所、中国科学技术大学、南京大学、中国科学院电工研究所、中国科学院等离子体物理研究所等，超导相关论文篇数均在600篇以上，总的来说，研发机构主要以院校为依托。

研发企业数量方面，根据智慧芽专利网站的统计，截至2022年3月，我国共有29087家公司申请超导相关专利，15700家院校及科研所申请超导技术专利。

2、需求端：超导技术在各行业的发展中有着重要的研究和开发价值

超导材料是一项具有远大战略意义的高新技术，可以广泛用于电子通信、医疗设备、交通运输、电力能源等领域，其中超导技术在MRI、超导限流器、超导电缆等产品开发中均已成功应用。可以看出，超导技术在各行业的发展中有着重要的研究和开发价值。

我国的超导技术在电力及能源的主要应用集中在超导电缆、超导变压器等产的技术研发和应用。超导产业主要应用在医疗设备领域的技术主要是超导磁体技术，主要应用在核磁共振等方面。在通信领域被广泛的应用于无线通信网的建设中，充分发挥其优势。

行业竞争格局

1、区域竞争：超导行业相关企业主要集中于广东省、山东省、江苏省等省份

从区域分布来看，超导行业相关企业集中于广东省、山东省、江苏省以及陕西省等省份。

2、企业竞争：在超导材料领域已拥有一大批代表性企业

我国在超导材料领域已拥有一大批代表性企业，主要包括西部超导、英纳超导、上海超导、上海上创超导、苏州新材料研究所、宝胜科技、海泰超导、综艺超导、百利机械装备以及原力辰超导等。

业务竞争格局方面，各家公司涉足低温超导产业链领域均不相同。与低温超导产业链相关的领域包括NbTi锭棒和线材、Nb3Ti线材、超导磁体和超导设备。全球各家公司所涉足的领域均有不同，仅有少数几家公司掌握低温超导线材的生产技术，分布在英德日中等国家。

在NbTi锭棒领域，国内仅有西部超导掌握相关技术，西部超导NbTi合金铸锭、棒材的工程化制备相关技术获授权专利6项，相关技术成果获国家技术发明二等奖，产品实现了批量化生产且成功应用于ITER项目及MRI超导线材制备任务。

在超导线材领域，西部超导采用“青铜法”和“内锡法”两种方法生产Nb3Sn线材，其他公司目前还未进行布局。

在超导磁体领域，有多家企业拥有制备能力，国内主要有宁波健信、西部超导和潍坊新力，成都奥泰拥有自由的超导磁体工厂，但所生产产品不对外出售。

在超导设备领域，目前高端超导MRI市场被GE、PHILIPS、SIEMENS三家国外公司垄断，主流产品以为主，而SIEMENS已经开始量产7T产品。国内成都奥泰、苏州安科等多家企业目前已实现、3T超导MRI的商业化生产。

行业发展前景及趋势预测

1、未来中国超导市场将保持较快发展的速度发展

随着实用化高温超导材料制备和产业化技术的突破性进展，各国政府和大企业对超导电气技术的应用研究开发给予了大力支持。超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导储能系统、超导电机、多功能集成超导电力装置和超导变电站是实现超导电气技术重大革新的基础，是超导应用技术这一战略性新兴产业中最具市场潜力和应用价值的关键技术。

2、超导行业集中度会进一步提升

我国超导行业经历了打破国外垄断、传统产业爆发和新型产业部署三个阶段，随着我国发展云计算、人工智能、大数据的热情越来越高涨，我国超导支出额以及市场规模总额都已增长到较大规模，预计未来随着数字经济、新基建等战略实施，我国超导市场规模将继续增长。

以上数据参考前瞻产业研究院《中国超导行业发展前景与投资战略规划分析报告》。

1911年，许多科学家发现，金属的电阻和它的温度条件有很大关系。温度高时，它的电阻就增加，温度低时电阻减少。并总结出一个金属电阻与温度之间的关系的理论公式。这时，荷兰物理学家昂尼斯为检验这个理论公式是否正确，就用水银作试验。他将水银冷却到-40℃时，亮晶晶的液体水银像“结冰”一样变成了固体，然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温度。同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温度降低到4K时，一个奇怪的现象发生了，水银的电阻突然变成了零。开始他不太相信这一结果，于是反复试验，但都是一样。这一发现轰动了世界的物理学界，后来科学家把这个现象叫超导现象，把电阻等于零的材料叫超导材料，而把出现超导现象的温度叫超导材料的“临界温度”。

