超导材料的研究与发展论文

具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。 特性 超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。①零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。②完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。③约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。 基本临界参量 有以下 3个基本临界参量。①临界温度:外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨，为。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。②临界磁场：使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。③临界电流和临界电流密度：通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。 超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=)起，直到1986年以前，人们发现的最高的 Tc才达到(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理学家.米勒和联邦德国物理学家.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。 分类 超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。①超导元素：在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为。电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb，Tc=)，已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。② 合金材料： 超导元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc为，Hc为特。继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti，Tc=，Hc＝特；Nb-60Ti，Tc=，Hc=12特()。目前铌钛合金是用于7～8特磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金，性能进一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc＝，Hc=特（）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=，Hc=特。③超导化合物:超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=，Hc=特。其他重要的超导化合物还有V3Ga，Tc=，Hc=24特；Nb3Al，Tc=，Hc=30特。④超导陶瓷：20世纪80年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧－钡－铜－氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。 应用 超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题）。到80年代，超导材料的应用主要有：①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。 1911年，荷兰物理学家昂尼斯(1853～1926)发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到附近时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为，锌为，铝为，铅为。超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4．2K提高到铌三锗的23．22K，才提高了19K。 1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。 1986年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K；12月30日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40．2K。 1987年1月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了48．6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体。2月20日，中国也宣布发现100K以上超导体。3月3日，日本宣布发现123K超导体。3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度下存在超导迹象。高温超导体的巨大突破，以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体，使超导技术走向大规模开发应用。氮是空气的主要成分，液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1／100。液氮制冷设备简单，因此，现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却，但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一。超导科学研究 1.非常规超导体磁通动力学和超导机理 主要研究混合态区域的磁通线运动的机理，不可逆线性质、起因及其与磁场和温度的关系，临界电流密度与磁场和温度的依赖关系及各向异性。超导机理研究侧重于研究正常态在强磁场下的磁阻、霍尔效应、涨落效应、费米面的性质以及T医学研究等 磁体科学和技术 强磁场的价值在于对物理学知识有重要贡献。八十年代的一个概念上的重要进展是量子霍尔效应和分数量子霍耳效应的发现。这是在强磁场下研究二维电子气的输运现象时发现的（获85年诺贝尔奖）。量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的发现激起物理学家探索其起源的热情，并在建立电阻的自然基准，精确测定基本物理常数e，h和精细结构常数(＝e2/h(0c等应用方面，已显示巨大意义。高温超导电性机理的最终揭示在很大程度上也将依赖于人们在强磁场下对高温超导体性能的探索。 熟悉物理学史的人都清楚，由固体物理学演化为凝聚态物理学，其重要标志就在于其研究对象的日益扩大，从周期结构延伸到非周期结构，从三维晶体拓宽到低维和高维，乃至分数维体系。这些新对象展示了大量新的特性和物理现象，物理机理与传统的也大不相同。这些新对象的产生以及对新效应、新现象的解释使得凝聚态物理学得以不断的丰富和发展。在此过程中，极端条件一直起着至关重要的作用，因为极端条件往往使得某些因素突出出来而同时抑制其它因素，从而使原本很复杂的过程变得较为简单，有利于直接了解物理本质。 相对于其它极端条件，强磁场有其自身的特色。强磁场的作用是改变一个系统的物理状态，即改变角动量（自旋）和带电粒子的轨道运动，因此，也就改变了物理系统的状态。正是在这点上，强磁场不同于物理学的其他一些比较昂贵的手段，如中子源和同步加速器，它们没有改变所研究系统的物理状态。磁场可以产生新的物理环境，并导致新的特性，而这种新的物理环境和新的物理特性在没有磁场时是不存在的。低温也能导致新的物理状态，如超导电性和相变，但强磁场极不同于低温，它比低温更有效，这是因为磁场使带电的和磁性粒子的远动和能量量子化，并破坏时间反演对称性，使它们具有更独特的性质。 强磁场可以在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间的对称性，这对固体的能带结构以及元激发及其互作用等研究是非常重要的。固体复杂的费米面结构正是利用强磁场使得电子和空穴在特定方向上的自由运动从而导致磁化和磁阻的振荡这一原理而得以证实的。固体中的费米面结构及特征研究一直是凝聚态物理学领域中的前沿课题。当今凝聚态物理基础研究的许多重大热点都离不开强磁场这一极端条件，甚至很多是以强磁场下的研究作为基础。如波色凝聚只发生在动量空间，要在实空间中观察到此现象必需在非均匀的强磁场中才得以可能。又如高温超导的机理问题、量子霍尔效应研究、纳米材料和介观物体中的物理问题、巨磁阻效应的物理起因、有机铁磁性的结构和来源、有机（包括富勒烯〕超导体的机理和磁性、低维磁性材料的相变和磁相互作用、固体中的能带结构和费米面特征以及元激发及其互作用研究等等，强磁场下的研究工作将有助于对这些问题的正确认识和揭示，从而促进凝聚态物理学的进一步发展和完善。 带电粒子象电子、离子等以及某些极性分子的运动在磁场特别是在强磁场中会产生根本性变化。因此，研究强磁场对化学反应过程、表面催化过程、材料特别是磁性材料的生成过程、生物效应以及液晶的生成过程等的影响，有可能取得新的发现，产生交叉学科的新课题。强磁场应用于材料科学为新的功能材料的开发另辟新径，这方面的工作在国外备受重视，在国内也开始有所要求。高温超导体也正是因为在未来的强电领域中蕴藏着不可估量的应用前景才引起科技界乃至各国政府的高度重视。因此，强磁场下的物理、化学等研究，无论是从基础研究的角度还是从应用角度考虑都具有非常重要的科学和技术上的意义，通过这一研究，不仅有助于将当代的基础性研究向更深层次开拓，而且还会对国民经济的发展起着重要的推动作用。

