中國超導(dǎo)材料行業(yè)的崛起與未來展望

隨著全球能源轉(zhuǎn)型和技術(shù)的快速發(fā)展，超導(dǎo)材料已經(jīng)引起了全球各國政府和科研機構(gòu)的高度關(guān)注，成為推動科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。中國超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)正處于快速發(fā)展的關(guān)鍵時期，隨著技術(shù)進步和市場需求的不斷擴大，行業(yè)將迎來更多發(fā)展機遇。通過持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，中國有望在全球超導(dǎo)材料領(lǐng)域占據(jù)更加重要位置，并為能源轉(zhuǎn)型和技術(shù)發(fā)展作出更大貢獻。

一、超導(dǎo)材料行業(yè)概述

（一）超導(dǎo)材料分類

超導(dǎo)是指當(dāng)溫度降低到某一臨界溫度（一般為較低溫度）時，電阻突然消失，電流可以無阻流動的現(xiàn)象，具備這種特性的材料即為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體具有常規(guī)材料不具備的零電阻、完全抗磁性等宏觀量子現(xiàn)象，是典型的量子材料。超導(dǎo)材料分類方式很多，可以根據(jù)材料對于外磁場的響應(yīng)、臨界溫度、材料類型、低溫處理方法進行分類。

（二）超導(dǎo)技術(shù)歷史演進與里程碑

1911年，荷蘭科學(xué)家昂內(nèi)斯首次觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象，當(dāng)汞的溫度降至4.2K時，電阻突然降為零。此后，超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)開啟了新的物理現(xiàn)象研究。1933年，邁斯納和奧克森菲爾德進一步揭示了超導(dǎo)體的完美抗磁性，即邁斯納效應(yīng)，這一發(fā)現(xiàn)加深了人們對超導(dǎo)現(xiàn)象的理解。1987年，瑞士科學(xué)家穆勒和德國科學(xué)家貝德諾爾茨發(fā)現(xiàn)了鑭—鋇—銅—氧（LBCO）材料，在35K的溫度下顯示出超導(dǎo)性，這一突破性發(fā)現(xiàn)不僅將超導(dǎo)臨界溫度提升至液氮沸點（77K）以上，也引領(lǐng)了高溫超導(dǎo)材料的研究熱潮。

中國超導(dǎo)材料的研究和開發(fā)同樣經(jīng)歷了幾個重要階段：從1911年至1986年，中國科學(xué)家專注于低溫超導(dǎo)材料的研究，并成功研制出國內(nèi)首個強磁場超導(dǎo)磁體，為超導(dǎo)領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；1987年至1999年，中國科學(xué)家在高溫超導(dǎo)材料領(lǐng)域取得了關(guān)鍵進展，發(fā)現(xiàn)了超越液氮溫度限制的釔—鋇—銅—氧（YBCO）材料。進入2000年以后，中國不僅躋身于少數(shù)掌握超導(dǎo)線材產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的國家行列，而且在室溫超導(dǎo)材料的研究上不斷取得進展。

（三）超導(dǎo)材料的特性及其應(yīng)用

超導(dǎo)材料的零電阻特性使得電流可以在無損耗的情況下流動，這在能源傳輸和儲存方面具有巨大的優(yōu)勢。當(dāng)前，超導(dǎo)材料市場主要集中在醫(yī)療成像設(shè)備（如MRI）、粒子加速器、電力傳輸、磁懸浮列車、量子計算及科學(xué)工程等領(lǐng)域。在醫(yī)療領(lǐng)域，尤其是在磁共振成像（MRI）設(shè)備中，超導(dǎo)磁體提供了高磁場強度和穩(wěn)定性，極大地提高了成像質(zhì)量。在電力領(lǐng)域，超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)限流器在電力傳輸和電網(wǎng)穩(wěn)定性方面展現(xiàn)出巨大潛力，能夠減少能量損耗，提高電網(wǎng)的傳輸效率。在交通領(lǐng)域方面，磁懸浮列車利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場實現(xiàn)懸浮和推進，減少了摩擦，提高了運行速度和能效。隨著技術(shù)的進步和成本的降低，超導(dǎo)材料的應(yīng)用范圍正在不斷擴大，比如超導(dǎo)托卡馬克被公認為是探索、解決未來穩(wěn)態(tài)聚變反應(yīng)堆工程及物理問題的最有效的途徑。

