超導(dǎo)磁體市場前景

超導(dǎo)磁體市場前景

超導(dǎo)材料發(fā)展理論超導(dǎo)材料的發(fā)展離不開理論的支撐，1933年，德國物理學(xué)家邁斯納（W．Meissner）和奧林菲爾德（R．Ochsenfeld）共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)重要特征完全抗磁性，即當(dāng)材料處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，將完全排斥磁場，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，人們將這種現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)。因此，判斷一種材料是否具備超導(dǎo)電性，必須要看其是否同時(shí)具備完全導(dǎo)電性和完全抗磁性。隨后，巴丁（J．Bardeen）、庫珀（L．V．Cooper）和施里弗（J．R．Schrieffer）在195K年提出了著名的BCS理論，它把超導(dǎo)現(xiàn)象看作一種宏觀量子效應(yīng)，成功地解釋了金屬或合金超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性微觀機(jī)理。由于電阻是由電子定向運(yùn)動(dòng)時(shí)與金屬晶格發(fā)生碰撞而形成的，而在超導(dǎo)臨界溫度以下，超導(dǎo)體中的電子通過與晶格振動(dòng)聲子的交換來實(shí)現(xiàn)無損耗運(yùn)動(dòng)，即沒有電阻產(chǎn)生，因此能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)電性。至此，超導(dǎo)體的三大基本特性完全導(dǎo)電性、完全抗磁性和宏觀量子效應(yīng)均已奠定。宏觀量子效應(yīng)是超導(dǎo)電子學(xué)的基礎(chǔ)，眾多科學(xué)家及學(xué)者根據(jù)BCS理論作出了一系列的理論延伸：1）1962年，劍橋大學(xué)的約瑟夫森（B．Josephson）預(yù)言，電子對(duì)能夠穿過薄絕緣層（量子隧穿），當(dāng)由薄絕緣層隔開的兩塊超導(dǎo)體（約瑟夫森結(jié)結(jié)構(gòu)）之間有電流通過時(shí)，其中并不會(huì)出現(xiàn)電壓，這一現(xiàn)象被稱為約瑟夫森效應(yīng)。換言之，該現(xiàn)象是一種橫跨約瑟夫森結(jié)的超電流現(xiàn)象，即超導(dǎo)電流可以在超導(dǎo)體一絕緣體一超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生；2）1968年，美國物理學(xué)家麥克米蘭根據(jù)BCS理論得到超導(dǎo)體臨界溫度上限的公式，推算出超導(dǎo)體的臨界溫度一般不太可能超過39K（約-234℃），39K這個(gè)溫度也被稱為麥克米蘭極限。該極限溫度曾一度被主流學(xué)界所接受，直到1980年代高溫超導(dǎo)體的蓬勃發(fā)展突破了這個(gè)理論極限。MRI（磁共振成像儀）MRI是當(dāng)前超導(dǎo)材料最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，但目前我國人均MRI擁有量與發(fā)達(dá)國家仍存在較大差距，需求缺口尚存。MRI是一種生物磁自旋成像技術(shù)，其對(duì)人體不會(huì)產(chǎn)生放射性損傷，對(duì)腫瘤早期診斷有較高的臨床價(jià)值，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于全身各部位臟器的疾病診斷中。根據(jù)Statista的數(shù)據(jù)，2019年我國每百萬人口MRI擁有量僅約6．4臺(tái)，遠(yuǎn)低于日本的55．2臺(tái)和美國的40．4臺(tái)，且多個(gè)發(fā)達(dá)國家每百萬人口擁有量在10臺(tái)以上；由于中國人口數(shù)量位居世界第一，MRI擁有量缺口較大，國家已明確將磁共振成像設(shè)備列為當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域之一。MRI設(shè)備進(jìn)口方面，目前我國主要從德國、荷蘭等地進(jìn)口高端MRI設(shè)備，進(jìn)口數(shù)量少，但相對(duì)貨值較高，未來在高端MRI市場的空間廣闊。然而在我國對(duì)MRI的需求與日俱增的同時(shí)，近年來進(jìn)口MRI的數(shù)量卻沒有呈現(xiàn)同步增長趨勢(shì)。