科幻電影《阿凡達(dá)》中，神奇的室溫超導(dǎo)礦石“Unobtanium”借助母樹附近的強(qiáng)大磁場(chǎng)懸托起了哈利路亞山。而現(xiàn)實(shí)中室溫超導(dǎo)研究也疑似實(shí)現(xiàn)顛覆性突破，近日物理學(xué)家Ranga Dias及其團(tuán)隊(duì)宣布已經(jīng)研發(fā)出在室溫和相對(duì)較低壓力條件下表現(xiàn)出超導(dǎo)性的材料：由镥-氮-氫（Lu-N-H）構(gòu)成的三元化合物。室溫超導(dǎo)是否能夠掀起新的一輪能源革命尚待驗(yàn)證，但這次研究成果的出圈再一次讓超導(dǎo)材料迎來了高光時(shí)刻。

　　超導(dǎo)全稱超導(dǎo)電性，是指在一定條件下電阻等于零，電流可在其間無損流動(dòng)的現(xiàn)象，具備這種特性的材料被稱為超導(dǎo)材料或超導(dǎo)體。超導(dǎo)材料具有常規(guī)材料所不具備的零電阻、完全抗磁性和量子隧穿效應(yīng)，在醫(yī)療裝備、能源、交通、大科學(xué)工程（CFETR、重離子加速器）和國(guó)防等諸多領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

 

 

 

　　一、發(fā)展環(huán)境

　　國(guó)家有關(guān)部門相繼出臺(tái)利好政策，我國(guó)超導(dǎo)材料迎發(fā)展新機(jī)遇

　　早在2006年，超導(dǎo)材料便被列入國(guó)家“863”計(jì)劃中“超導(dǎo)材料與技術(shù)專項(xiàng)”，在電力應(yīng)用、強(qiáng)磁體應(yīng)用以及弱電應(yīng)用等方面全面開展研發(fā)。近年來，國(guó)家層面圍繞著超導(dǎo)材料的頂層設(shè)計(jì)政策密集出臺(tái)，鼓勵(lì)和規(guī)范著行業(yè)健康有序發(fā)展。《中國(guó)制造2025》將超導(dǎo)材料列為前沿顛覆性新材料中重點(diǎn)發(fā)展的項(xiàng)目之一，《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出積極開發(fā)新型超導(dǎo)材料，參與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃，不斷完善全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置等國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，推動(dòng)了超導(dǎo)材料的發(fā)展革新；工信部、發(fā)改委、科技部、財(cái)政部聯(lián)合發(fā)布《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》，提出加強(qiáng)超導(dǎo)材料基礎(chǔ)研究、工程技術(shù)研究，在電力輸送、醫(yī)療器械等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，明確了我國(guó)超導(dǎo)材料重點(diǎn)發(fā)力方向和增量市場(chǎng)來源；2021年12月，工信部、科技部、自然資源部聯(lián)合發(fā)布的《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》則作為綱領(lǐng)性文件，提出發(fā)展超導(dǎo)材料前瞻布局行動(dòng)，強(qiáng)化應(yīng)用領(lǐng)域的支持和引導(dǎo)，明確了超導(dǎo)材料在現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)中的定位。

 

　　我國(guó)超導(dǎo)材料基礎(chǔ)研究能力不斷突破，但在規(guī)模化制備方面與國(guó)際水平仍存在差距

　　隨著國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持不斷，我國(guó)在超導(dǎo)材料各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)不斷突破。一方面，我國(guó)在超導(dǎo)材料基礎(chǔ)研究方面處于國(guó)際先進(jìn)水平，創(chuàng)造了低溫超導(dǎo)材料臨界電流密度的世界紀(jì)錄、率先發(fā)現(xiàn)了YBCO高溫超導(dǎo)材料、新型鐵基超導(dǎo)材料等，引領(lǐng)了國(guó)際超導(dǎo)材料發(fā)展方向；另一方面，隨著高溫超導(dǎo)材料開始進(jìn)入商業(yè)化階段，我國(guó)在部分高溫超導(dǎo)應(yīng)用層技術(shù)開始接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。例如，全球首條35千伏公里級(jí)超導(dǎo)電纜在滬投運(yùn)，完成國(guó)際熱核聚變堆（ITER）計(jì)劃用超導(dǎo)線材供貨任務(wù)、高性能YBCO涂層導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、高電壓等級(jí)超導(dǎo)限流器實(shí)現(xiàn)掛網(wǎng)、癌癥治療用加速器實(shí)現(xiàn)應(yīng)用、超導(dǎo)弱電技術(shù)實(shí)現(xiàn)軍民兩用等。與此同時(shí)，由于產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展相對(duì)滯后、產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合不足，現(xiàn)階段我國(guó)超導(dǎo)材料與技術(shù)研究發(fā)展總體水平與國(guó)際水平尚存在差距，如實(shí)用化超導(dǎo)材料的規(guī)模化制備和高端醫(yī)療設(shè)備、分析儀器、科研裝備等領(lǐng)域超導(dǎo)應(yīng)用層技術(shù)。