二、超導(dǎo)材料市場的現(xiàn)狀與分析

（一）全球超導(dǎo)市場規(guī)模穩(wěn)健增長，應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)拓展

在全球市場需求與相關(guān)技術(shù)的深度融合推動下，全球超導(dǎo)材料市場規(guī)模呈現(xiàn)出穩(wěn)健的增長態(tài)勢。2023年，全球超導(dǎo)體市場規(guī)模同比增長2.35%，達到了69.6億歐元，這一顯著增長主要歸功于超導(dǎo)體在電力、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同時，隨著超導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)突破與創(chuàng)新，超導(dǎo)技術(shù)在量子計算、可控核聚變等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用也取得了顯著進展，這些前沿領(lǐng)域的不斷拓展為超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的空間。據(jù)此預(yù)計，2024年全球超導(dǎo)體市場規(guī)模將進一步達到71.3億歐元，同比增長2.44%，呈現(xiàn)出持續(xù)穩(wěn)健的增長趨勢。

（二）國內(nèi)市場規(guī)模增幅顯著，部分產(chǎn)品進入國際市場

現(xiàn)階段，我國在超導(dǎo)材料領(lǐng)域的研究進展基本與國際同步。伴隨著技術(shù)不斷進步以及政策的持續(xù)推進，中國超導(dǎo)體市場規(guī)模從2018年的237.1噸增長至2022年的1303.2噸。其中，低溫超導(dǎo)材料、超導(dǎo)電子學(xué)應(yīng)用以及超導(dǎo)電工學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的研究已達到或接近國際先進水平。我國NbTi線材性能和性價比已優(yōu)于發(fā)達國家，Nb3Sn線材綜合水平與發(fā)達國家相當(dāng)。從全球來看，國外公司或?qū)Ｗ⒛骋活I(lǐng)域，或橫跨多個領(lǐng)域，但在低溫超導(dǎo)領(lǐng)域技術(shù)積累單薄。西部超導(dǎo)作為國內(nèi)第一代超導(dǎo)線材商業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)，目前已經(jīng)實現(xiàn)了鈮鈦錠棒、超導(dǎo)線材、超導(dǎo)磁體的全流程生產(chǎn)。2022年，西部超導(dǎo)相繼突破全套的大型超導(dǎo)磁體繞制、固化及低溫杜瓦設(shè)計和制造技術(shù)，公司生產(chǎn)的1.5T—5T高場超導(dǎo)磁共振成像儀（MRI）用NbTi線材產(chǎn)品填補國內(nèi)空白并全面進入國際市場，帶動超導(dǎo)線材的銷量大幅提升，全力帶動中國超導(dǎo)體市場規(guī)模增幅擴大，引領(lǐng)全球超導(dǎo)線材及磁體生產(chǎn)新高度。

（三）各國競相出臺激勵政策助推超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化進程，促進前沿成果涌現(xiàn)

國際上許多國家和地區(qū)都制定了相關(guān)的政策和措施，以促進超導(dǎo)技術(shù)的研究、開發(fā)和應(yīng)用。美國通過能源部（DOE）和其他聯(lián)邦機構(gòu)資助超導(dǎo)材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)，并實施“美國材料基因組計劃”，加速新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用；歐盟推出“地平線2020”計劃支持包括超導(dǎo)技術(shù)在內(nèi)的前沿科技研究，成立歐洲超導(dǎo)技術(shù)平臺，促進超導(dǎo)材料和應(yīng)用的合作與發(fā)展；日本實施“超導(dǎo)技術(shù)研究開發(fā)計劃”，推動超導(dǎo)材料和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，在“第五期科學(xué)技術(shù)基本計劃”中將超導(dǎo)技術(shù)列為重點發(fā)展領(lǐng)域。

