36氪研讨院：2023年我国新资料之超导资料工业洞悉

　　凭借母树邻近的强壮磁场悬托起了哈利路亚山。而实际中室温超导研讨也疑似完结颠覆性打破，近来物理学家及其团队宣告现已研制出在室温文相对较低压力条件下表现出超导性的资料：由镥）构成的三元化合物。室温超导是否能够掀起新的一轮动力改造尚待验证，但这次研讨成果的出圈再一次让超导资料迎来了高光时间。

　　超导全称超导电性，是指在必定条件下电阻等于零，电流可在其间无损活动的现象，具有这种特性的资料被称为超导资料或超导体。超导资料具有惯例资料所不具有的零电阻、彻底抗磁性和量子隧穿效应，在医疗配备、动力、交通、大科学工程（CFETR、重离子加快器）和国防等许多范畴具有共同的运用优势。

　　从超导资料完结途径来看，现在全球的技能方向包含超高温文超高压。“室温超导”技能在试验室条件下完结了在20℃、1万个标准大气压的压力下进入超导状况，但大规模发明一万个大气压的压强环境完结难度较大，因而现阶段运用超低温是完结超导现象商业化的仅有手法，临界温度在液氦温区以下的超导体被称为低温超导资料， 反之则为高温超导资料。

　　早在2006年，超导资料便被列入国家“863”方案中“超导资料与技能专项”，在电力运用、强磁体运用以及弱电运用等方面全面展开研制。近年来，国家层面围绕着超导资料的顶层规划方针密布出台，鼓舞和标准着职业健康有序开展。《我国制造2025》将超导资料列为前沿颠覆性新资料中要点开展的项目之一，《“十三五”国家战略性新式工业开展规划》提出活跃开发新式超导资料，参加世界热核聚变试验堆方案，不断完善全超导托卡马克核聚变试验设备等国家严峻科技根底设施，推动了超导资料的开展改造；工信部、发改委、科技部、财政部联合发布《新资料工业开展攻略》，提出加强超导资料根底研讨、工程技能研讨，在电力运送、医疗器械等范畴完结工业化运用，清晰了我国超导资料要点发力方向和增量商场来历；2021年12月，工信部、科技部、天然资源部联合发布的《“十四五”原资料工业开展规划》则作为纲领性文件，提出开展超导资料前瞻布局举动，强化运用范畴的支撑和引导，清晰了超导资料在现代工业中的定位。

　　我国超导资料根底研讨才能不断打破，但在规模化制备方面与世界水平仍存在距离

　　跟着国家要点研制方案支撑不断，我国在超导资料各环节的关键技能不断打破。一方面，我国在超导资料根底研讨方面处于世界先进水平，发明了低温超导资料临界电流密度的世界纪录、首先发现了YBCO高温超导资料、新式铁基超导资料等，引领了世界超导资料开展方向；另一方面，跟着高温超导资料开端进入商业化阶段，我国在部分高温超导运用层技能开端挨近或到达世界先进水平。例如，全球首条35千伏公里级超导电缆在沪投运，完结世界热核聚变堆（ITER）方案用超导线材供货使命、高功能YBCO涂层导体完结工业化、高电压等级超导限流器完结挂网、癌症医治用加快器完结运用、超导弱电技能完结军民两用等。与此一起，因为工业链开展相对滞后、产学研用结合缺乏，现阶段我国超导资料与技能研讨开展总体水平与世界水平尚存在距离，如实用化超导资料的规模化制备和高端医疗设备、分析仪器、科研配备等范畴超导运用层技能。

　　工业链上游原资料由铌、钛、钇、钡、铋、锶、硼等金属元素构成，中游首要包含两种低温超导资料（NbTi、Nb3Sn）和四种高温超导资料（铋系、钇系、MgB2、铁基超导资料），是工业链中心环节，为下流电力传输、医疗器械、电子通讯、国防军事、科学研讨等场景供应了运用根底。