主要有兩方面原因，一方面如GE及Siemens等國際大型醫(yī)療設(shè)備企業(yè)陸續(xù)在中國設(shè)廠生產(chǎn)，核磁共振設(shè)備實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)生產(chǎn)；另一方面是國產(chǎn)廠商經(jīng)過多年經(jīng)驗(yàn)累積，已開始逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)口設(shè)備的替代。由于國產(chǎn)超導(dǎo)MRI系統(tǒng)具有成本上的優(yōu)勢(shì)，我國二、三線城市廠商具有較強(qiáng)的市場競爭能力，預(yù)計(jì)國產(chǎn)超導(dǎo)MRI市場將進(jìn)一步擴(kuò)大，廠商對(duì)NbTi超導(dǎo)線材的需求也將穩(wěn)步增長。超導(dǎo)磁體行業(yè)的周期性區(qū)域性和季節(jié)性（一）超導(dǎo)磁體周期性醫(yī)用影像類超導(dǎo)MRI設(shè)備屬于醫(yī)院檢驗(yàn)科室的剛需。從存量角度，隨著技術(shù)不斷升級(jí)，原有設(shè)備仍有替代需求；從增量角度，大型高端醫(yī)療器械配置許可正在逐漸放量，政府指導(dǎo)文件和規(guī)劃綱要強(qiáng)調(diào)優(yōu)先使用國產(chǎn)產(chǎn)品，將會(huì)推動(dòng)國產(chǎn)設(shè)備被醫(yī)院采用；特種超導(dǎo)磁體的應(yīng)用范圍更為廣泛，包括動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、物理研究、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、污水處理、石油化工等領(lǐng)域，潛在需求量巨大。綜上，行業(yè)具備較好的行業(yè)景氣度。（二）超導(dǎo)磁體區(qū)域性由于超導(dǎo)MRI設(shè)備單價(jià)較高，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)醫(yī)院配置能力更為充沛，主要的生產(chǎn)廠商也集中在長三角、北京及深圳等地區(qū)，產(chǎn)業(yè)的集聚效應(yīng)比較明顯。（三）超導(dǎo)磁體季節(jié)性大型醫(yī)用設(shè)備行業(yè)的終端客戶群體一般為醫(yī)療機(jī)構(gòu)，醫(yī)療機(jī)構(gòu)購買大型醫(yī)用設(shè)備的前置程序較為繁瑣，通常在一季度進(jìn)行預(yù)算審批，第二季度和第三季度進(jìn)行招標(biāo)和采購，四季度發(fā)貨驗(yàn)收。因此，設(shè)備商及其上游的核心部件供應(yīng)商的銷售具備一定季節(jié)性特征。MCZ（磁控直拉單晶硅技術(shù)）單晶硅按晶體生長方法的不同，分為直拉法（CZ）、區(qū)熔法（FZ）兩種，直拉法是目前主要的單晶硅規(guī)?；慨a(chǎn)技術(shù)。MCZ技術(shù)是通過磁場對(duì)導(dǎo)電硅流體的熱對(duì)流形成抑制作用，抑制單晶硅生長過程中雜質(zhì)和缺陷的產(chǎn)生，從而大幅改善晶體完整性、均勻性，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量大尺寸單晶硅快速生長。其中采用超導(dǎo)磁體提供5000Gs穩(wěn)定磁場的MCZ技術(shù)是目前國際上生300mm以上大尺寸半導(dǎo)體級(jí)單晶硅的最主要方法。隨著國內(nèi)半導(dǎo)體工業(yè)的迅速發(fā)展，中國已成為全球增長速度最快的單晶硅生產(chǎn)和消費(fèi)國家，其中MCZ產(chǎn)品占總產(chǎn)量的70%-80%，目前國際上300毫米以上大尺寸單晶硅片已成為主流。由于超導(dǎo)材料具有零電阻的特性，采用超導(dǎo)材料制備的超導(dǎo)磁體可以實(shí)現(xiàn)無阻載流運(yùn)行，因此超導(dǎo)磁體和常導(dǎo)磁體相比，其體積和運(yùn)行成本均大幅度減小，能夠降低300mm單晶硅制造20%的能耗、提高30%的成品率。我國目前迫切需要發(fā)展?jié)M足300mmMCZ單晶硅制備用超導(dǎo)磁體制造技術(shù)并實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，以促進(jìn)我國單晶硅行業(yè)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)。從市場規(guī)模來看，我國單晶硅業(yè)市場規(guī)模由2017年的75．5億元增長至2020年的380．3億元，年均復(fù)合增長率為71．6%；從需求端來看，我國單晶硅片消費(fèi)量由2017年的28．7GW增至2020年為144．4GW，年均復(fù)合增長率為71．56%。