我國對超導(dǎo)體行業(yè)非常重視，先后出臺一系列支持政策，鼓勵超導(dǎo)體市場發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化。如2017年，《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》明確了以超導(dǎo)材料為突破口，搶占材料科技前沿的制高點。2020年，《推動首都高質(zhì)量發(fā)展標準體系建設(shè)實施方案》鼓勵制定前沿技術(shù)標準，包括超導(dǎo)材料，以促進產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)的突破和應(yīng)用范圍的拓展。2021年3月，國務(wù)院發(fā)布“十四五”規(guī)劃，指出要聚焦新能源、新材料等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，培育先導(dǎo)性和支柱性產(chǎn)業(yè)，推動戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)融合化、集群化、生態(tài)化發(fā)展。為深入貫徹落實“十四五”規(guī)劃，2024年1月，工業(yè)和信息化部等七部門發(fā)布《關(guān)于推動未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實施意見》，其中提出加快超導(dǎo)材料等前沿新材料創(chuàng)新應(yīng)用。

三、超導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈分析

從超導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈看，上游為金屬原材料供應(yīng)商，用于生產(chǎn)超導(dǎo)體的金屬原材料包括鈮、鈦、釔、鋇、鉍、鍶、硼等。目前全球超導(dǎo)市場以低溫超導(dǎo)為主，其金屬原材料中又以鈮和鈦的使用量最多。產(chǎn)業(yè)鏈中游為超導(dǎo)體生產(chǎn)商，低溫超導(dǎo)體自1965年開始研究，目前低溫超導(dǎo)材料NbTi與Nb3Sn已實現(xiàn)商業(yè)化；高溫超導(dǎo)材料自1986年進行研究，目前剛開始進行產(chǎn)業(yè)化。產(chǎn)業(yè)鏈下游主要為超導(dǎo)終端應(yīng)用，其中低溫超導(dǎo)體主要應(yīng)用于醫(yī)療、大科學(xué)裝置領(lǐng)域等，高溫超導(dǎo)體主要應(yīng)用于電力、商業(yè)設(shè)備、環(huán)保領(lǐng)域等。

（一）我國上游原材料受限于少數(shù)國家，鈮資源以進口為主

目前上游產(chǎn)業(yè)鏈中鈦資源冶煉技術(shù)難度較大，鈮資源仍以進口為主。2023年，全球鈦儲量約為7.5億噸，其中鈦鐵礦（低品質(zhì)鈦）儲量為6.9億噸，占全球鈦礦的92%。從鈦鐵礦分布來看，我國在全球市場上占據(jù)了重要地位。2023年，我國的鈦鐵礦儲量為2.1億噸，同比增長10.53%，占全球鈦鐵礦儲量的比重高達30.43%。但國內(nèi)鈦資源品質(zhì)情況與國外相比，鈦鐵礦占比大，貧礦多，富礦少，無單一鈦礦，均為多金屬共生礦，采選冶煉技術(shù)難度大。在標準大氣壓下，鈮的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度為9.25K，是所有具有超導(dǎo)電性質(zhì)的金屬中最高的，同時其磁穿透深度也是所有元素中最高的，這使得其在超導(dǎo)體中被廣泛應(yīng)用。數(shù)據(jù)顯示，全球鈮資源主要集中在巴西、加拿大和美國等地區(qū)，2023年巴西鈮資源儲量為1600萬噸，占全球比重的89.84%。我國鈮礦物分散度大、成分復(fù)雜，鈮資源作為伴生資源少量回收，國內(nèi)鈮資源仍以進口為主，大多從巴西、加拿大進口鈮資源。2023年10月，中核集團在白云鄂博礦床研究發(fā)現(xiàn)新礦物鈮包頭礦，部分緩解我國鈮資源稀缺問題。

（二）中游低溫超導(dǎo)已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，高溫超導(dǎo)應(yīng)用前景潛力大