昂尼斯和许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物材料。但出现超导现象的临界温度大多在接近绝对零度的极低温，没有什么经济价值，因为制造这种极低温本身就很花钱而且很困难。

为了寻找临界温度比较高的没有电阻的材料，世界上无数科学家奋斗了近60年，也没有取得什么进展。直到1973年，英美一些科学家才找到一种在23K出现超导现象的铌锗合金。此后这一记录又保持了10多年。

到了1986年，在瑞士国际商用公司实验室工作的贝特诺茨和缪勒从别人多次失败中吸取教训，放弃了在金属和合金中寻找超导材料的老观念，解放思想，终于发现一种镧铜钡氧陶瓷氧化物材料在43K这一较高温度下出现超导现象。这是一个了不起的成就，因此他们两人同时获得了1987年的诺贝尔物理学奖。

此后，美籍华人学者朱经武，中国物理学家赵忠贤在1987年相继发现了在和98K时出现超导现象的钇钡铜氧系高温超导材料。不久又发现铋锶钙氧铜系高温超导合金，在110K的温度就有超导现象；而后来发现的铊钡钙铜氧系合金的超导温度更接近室温，达120K。这样，超导材料就可以在液氮中工作了。这可以说是20世纪内科学技术上的重大突破，也是超导技术发展史上的一个新的里程碑。

至今，对高温超导材料的研究仍然方兴未艾。1991年，美国和日本的科学家又发现了球状碳分子C-60在掺钾、铯、钕等元素后，也有超导性。有些科学家预料，球状碳分子C-60经过掺金属后，将来有可能在室温下出现超导现象，那时，超导材料就有可能像半导体材料一样，在世界引起一场工业和技术革命。

超导材料应用的社会效益和经济效益，首先将表现在大功率远距离输电方面。前面我们已经谈到，目前全世界仅在电力输送上，由于线路电阻而消耗的电能约为全世界总发电量的20%左右，如果利用超导材料制成新型输电线材，那么，必将节省大量的电能损耗，对促进社会、经济的发展，将发挥十分巨大的作用。

利用超导线圈储能是超导材料的又一大作用。据有关专家估算，超导线圈的储能效果是通常水冷铜导线线圈储能的100～1000倍，而超导线圈本身并无电能损耗，只需消耗一定的制冷功率即可。对此，有位美国科学家已经实验成功。这一实验给人们很大的启示：在日常生活中，白天和傍晚，人们用电总是最多的，而到了深夜，电就用得少了。要是有一个很大的电力“仓库”，能及时地把多余的电能储存起来，到了急需时再放出来，那该有多好啊！

于是，科学家们提出了超导线圈储能的设想——

在地下很深的地方，挖一个直径有100多米，上中下分三层的大坑，里面充满着超低温的液态氦气，把超导金属做成的线圈浸没在里面，这就做成了超导储能装置。要是平时有多余的电能，就可以存到超导线圈里面去，需要时随时都可以拿出来使用。由于它没有电阻的损耗，还可以长期地保存下去。有关科学家估计，到那时，世界上将出现可储存100万度电的超导设备，人们就再也不要为用电的不平衡而烦恼了。

55为什么超导材料能把几十上百吨的列车浮起来呢？

超导材料的另一个非常有前途的用处是制造磁悬浮列车。其实道理很简单。摆弄过磁铁的人，对这一点一定很容易理解。当把一块磁铁的北极（或南极）和另一块磁铁的南极（或北极）挨近时，它们会立即吸在一起。但如果把一块磁铁的北极和另一块磁铁的北极靠近，它们就总是挨不到一块，即使用力把他们挤在一起，只要一松手，它们就会立即分开。这是因为在它们之间有一种排斥力。磁悬浮列车就是利用磁铁同极相斥的原理制成的。

但磁悬浮列车上的磁铁不是常见的那种磁铁块（即永久磁铁），而是电磁铁。电磁铁外有一个用导线绕成的线圈，线圈中有电流通过时，铁就产生磁力，只要线圈中一断电，铁就立即失去磁力。

电磁铁的线圈有两种，一种是普通的铜导线绕成的，另一种则是用超导材料导线制成的。要想把几十上百吨的列车悬空浮起来，电磁铁之间的排斥力起码得有几十上百吨。而电磁铁之间的排斥力和通过电磁线圈中的电流有直接关系，也就是说，只有通过很大的电流，才能产生很大的磁力。