　　（1）上游：工业链上游为原资料，其间低温超导原资料以钛、铌、锡为主，高温超导原资料首要包含钇、钡、铋、锶、硼。

　　（2）中游：超导资料依照临界温度可被分为低温超导资料和高温超导资料，现在国内低温超导资料及运用占超导商场总量的90%以上，高温超导资料仍处于工业化初期。已完结商业化的低温超导线材首要为NbTi和Nb3Sn超导线材。其间，NbTi具有杰出的加工塑性，首要运用于MRI、MCZ、NMR、核聚变试验堆、加快器等范畴；Nb3Sn属脆性资料，首要运用于NMR、核聚变试验堆等范畴。具有实用价值的高温超导资料首要包含铋系（BSCCO）、钇系（YBCO）、二硼化镁（MgB2）超导资料及铁基超导资料等，制备办法有固相法、液相法和气相法三种。高温超导资料具有运用成本低、运用约束少等两大优势，现阶段在感应加热、电力传输等范畴已完结开始运用，在可控核聚变范畴运用的可行性已得到证明，未来有望在更多范畴代替低温超导资料。

　　（3）下流：超导资料的零电阻、彻底抗磁性和量子隧穿效应三大特性使其差异于一般资料，被广泛运用在电力传输、医疗器械、电子通讯、国防军事、科学研讨等多范畴。例如，依据超导资料的零电阻性质和彻底抗磁性，在超导资料中加载大电流，能够完结大电流输运、强磁场、磁悬浮等颠覆性技能；依据量子隧穿效应，超导能够运用于量子核算和完结弱磁场勘探，可用于制造一系列精细丈量外表以及辐射勘探器、微波发生器、逻辑元件等。《我国制造2025》中曾说到，运用量子隧穿效应制造的核算机逻辑和存储元件，其功耗仅有高功能集成电路的四分之一，运算速度却可到达10倍以上。

　　在商场需求和相关技能深化交融之下，全球超导资料商场规模迎来稳健添加。一方面，低温超导资料供需两边潜力不断开释，批量化加工技能方面不断开展的一起，MRI、MCZ、加快器、受控热核聚变等终端运用迎来跨越式添加；另一方面，跟着全球各国不断探究高温超导微观机理、加快高温超导资料研制，叠加高可靠性和高功率的制冷体系的开展，高温超导资料已在多个超导电子范畴获得了开始规模化运用。依据Conectus数据，全球超导产品商场规模从2012年的51.9亿欧元添加至2022年的68亿欧元。

　　跟着电高压及远距离输电技能飞速前进、叠加5G等高耗能根底设施的建造进一步拉动电力需求。在双碳布景下，以风电、光伏为代表的可再生动力的并网、分布式发电比重逐步添加，给电力体系带来许多安稳性及电网质量问题。储能设备可有用处理新动力供应间歇性与用户用电需求持续性之间的对立，完结电力体系调峰调频，滑润用户需求，提高动力运用率，近年来重要性进一步凸显。

　　在储能职业多种技能道路并存的现状下，超导储能设备依据超导线圈运行在超导态下没有直流焦耳损耗的特色，可到达很高的能量密度并长期无损耗贮存能量。一起经过SMES变流器操控与电网的能量交流，可高效调理体系与超导磁体之间的功率交流，比较其他储能设备具有蓄能量高、转化功率好、呼应速度快、运用灵敏等长处，在电力体系负荷调峰填谷，遏止电网低频振动方面效果显著。未来有望在处理电力体系动态安稳性问题、提高用电质量以及电能可靠性等方面发挥不行代替的效果。

　　临界温度远低于室温这一痛点严峻限制了超导资料的工程化运用，但是近年来，更高临界温度的超导资料跟着试验研讨连续面世。放眼未来，高通量挑选与机器学习等技能有望依据数以千计的稀土金属、氮、氢和碳的或许组合中，完结猜测、挑选、甚至规划出新式高温甚至常温常压超导体。

　　一方面，高通量挑选的办法能够在短时间内一起对数千种或许超导资料组合进行过滤，具有自动化程度高、可并行、可扩展的长处，大幅度提高候选高温超导资料查找功率，然后辅导新式高温超导体的核算和试验研讨；另一方面，跟着更杂乱的算法带来更高的准确性，机器学习为运用高质量数据优化探究及决议计划进程供应了一系列东西办法，现已被运用于很多新式资料的研讨与规划之中,包含金属有机结构资料、软物质、生物资料、锂离子电池资料、热电资料、催化资料、碳资料等。在高温超导机理尚不彻底清晰之际，运用机器学习发掘资料的微观性质和微观功能之间的对应联系，有望助力科学家们在探究超导资料更高临界温度的道路上获得严峻打破。