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》。

过渡金属原子的kagome晶格，为在几何受挫和非平凡能带拓扑存在的情况下，研究电子关联提供了一个激动人心的平台，并不断带来惊喜，在高鸿钧院士/汪自强教授《Nature》超导领域新发现后，来自美国波斯顿学院的Ilija Zeljkovic等研究者 同一天 报道了使用光谱成像扫描隧道显微镜发现一个新的kagome超导体CsV3Sb5中不同的对称破缺电子态作为温度的函数级联。相关论文以题为“Cascade of correlated electron states in a kagome superconductor CsV3Sb5”发表在Nature上。

论文链接：

由原子组成的量子固体排列在共享角三角形的晶格上(kagome晶格)是一个 探索 新的相关和拓扑电子现象的迷人游乐场。由于其固有的几何受挫，kagome系统预测具有一系列奇异的电子态，如键和电荷有序，自旋液相和手性超导等。到目前为止，大多数实验工作都集中在过渡金属kagome磁体上，例如Co3Sn2S2、FeSn和Fe3Sn2，其中不同形式的磁性主导了低温电子基态。在没有磁有序的情况下，电子关联在原则上有利于出现新的对称破缺电子态，但由于磁有序的趋势，这在许多现有的kagome材料中很难 探索 。

AV3Sb5 (A=K, Rb, Cs)，是最近发现的一类不呈现可分辨磁序的kagome金属。这类材料已经在非平凡的拓扑环境中显示出了不寻常的电子行为，比如巨大的异常霍尔响应，源自于巨大的贝里曲率，以及kagome系统中罕见的超导现象。理论表明，AV3Sb5的能带结构具有非平凡的拓扑不变量，并结合显现的超导性，在铁基高 T c超导体家族中与拓扑金属形成有趣的平行关系。由于费米能级附近的van Hove奇点和费米表面的准一维区域造成的态密度大，也为在kagome晶格上寻找难以捉摸的相关态提供了理想的场所。虽然理论预测了kagome晶格电子结构的空间对称破缺的许多可能性，但它们的实验实现一直具有挑战性。

在这里，研究者利用光谱成像扫描隧道显微镜(SI-STM)，在kagome超导体CsV3Sb5中发现了对称破缺相的级联与温度的函数关系，可检测为不同的电荷有序态和各向异性准粒子散射特征。这些相在正常状态下发展，并在超导 T c以下持续存在。实验证明，CsV3Sb5中的超导性，来自于本应破缺的旋转和平移对称的电子态，并与之共存。在远高于超导跃迁温度( T c~ K)的温度下，研究者揭示了一个具有2a0周期的三元电荷序，打破了晶格的平移对称性。当系统冷却到 T c时，研究者在费米能级上观察到一个显著的V型光谱缺口，并在超导跃变过程中持续破坏了六重旋转对称性。在微分电导图中，出现了额外的4a0单向电荷阶和强各向异性散射。后者可直接归因于钒kagome能带的轨道选择重正化。该实验揭示了可在kagome晶格上共存的复杂电子态，并提供了与高温超导体和扭曲双层石墨烯有趣的相似之处。

图1 表面表征。

图2 大尺度电子特性。

图3 低温下电荷有序。

图4 CsV3Sb5准粒子干涉(QPI)中旋转对称破缺的可视化研究。

未来的实验，应该通过更详细的温度、能量和掺杂相关的测量来解决不同相之间的竞争，同时也要寻找本征拓扑超导性和非平凡能带拓扑预计会出现的Majorana模式的证据。（文：水生）