但普通的铜导线有电阻，电流一大，铜导线就会发热，电流过大时，还可能使导线烧毁。所以铜导线通过的电流大小受到限制，例如直径1毫米的铜导线，只能通过6安培左右的电流，否则就会过热烧毁。

为了使铜导线通过更大的电流，需要加大导线直径，增加冷却设备，这样就会使磁悬浮列车本身的重量加重，这对提高列车的行驶速度不利。怎样才能使磁悬浮列车本身的重量减轻，又能让电磁铁产生很大的磁力呢？这似乎是一个难以克服的困难。但自从有了超导材料后，就有了克服这一困难的希望。

因为超导材料没有电阻，多大的电流通过它也不会产生焦耳热，也不会有电阻产生的损耗。因此，目前世界上许多国家都在争先恐后地研究和开发超导磁悬浮列车。超导磁悬浮列车因为不和铁轨接触，没有摩擦力，只有空气产生的阻力，因此时速可达到550公里，和普通的民航飞机的速度差不多。如果将磁悬浮列车装在真空隧道中运行，速度可达每小时1600公里，比超音速飞机还快。但建造这种隧道很难，因而不易实现。

我国在90年代初开始研制磁悬浮列车，并在“八五”末期研制出第一辆试验性磁悬浮列车，它没有车轮，依靠磁排斥力使车体浮起来10毫米左右。用直线电动机推进。这辆磁悬浮列车是由铁道部长春客车工厂制造的，铁道科学院、国防科技大学、西南交通大学、长沙铁道学院、大连铁道学院等单位共同参加了研制。

品 名:超导陶瓷拼音:chao1dao3tao2ci2英文名称：superconductivity ceramics说明:具有超导性的陶瓷材料。其主要特性是在一定临界温度下电阻为零即所谓零阻现象。在磁场中其磁感应强度为零，即抗磁现象或称迈斯纳效应（Meissner effect）。高临界温度（90开以上）的超导陶瓷材料组成有YBa2Cu3O7-δ，Bi2Sr2Ca2Cu3O10，Tl2Ba2Ca2Cu3O10。超导陶瓷在诸如磁悬浮列车、无电阻损耗的输电线路、超导电机、超导探测器、超导天线、悬浮轴承、超导陀螺以及超导计算机等强电和弱电方面有广泛应用前景。奇异的超导陶瓷1973年，人们发现了超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为，该记录保持了13年。1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧－钡－铜－氧）具有35K的高温超导性，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起世界科学界的轰动。此后，科学家们争分夺秒地攻关，几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也奇迹般地被突破了。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了100K以上，这在材料发展史，乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹！高温超导材料的不断问世，为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。

超导材料是一种在一定条件下，能排斥磁力线且呈现出电阻为零的特性的新型材料。目前，已发现有46种元素和几千种合金、化合物可以成为超导材料。

超导材料具有两大显著特性，零电阻和迈斯纳效应，此外还具有同位素效应、量子隧道效应等特性，可利用超导体实现诸如无损耗输电、稳恒强磁场和高速磁悬浮车等，目前超导材料在医疗器械、国防军事、电子通信、电力能源、交通运输等众多领域取得了应用。

超导材料的发展历程：

1911年，荷兰莱顿实验室Karner Ingh Onns首次发现超导现象

1935年，超导电性电动力学理论由伦敦兄弟提出

1950年，巴库斯理论的提出标志着超导理论的正式建立

20世纪70年代，超导列车进入载人试验阶段

1986年，钡镧铜氧化物高温超导被发现，超导温度提高到37K

1987年，锶镧铜氧系超导体出现，超导温度不断提高到

1991年，日本公司建造核聚变堆用新型超导线圈

1992年，日本建造超导船

1996年，第一条地下高温超导输电电缆由美欧共同制成

2001年，中国制成钇钡铜氧超导薄膜，达到国际先进水平

2008年，日本科学家发现铁基高温超导材料，通过FeAs层取代LaOCuS中CuS层所制备层状化合物LaFeAsO1-xFx体系可以实现26K的超导转变

2013年，国内第一条二代钇系高温超导电缆传输示范线开始建设

来源：《揭秘未来100大潜力新材料（2019年版）》_新材料在线