由此可見，在近年來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動(dòng)下，我國單晶硅市場規(guī)模和需求量在未來也將持續(xù)保持高速增長，MCZ技術(shù)需求市場也將一并擴(kuò)大。同時(shí)，我國正在逐漸減少單晶硅進(jìn)口依賴程度，單晶硅爐產(chǎn)量大幅上升，為單晶硅生產(chǎn)用MCZ磁體奠定了良好的市場基礎(chǔ)，未來市場增量可期。超導(dǎo)磁體行業(yè)發(fā)展概況磁共振成像技術(shù)（MagneticResoceImaging，簡稱MRI）是一種先進(jìn)的人體無損成像技術(shù)，廣泛應(yīng)用于人體各個(gè)部位疾病的診斷。該系統(tǒng)的基本原理是在外磁場的作用下，某些繞主磁場（外磁場）進(jìn)動(dòng)的自旋質(zhì)子（包括人體中的氫質(zhì)子）在短暫的射頻電波作用下，進(jìn)動(dòng)角增大。當(dāng)射頻電波停止后，質(zhì)子又會(huì)逐漸恢復(fù)到原來的狀態(tài)，并同時(shí)釋放與激勵(lì)波頻率相同的射頻信號(hào)。MRI便是利用這一原理，在主磁場中附加一個(gè)脈沖梯度磁場，選擇性地激發(fā)所需位置的人體內(nèi)原子核，然后接收原子核產(chǎn)生的核磁共振信號(hào)，最后在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行傅立葉變換，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行頻率編碼和相位編碼，從而建立一幅完整的磁共振圖像。MRI設(shè)備主要有五大部分組成，即主磁體、梯度系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、譜儀系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)及其他輔助設(shè)備，其中主磁體、梯度系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)為MRI設(shè)備的核心硬件，覆蓋MRI設(shè)備成本達(dá)90%以上。主磁體是設(shè)備的核心組成部分，提供強(qiáng)大靜磁場，保持均勻的磁場強(qiáng)度。一般可分永磁體、常導(dǎo)磁體和超導(dǎo)磁體。永磁體和常導(dǎo)磁體的磁場強(qiáng)度較低，一般在0．5T及以下，且在能源消耗、重量、體積、穩(wěn)定性和操控性等方面具有難以克服的缺陷。超導(dǎo)磁體通過低溫超導(dǎo)原理產(chǎn)生高強(qiáng)磁場，在各方面性能均具有明顯優(yōu)勢(shì)。梯度系統(tǒng)由梯度線圈、梯度放大器組成，譜儀系統(tǒng)的梯度脈沖發(fā)生器產(chǎn)生空間編碼和定位所需的信號(hào)，經(jīng)過梯度放大器放大信號(hào)，傳輸?shù)教荻染€圈上形成梯度磁場。射頻系統(tǒng)主要包括射頻發(fā)射線圈、射頻探測(cè)器和射頻放大器，射頻發(fā)射線圈接收到射頻放大器放大的脈沖信號(hào)，產(chǎn)生射頻激勵(lì)磁場，之后射頻探測(cè)器采集成像體產(chǎn)生的磁共振信號(hào)再傳輸給譜儀系統(tǒng)。譜儀系統(tǒng)主要是由梯度脈沖發(fā)生器和射頻脈沖發(fā)生器組成。計(jì)算機(jī)及其他輔助設(shè)備包括主控計(jì)算機(jī)、圖像顯示、檢查床及射頻屏蔽、磁屏蔽、UPS電源、冷卻系統(tǒng)等，其作用是保證自檢查開始到獲得圖像的過程能井然有序、精確無誤地進(jìn)行。區(qū)別于X射線和CT，核磁共振所獲得的圖像具有清晰、精細(xì)、分辨率高、對(duì)比度好、信息量大等特點(diǎn)，對(duì)軟組織層次顯示具有顯著優(yōu)勢(shì)，而且不具有傷害性，在臨床上的應(yīng)用十分廣泛。超導(dǎo)材料發(fā)展綜述人們對(duì)超導(dǎo)材料的探究得益于低溫物理學(xué)的發(fā)展，而超導(dǎo)材料的誕生則源于人們對(duì)金屬電阻與溫度之間的關(guān)系探索。超導(dǎo)，全稱超導(dǎo)電性，是二十世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，指的是當(dāng)某些材料在溫度降低到某一臨界溫度（Tc）時(shí)電阻突然消失，電流可以在其間無損耗流動(dòng)的現(xiàn)象，具備這種特性的材料則被稱為超導(dǎo)材料或超導(dǎo)體。超導(dǎo)體的誕生要追溯到二十世紀(jì)初，人們?cè)跉怏w理論的指導(dǎo)下不斷將各種氣體液化，創(chuàng)下了一系列的低溫記錄，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯（H．K．