目前，全球超導(dǎo)市場以低溫超導(dǎo)為主，低溫超導(dǎo)材料及應(yīng)用占超導(dǎo)市場總量的95.6%，高溫超導(dǎo)材料仍處于產(chǎn)業(yè)化初期，高溫超導(dǎo)材料在我國超導(dǎo)市場占比僅在4.4%。在市場需求和相關(guān)技術(shù)深化融合之下，全球超導(dǎo)材料市場規(guī)模迎來穩(wěn)健增長。一方面，低溫超導(dǎo)材料供需兩側(cè)潛力不斷釋放，批量化加工技術(shù)不斷發(fā)展的同時，MRI、MCZ、加速器、受控?zé)岷司圩兊冉K端應(yīng)用迎來跨越式增長；另一方面，隨著全球各國不斷探索高溫超導(dǎo)微觀機理、加速高溫超導(dǎo)材料研發(fā)，疊加高可靠性和高效率的制冷系統(tǒng)的發(fā)展，高溫超導(dǎo)材料已在多個超導(dǎo)電子領(lǐng)域取得了初步規(guī)模化應(yīng)用。特別是聚變堆對超導(dǎo)材料的需求極為龐大，ITER項目帶動了低溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)整體的發(fā)展，為滿足緊湊型聚變的需求，近2年高溫超導(dǎo)材料大幅擴產(chǎn)，成本正在快速下降，有望帶動高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)向電力、交通、節(jié)能、新能源等領(lǐng)域全面拓展，高溫超導(dǎo)行業(yè)正迎來重大發(fā)展機遇。

（三）下游終端應(yīng)用場景持續(xù)突破，產(chǎn)業(yè)化蓄勢待發(fā)

超導(dǎo)體因為具有絕對的零電阻和完全的抗磁性兩大特性，在所有涉及電和磁的領(lǐng)域都有超導(dǎo)體的用武之地，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，諸如電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)工程、交通運輸、電力等領(lǐng)域。MRI帶動超導(dǎo)材料需求釋放。超導(dǎo)磁體是MRI設(shè)備中產(chǎn)生主磁場的核心部件，1.5T磁共振超導(dǎo)磁體成本占比在30%—40%，3.0T磁共振超導(dǎo)磁體成本占比在50%—60%。目前，我國MRI設(shè)備市場保有量持續(xù)增長，未來3.0T MRI設(shè)備的占比將進一步提高，從而帶動低溫超導(dǎo)線材需求的進一步釋放。

四、技術(shù)創(chuàng)新與超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)的未來趨勢

中國超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)正處于快速發(fā)展的關(guān)鍵時期，隨著技術(shù)進步和市場需求的不斷擴大，將迎來更多的發(fā)展機遇。通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，中國有望在全球超導(dǎo)材料領(lǐng)域占據(jù)更加重要的地位。

（一）第一代超導(dǎo)技術(shù)不斷突破提升，第二代超導(dǎo)面臨諸多挑戰(zhàn)

中國超導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)涌現(xiàn)出一批具有較強實力的企業(yè)，比如西部超導(dǎo)及中天科技。西部超導(dǎo)自主開發(fā)了全套低溫超導(dǎo)產(chǎn)品（第一代超導(dǎo)材料）的生產(chǎn)技術(shù)，代表我國完成了ITER項目的超導(dǎo)線材交付任務(wù)，實現(xiàn)了MRI超導(dǎo)線材的批量生產(chǎn)；面向新一代聚變工程實驗堆的高性能Nb3Sn線材取得重大突破，已具備批量生產(chǎn)能力；直徑1米以上大孔無液氦高場超導(dǎo)磁體技術(shù)取得突破，成功應(yīng)用于高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱系統(tǒng)；MCZ磁體批量化制備技術(shù)成熟并穩(wěn)定交付產(chǎn)品；9.4T高場強磁體用NbTi超導(dǎo)線獲得客戶認可且開始批量供應(yīng)；突破了低交流損耗CuMn和CuNi基NbTi 超導(dǎo)線材批量化制備技術(shù)，綜合性能達國際先進水平；NbTi和Nb3Sn超導(dǎo)線材已滿足國內(nèi)外科研院所特殊科研磁體技術(shù)要求；公司探索Bi-2223和Bi-2212的工程化制備技術(shù)，打通了批量化生產(chǎn)全流程工藝技術(shù)，制出長度達到百米量級的帶材和線材等。

