高温超导千亿新兴蓝海市场,产业链龙头全梳

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美国物理学会(APS)年3月7日举办演讲《室温近常压条件下氢化物超导性的观察》。该演讲将由罗切斯特大学和UnearthlyMaterials的RaganP.Dias团队主讲,他们在实验中1GPa(10kbar)的压力下,在20°C(K)的氮掺杂氢化镥中实现了常温下的超导性。

高温超导对于压强的要求依然非常苛刻:

Dias团队发表的研发成果由于极高压力的限制(前提条件等同于1万倍的现实大气压强),其机理仍属BCS理论范畴,因此其颠覆性意义不如钇钡铜氧与铁基高温超导体的发现。

超导材料概览

超导材料是一种在一定低温条件下,能排斥磁力线且呈现出电阻为零的特性的新型节能材料。超导材料是年荷兰物理学家昂内斯首先发现。

根据超导材料的临界温度可将其分为低温超导材料和高温超导材料,目前主要得到应用的仍然为低温超导材料。

但由于低温超导材料临界转变温度低,成本高,其工程应用受到限制。而高温超导可以在更高的工作温区下工作,能降低其制冷成本。

高温超导材料有着不同于半导体材料的特殊性质,一般是指临界温度高于25K-30K的超导材料,高的工作温区下工作,能降低其制冷成本。

其通常可以在廉价的液氮制冷环境中使用,用于电力电缆、超导储能、超导变压器、强磁场磁体、磁悬浮和科研医疗等领域。

随着技术的不断改进,高温超导需求将不断增加,市场空间未来有望达到千亿级。

高温超导材料概览

高温超导材料使用形式多样,而带材是其最主要的使用形式。

目前一代BSCCO高温超导已实现商业化生产,高温超导材料所需温度临界值较高,第二代高温超导带材YBCO目前已成为行业重点发展方向。

钇钡铜氧(YBCO)第二代带材的性能优于第一代带材BSCCO,交流损耗也低。另外YBCO带材的原材料中不包含贵金属银,随着制备工艺逐渐成熟,具有潜在的成本竞争力。

YBCO高温超导带材的结构通常由基带层、织构化隔离层、YBCO涂层、保护层等组成。

YBCO高温超导带材不仅在电力电缆、强磁场磁体、电力限流器、超导变压器、超导电机、超导储能、等强电应用中得到了充分的使用,也应用于科研医疗等不同的场合。

并且在有色金属加热领域,基于感应加热工作原理,利用超导磁体损耗低、效率高、加热均匀等特点对金属进行高温超导直流感应加热。

二代高温超导YBCO带材结构示意图:

高温超导感应加热

超导直流感应加热成为近年来的新兴加热技术。

高温超导感应加热现在通常是采用如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。

超导感应加热挤压设备是一种颠覆性的铝/金属挤压技术,是通过超导材料制成的电磁体实现对铝或其他金属进行直流感应加热的设备。

对于质量要求较高的航空军工材料,多采用电磁感应加热。相对于传统感应加热,直流超导加热效率更高,加热更均匀,更加适用于大型金属工件。

高温超导感应设备市场空间潜力较大,主要集中于铜铝型材挤压机配套、钛及钛合金等高端非磁性金属加热、镁合金(镁铝合金)加热、晶硅生长炉、金属熔炼及半导体熔融、超导磁选机等应用领域。

高温超导加热技术前景广阔,但是相应的进入难度同样很大。目前国内掌握该设备研制技术的公司主要有联创光电和上海超导。

高温超导加热原理图:

资料来源:CNKI高温超导竞争格局

全球高温超导主要生产企业包括美国超导、Superpower、SuNAM等。

国内厂商中,西部超导子公司西安聚能超导磁体科技有限公司自主研发制造的室温孔径mm的无液氦高场超导磁体一次性励磁成功,中心场强达到10.06T、场强超过7.5T区域达到1米,这标志着我国超长均匀区无液氦高场超导磁体技术取得又一个重大突破。

联创光电高温超导感应设备系列产品,主要应用于铝铜型材挤压、高端金属加热、晶硅生长炉、金属熔炼、半导体熔融、超导磁选、航天军工材料、磁储能、可控核聚变、磁悬浮列车等场景。

永鼎股份二代高温超导带材应用于超导金属感应加热设备,取得了超导技术工业化应用的新突破和多项重要的应用成果,公司准时高效地完成了大批量特种高场高温超导带材的供货工作。

从高温超导的应用方向来看,高温超导在电力技术应用预计将是首要方向。超导线的载流能力普通铜导线或铝导线的载流能力的50~倍,且其直流状态下的传输损耗为零,如超导储能系统(SMES)是一种高效的储能系统(效率可达95%以上)。

目前一些初步应用包括如美国超导公司的MW级超导储能系统和8~10MVar级的超导同步调相机,中国科学院电工研究所研制成的米、10kA高温超导输电电缆是国际上传输电流最大的高温超导电缆。中国科学院电工研究所还完成了世界首座10kV级超导变电站的研制和建设。

超导电子学应用方面主要包括微波通信应用(基于超导薄膜的微波通信用滤波器)、约瑟夫森结(如超导计算机、超导量子干涉仪(SQUID))的各种应用及单光子探测、超导Qubit和超导量子计算等,为突破摩尔定律提供更强的计算基础。



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