Onnes）在1908年成功液化了地球上最后一種頑固氣體—-氦氣，并且獲得了接近絕對(duì)零度的低溫：4．2K（約-269℃）。氦作為分子質(zhì)量最小的稀有氣體，是最不活潑的元素之一，也是唯一不能在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下固化的物質(zhì)，而液氦的成功獲得極大地推進(jìn)了低溫物理學(xué)的發(fā)展，這也為超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)埋下了伏筆。1911年，昂尼斯等人用液氦冷卻金屬汞以研究金屬在低溫下的電阻行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，汞的電阻并不像預(yù)期中隨溫度降低而逐漸減小，而是在溫度降至4．2K左右（Tc=4．2K，等同于-268．98C）時(shí)急劇下降，以至完全消失。這也就是超導(dǎo)體的第一個(gè)基本特征完全導(dǎo)電性，指當(dāng)降低至某一溫度以下，電阻突然消失的現(xiàn)象。1913年，昂尼斯因液氦的成功制備和超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)而獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，并首次以超導(dǎo)一詞來表達(dá)這一現(xiàn)象，寓意為超級(jí)導(dǎo)電。自此以后，人們把處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱為超導(dǎo)材料，其憑借獨(dú)特的性能和具有潛力的各項(xiàng)應(yīng)用而持續(xù)地吸引著全球各地眾多科學(xué)家的不斷探索。超導(dǎo)體的發(fā)展歷史回顧超導(dǎo)體的發(fā)展歷史，超導(dǎo)研究對(duì)象逐步由簡單金屬到合金，再到復(fù)雜的化合物、有機(jī)物，超導(dǎo)臨界溫度也在過去的一個(gè)多世紀(jì)里逐漸提升。目前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料主要包括：各類金屬及合金超導(dǎo)體、銅氧化物超導(dǎo)體、重費(fèi)米子超導(dǎo)體、有機(jī)超導(dǎo)體、鐵基超導(dǎo)體及其他氧化物超導(dǎo)體等。下圖展示了自超導(dǎo)現(xiàn)象問世以來發(fā)現(xiàn)的一些典型的超導(dǎo)體及其晶體結(jié)構(gòu)，橫軸為發(fā)現(xiàn)的年代，縱軸為超導(dǎo)臨界溫度Tc。尋找能大規(guī)模應(yīng)用的室溫超導(dǎo)體是當(dāng)今超導(dǎo)研究人員的心之所向。超導(dǎo)體的應(yīng)用解決了輸電過程中造成的熱損耗，具備著常規(guī)金屬材料無法企及的性能。由于超導(dǎo)體往往需要在非常低的環(huán)境溫度中應(yīng)用（低于其超導(dǎo)臨界溫度），而低溫環(huán)境往往需要依賴于液氦或其他設(shè)備來維持，這極大地增加了超導(dǎo)材料的應(yīng)用和維護(hù)成本，導(dǎo)致具備如此顛覆性的材料無法在低成本下被大規(guī)模應(yīng)用。因此，尋找具備更高臨界溫度的超導(dǎo)體是解決超導(dǎo)材料應(yīng)用的關(guān)鍵，而研發(fā)出室溫超導(dǎo)體成為了超導(dǎo)領(lǐng)域研發(fā)人員的不懈追求。2020年，迪亞斯在實(shí)驗(yàn)室將氫、碳和硫元素，在金剛石壓腔中通過光化學(xué)合成簡單的碳質(zhì)硫氫化物（CSH），并將其超導(dǎo)臨界溫度提升至15℃，這是人類第一次觀察到室溫超導(dǎo)體，具有里程碑式的意義。但在金剛石壓腔中觀察到的超導(dǎo)現(xiàn)象被重重極端條件所限制：1）該現(xiàn)象的環(huán)境壓力為2670億帕，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)胎壓的100萬倍；2）產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象的材料數(shù)量極其微量，并無法產(chǎn)生實(shí)際的應(yīng)用。因此，下一個(gè)科研目標(biāo)則是爭取找到在較低壓力下制造室溫超導(dǎo)體的方法，以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。若常溫超導(dǎo)能夠得到規(guī)模化應(yīng)用，必將帶來一場全新的能源革命，人類將步入嶄新的超導(dǎo)時(shí)代。加速器以加速器為代表的大科學(xué)工程自上世紀(jì)80年代以來一直是高技術(shù)發(fā)展水平和綜合國力發(fā)展的象征，以超導(dǎo)磁體為核心的加速器系統(tǒng)是相關(guān)裝置的核心。