與第一代低溫超導(dǎo)材料相比，高溫超導(dǎo)面臨諸多挑戰(zhàn)：第二代高溫超導(dǎo)材料的臨界溫度更高，可在液氮溫度下工作，降低了制冷成本，具有巨大的潛力和應(yīng)用前景。第二代超導(dǎo)材料在制造過程中溫度、壓力和化學(xué)組成控制要求非常嚴格，生產(chǎn)工藝相當(dāng)復(fù)雜；第二代超導(dǎo)制造原材料多為稀土元素和重金屬，生產(chǎn)中能源消耗和設(shè)備投資成本很高；第二代超導(dǎo)臨界溫度較高，為了有效制冷以維持超導(dǎo)狀態(tài)，使得系統(tǒng)復(fù)雜度大幅增加。但隨著技術(shù)的不斷進步和市場的逐步成熟，預(yù)期高溫超導(dǎo)材料的生產(chǎn)將變得更加經(jīng)濟高效。

（二）提高性能、降低成本，功能集成化方向發(fā)展

中國超導(dǎo)材料行業(yè)經(jīng)歷了低溫到高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展，目前已實現(xiàn)低溫超導(dǎo)材料的商業(yè)化生產(chǎn)，并在國際超導(dǎo)領(lǐng)域占據(jù)重要地位。此外NbTi和Nb3Sn超導(dǎo)線材的顯著進展，不僅滿足了國內(nèi)市場的需求，也成功參與到國際競爭中。近年，中國超導(dǎo)材料研究進展顯著，不斷創(chuàng)新超導(dǎo)材料和制備技術(shù)。例如，中國科學(xué)院等離子體物理研究所在高溫超導(dǎo)材料的研究上取得了重要成果，新型鐵基超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)也為行業(yè)帶來了新的發(fā)展方向。此外，中國科學(xué)家在國際合作項目如ITER計劃中也扮演了重要角色，通過這些國際合作平臺，中國的超導(dǎo)體研究得到了進一步的推動和發(fā)展。未來超導(dǎo)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新將繼續(xù)聚焦于提高超導(dǎo)材料的臨界溫度和降低制備成本。通過材料科學(xué)的深入研究，探索新型超導(dǎo)材料，尤其是尋求室溫超導(dǎo)材料的突破，擴展超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用范圍；通過改進制備工藝和提高生產(chǎn)效率，降低超導(dǎo)材料的成本，使其更加經(jīng)濟實用，推動超導(dǎo)技術(shù)的商業(yè)化進程。

（三）中國超導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)亟需協(xié)同創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著超導(dǎo)材料研究的深入和技術(shù)的進步，超導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈逐漸向下游應(yīng)用領(lǐng)域延伸，形成了從原材料供應(yīng)、超導(dǎo)材料生產(chǎn)到終端應(yīng)用的完整產(chǎn)業(yè)鏈。在這個過程中，上中下游企業(yè)之間的合作將更加緊密，協(xié)同效應(yīng)將更加明顯。后續(xù)中國超導(dǎo)體行業(yè)將進一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，加強上下游企業(yè)的合作與交流，推動產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的協(xié)同發(fā)展。通過建立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、技術(shù)創(chuàng)新平臺等合作機制，促進資源共享和技術(shù)交流，提高整個產(chǎn)業(yè)鏈的競爭力。超導(dǎo)體行業(yè)將繼續(xù)聚焦提高超導(dǎo)材料的臨界溫度和降低制備成本，探索新型超導(dǎo)材料，尤其是“室溫超導(dǎo)”材料的突破。同時，產(chǎn)業(yè)鏈的完善與協(xié)同發(fā)展需進一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加強上下游企業(yè)間的合作與交流。通過建立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、技術(shù)創(chuàng)新平臺等合作機制，促進資源共享和技術(shù)交流，提高整個產(chǎn)業(yè)鏈的競爭力。

〔作者為國家發(fā)展改革委創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展中心（數(shù)字經(jīng)濟研究發(fā)展中心） 高級工程師〕