　　（1）上游：產(chǎn)業(yè)鏈上游為原材料，其中低溫超導(dǎo)原材料以鈦、鈮、錫為主，高溫超導(dǎo)原材料主要包括釔、鋇、鉍、鍶、硼。

　　（2）中游：超導(dǎo)材料按照臨界溫度可被分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料，目前國(guó)內(nèi)低溫超導(dǎo)材料及應(yīng)用占超導(dǎo)市場(chǎng)總量的90%以上，高溫超導(dǎo)材料仍處于產(chǎn)業(yè)化初期。已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的低溫超導(dǎo)線材主要為NbTi和Nb3Sn超導(dǎo)線材。其中，NbTi具有良好的加工塑性，主要應(yīng)用于MRI、MCZ、NMR、核聚變實(shí)驗(yàn)堆、加速器等領(lǐng)域；Nb3Sn屬脆性材料，主要應(yīng)用于NMR、核聚變實(shí)驗(yàn)堆等領(lǐng)域。具備實(shí)用價(jià)值的高溫超導(dǎo)材料主要包括鉍系（BSCCO）、釔系（YBCO）、二硼化鎂（MgB2）超導(dǎo)材料及鐵基超導(dǎo)材料等，制備方法有固相法、液相法和氣相法三種。高溫超導(dǎo)材料具有使用成本低、應(yīng)用限制少等兩大優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)階段在感應(yīng)加熱、電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)初步應(yīng)用，在可控核聚變領(lǐng)域應(yīng)用的可行性已得到證實(shí)，未來有望在更多領(lǐng)域代替低溫超導(dǎo)材料。

 

 

　　市場(chǎng)規(guī)模：“市場(chǎng)+技術(shù)“推動(dòng)產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健增長(zhǎng)，全球市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)68億歐元

　　在市場(chǎng)需求和相關(guān)技術(shù)深化融合之下，全球超導(dǎo)材料市場(chǎng)規(guī)模迎來穩(wěn)健增長(zhǎng)。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)方面不斷發(fā)展的同時(shí)，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(zhǎng)；另一方面，隨著全球各國(guó)不斷探索高溫超導(dǎo)微觀機(jī)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(gè)超導(dǎo)電子領(lǐng)域取得了初步規(guī)模化應(yīng)用。根據(jù)Conectus數(shù)據(jù)，全球超導(dǎo)產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模從2012年的51.9億歐元增長(zhǎng)至2022年的68億歐元。

 

 

　　三、發(fā)展展望

　　超導(dǎo)材料推動(dòng)儲(chǔ)能行業(yè)升級(jí)，提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和用電質(zhì)量

　　隨著電網(wǎng)特高壓及遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)飛速進(jìn)步、疊加5G等高耗能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)進(jìn)一步拉動(dòng)電力需求。在雙碳背景下，以風(fēng)電、光伏為代表的可再生能源的并網(wǎng)、分布式發(fā)電比重逐漸增加，給電力系統(tǒng)帶來諸多穩(wěn)定性及電網(wǎng)質(zhì)量問題。儲(chǔ)能裝置可有效解決新能源供給間歇性與用戶用電需求持續(xù)性之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻，平滑用戶需求，提升能源利用率，近年來重要性進(jìn)一步凸顯。

　　在儲(chǔ)能行業(yè)多種技術(shù)路線并存的現(xiàn)狀下，超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置基于超導(dǎo)線圈運(yùn)行在超導(dǎo)態(tài)下沒有直流焦耳損耗的特點(diǎn)，可達(dá)到很高的能量密度并長(zhǎng)時(shí)間無損耗儲(chǔ)存能量。同時(shí)通過SMES變流器控制與電網(wǎng)的能量交換，可高效調(diào)節(jié)系統(tǒng)與超導(dǎo)磁體之間的功率交換，相比其他儲(chǔ)能裝置具有蓄能量高、轉(zhuǎn)換效率好、響應(yīng)速度快、應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)峰填谷，遏制電網(wǎng)低頻振蕩方面效果顯著。未來有望在解決電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問題、提升用電質(zhì)量以及電能可靠性等方面發(fā)揮不可替代的作用。

　　高通量篩選+機(jī)器學(xué)習(xí)，助力進(jìn)一步探索高溫乃至室溫常壓超導(dǎo)材料

　　臨界溫度遠(yuǎn)低于室溫這一痛點(diǎn)嚴(yán)重制約了超導(dǎo)材料的工程化應(yīng)用，然而近年來，更高臨界溫度的超導(dǎo)材料隨著實(shí)驗(yàn)研究陸續(xù)問世。放眼未來，高通量篩選與機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)有望基于數(shù)以千計(jì)的稀土金屬、氮、氫和碳的可能組合中，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)、篩選、甚至設(shè)計(jì)出新型高溫乃至常溫常壓超導(dǎo)體。

　　一方面，高通量篩選的方法可以在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)對(duì)數(shù)千種可能超導(dǎo)材料組合進(jìn)行過濾，具有自動(dòng)化程度高、可并行、可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，大幅度提升候選高溫超導(dǎo)材料搜索效率，從而指導(dǎo)新型高溫超導(dǎo)體的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究；另一方面，隨著更復(fù)雜的算法帶來更高的準(zhǔn)確性，機(jī)器學(xué)習(xí)為應(yīng)用高質(zhì)量數(shù)據(jù)優(yōu)化探索及決策過程提供了一系列工具方法，現(xiàn)已被應(yīng)用于眾多新興材料的研究與設(shè)計(jì)之中, 包括金屬有機(jī)框架材料、軟物質(zhì)、生物材料、鋰離子電池材料、熱電材料、催化材料、碳材料等。在高溫超導(dǎo)機(jī)理尚不完全明確之際，利用機(jī)器學(xué)習(xí)挖掘材料的微觀性質(zhì)和宏觀性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有望助力科學(xué)家們?cè)谔剿鞒瑢?dǎo)材料更高臨界溫度的道路上取得重大突破。