高能質(zhì)子加速器是超導(dǎo)磁體在大科學(xué)工程中應(yīng)用的一個(gè)重要的領(lǐng)域，其包括超導(dǎo)直線加速器、超導(dǎo)回旋加速器、超導(dǎo)同步加速器等設(shè)備。超導(dǎo)材料是加速器磁體的重要組成部分，超導(dǎo)磁體的應(yīng)用可以在很小的激磁功率下產(chǎn)生強(qiáng)大的約束磁場，從而大幅縮減加速器的尺寸，降低加速器功率消耗，從而優(yōu)化超導(dǎo)加速器的經(jīng)濟(jì)效益。隨著加速器市場需求的增加，超導(dǎo)線材和超導(dǎo)磁體的市場需求也將變得更為明確。超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)鏈上游為礦資源，如釔、鋇、鉍、鍶、硼等金屬;中游是超導(dǎo)材料，如YBCO、BSCCO和MgB2等;下游是超導(dǎo)應(yīng)用產(chǎn)品，如超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)濾波、超導(dǎo)儲(chǔ)能以及超導(dǎo)發(fā)電機(jī)等。超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)鏈上游為原材料，如鈮、鈦、釔、鋇、鉍、鍶、硼等金屬材料，中游為超導(dǎo)材料相關(guān)公司，如江蘇中天科技、特變電工、西部超導(dǎo)、青島漢纜、北京英納超導(dǎo)等，下游為超導(dǎo)設(shè)備應(yīng)用。超導(dǎo)磁體行業(yè)主要壁壘（一）超導(dǎo)磁體技術(shù)壁壘超導(dǎo)MRI設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)涉及到理論知識(shí)的交叉和復(fù)雜的工藝技術(shù)，長期積累的研發(fā)設(shè)計(jì)、組件設(shè)計(jì)和優(yōu)化、調(diào)試和測(cè)試的方法是重要的技術(shù)門檻。射頻探測(cè)器工作頻率高，各種寄生參數(shù)影響大，需要大量調(diào)試工作，很難做到完全的流水線式生產(chǎn)，需要反復(fù)調(diào)試、測(cè)試。超導(dǎo)磁體的制作工藝復(fù)雜，涉及電磁學(xué)、力學(xué)、低溫、真空、機(jī)械、焊接、電子應(yīng)用等多學(xué)科專業(yè)技術(shù)。針對(duì)產(chǎn)品所要求的極端標(biāo)準(zhǔn)和條件，往往需要設(shè)計(jì)出獨(dú)特的工藝方案，達(dá)到性能要求后還需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝來減少成本，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中Know-How的掌握是重要的技術(shù)壁壘和核心競爭力，涉及射頻探測(cè)器調(diào)試、超導(dǎo)磁體繞線及浸漬、超導(dǎo)接頭制作、磁體支撐系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝配及真空薄壁件焊接等多項(xiàng)工藝。（二）超導(dǎo)磁體人才壁壘行業(yè)產(chǎn)品屬于技術(shù)密集型產(chǎn)品，對(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)人員和生產(chǎn)人員的理論基礎(chǔ)和操作技能有很高要求，需要經(jīng)歷長時(shí)間培訓(xùn)、實(shí)踐才能獨(dú)立工作。研發(fā)人員培養(yǎng)周期長、成本高，具有顯著的人才壁壘，除了要求扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還需要在實(shí)踐中不斷地摸索、積累經(jīng)驗(yàn)，才能應(yīng)對(duì)研發(fā)過程中各種突發(fā)問題，攻克技術(shù)難關(guān)。生產(chǎn)過程中，高級(jí)技術(shù)人才所掌握的生產(chǎn)工藝需要在一次次失敗中不斷完善。生產(chǎn)人員既要保證元器件各項(xiàng)指標(biāo)的合理、可控，還要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行大量調(diào)試。一名技術(shù)生產(chǎn)人員從入職、培訓(xùn)、試生產(chǎn)到正式生產(chǎn)，往往需要一年以上的時(shí)間，導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)熟練工相對(duì)稀缺、培訓(xùn)成本高的現(xiàn)狀。（三）超導(dǎo)磁體資質(zhì)壁壘醫(yī)療器械由于直接作用于人體，直接關(guān)系人