超導(dǎo)MRI系統(tǒng)硬件行業(yè)投資潛力及發(fā)展前景

超導(dǎo)MRI系統(tǒng)硬件行業(yè)投資潛力及發(fā)展前景

低溫超導(dǎo)材料以鈮基超導(dǎo)材料（NbTi和Nb3Sn）為主的低溫超導(dǎo)材料具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能和超導(dǎo)電性，是目前最主要的實(shí)用化超導(dǎo)材料。低溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游原材料、中游超導(dǎo)線材、超導(dǎo)磁體及下游超導(dǎo)設(shè)備四個環(huán)節(jié)：1）在原材料環(huán)節(jié)，低溫超導(dǎo)線材對原材料（鈦Ti、鈮Nb、錫Sn）有很高的要求，且工藝過程復(fù)雜，技術(shù)條件嚴(yán)格，由于低溫超導(dǎo)線材行業(yè)對原材料的消耗量并不大，因此上游原材料對超導(dǎo)線材行業(yè)的影響并不明顯，超導(dǎo)線材行業(yè)的發(fā)展主要取決于技術(shù)進(jìn)步；2）在超導(dǎo)線材（NbTi、Nb3Sn超導(dǎo)線）生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，NbTi超導(dǎo)線的上游還包括NbTi棒材環(huán)節(jié)，由于Nb和Ti的熔點(diǎn)相差較大，且NbTi合金中Nb的含量較多，如果控制不好熔煉技術(shù)，易產(chǎn)生不熔塊，導(dǎo)致后續(xù)細(xì)芯絲NbTi線在加工中斷裂因此NbTi二元合金棒的制備非常困難，為重點(diǎn)技術(shù)加工環(huán)節(jié)；3）超導(dǎo)磁體是由超導(dǎo)線材繞制而成的能產(chǎn)生強(qiáng)磁場的超導(dǎo)線圈，并包括其運(yùn)行所必要的低溫恒溫容器?；诔瑢?dǎo)材料的特性，超導(dǎo)磁體具有場強(qiáng)高、體積小、重量輕等特性。由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻的特性，因此可以以極小的面積通過巨大的電流；4）下游行業(yè)主要為各類超導(dǎo)設(shè)備，隨著磁共振成像儀（MRI）、磁控直拉單晶硅技術(shù)（MCZ）、核磁共振譜儀（NMR）、質(zhì)子加速器、核聚變實(shí)驗(yàn)堆等領(lǐng)域的發(fā)展，未來低溫超導(dǎo)線材的市場空間巨大。中國超導(dǎo)行業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展情況業(yè)務(wù)競爭格局方面，各家公司涉足低溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈領(lǐng)域均不相同。與低溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的領(lǐng)域包括NbTi錠棒和線材、Nb3Ti線材、超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)設(shè)備。全球各家公司所涉足的領(lǐng)域均有不同，僅有少數(shù)幾家公司掌握低溫超導(dǎo)線材的生產(chǎn)技術(shù)，分布在英德日中等國家。在NbTi錠棒領(lǐng)域，國內(nèi)僅有西部超導(dǎo)掌握相關(guān)技術(shù)，西部超導(dǎo)NbTi合金鑄錠、棒材的工程化制備相關(guān)技術(shù)獲授權(quán)專利6項(xiàng)，相關(guān)技術(shù)成果獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)且成功應(yīng)用于ITER項(xiàng)目及MRI超導(dǎo)線材制備任務(wù)。在超導(dǎo)線材領(lǐng)域，西部超導(dǎo)采用青銅法和內(nèi)錫法兩種方法生產(chǎn)Nb3Sn線材，其他公司目前還未進(jìn)行布局。在超導(dǎo)磁體領(lǐng)域，有多家企業(yè)擁有制備能力，國內(nèi)主要有寧波健信、西部超導(dǎo)和濰坊新力，成都奧泰擁有自由的超導(dǎo)磁體工廠，但所生產(chǎn)產(chǎn)品不對外出售。在超導(dǎo)設(shè)備領(lǐng)域，目前高端超導(dǎo)MRI市場被GE、PHILIPS、SIEMENS三家國外公司壟斷，主流產(chǎn)品以3．0T為主，而SIEMENS已經(jīng)開始量產(chǎn)7T產(chǎn)品。國內(nèi)成都奧泰、蘇州安科等多家企業(yè)目前已實(shí)現(xiàn)1．5T、3T超導(dǎo)MRI的商業(yè)化生產(chǎn)。超導(dǎo)磁體行業(yè)分析表示，超導(dǎo)材料是國家科技創(chuàng)新規(guī)劃中新材料領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的前沿材料之一，在能源、醫(yī)療、交通、國防工業(yè)等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景，但因?yàn)槠涫褂脳l件苛刻、成本高，技術(shù)難度大，因此商業(yè)化應(yīng)用速度較慢。目前全球超導(dǎo)市場以低溫超導(dǎo)材料為主。除ITER項(xiàng)目外，超導(dǎo)技術(shù)在民用領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，主要包括MRI（核磁共振）、MCZ（用于半導(dǎo)體單晶硅）、大科學(xué)工程（CFETR、重離子加速器）等領(lǐng)域。隨著全球超導(dǎo)技術(shù)的不斷研發(fā)，以及超導(dǎo)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，全球超導(dǎo)行業(yè)已然進(jìn)入火熱年代。其中，超導(dǎo)材料是超導(dǎo)應(yīng)用的基礎(chǔ)，所以是最先產(chǎn)業(yè)化的部分，也是未來最具確定性的領(lǐng)域。超導(dǎo)材料根據(jù)臨界轉(zhuǎn)變溫度的不同可以劃分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)體材料。目前全球的超導(dǎo)行業(yè)以低溫超導(dǎo)為主，2018年其市場規(guī)模為58．81億歐元，市場份額高達(dá)95．61%;而高溫超導(dǎo)材料的市場規(guī)模為2．7億歐元，市場份額僅為4．39%，但其增長速度較為迅速。從低溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)市場參與者來看，與低溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)來自包括超導(dǎo)錠棒、超導(dǎo)線材、超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)設(shè)備領(lǐng)域。從全球來看，部分企業(yè)專注于單一領(lǐng)域的研發(fā)生產(chǎn)，例如美國ATI公司;而另一部分企業(yè)則是橫跨多個領(lǐng)域，如英國Oxford公司等。目前，全球僅有少數(shù)幾家企業(yè)掌握低溫超導(dǎo)線生產(chǎn)技術(shù)，主要分布在英國、德國、日本和中國。值得注意的是，中國企業(yè)西部超導(dǎo)的業(yè)務(wù)涉及NbTi錠棒和線材、Nb3Sn線材（包括青銅法和內(nèi)錫法）和超導(dǎo)磁體的生產(chǎn)，是全球唯一的鈮鈦（NbTi）錠棒、超導(dǎo)線材、超導(dǎo)磁體的全流程生產(chǎn)企業(yè)。未來一段時間，醫(yī)用超導(dǎo)磁體仍將是市場研究熱點(diǎn)，同時也是市場需求熱點(diǎn)，需求量將不斷增加。超導(dǎo)磁體行業(yè)技術(shù)研究將主要集中在兩個方面：一是運(yùn)用智能技術(shù)等新技術(shù)，提高超導(dǎo)磁體產(chǎn)品的科技含量;二是加大醫(yī)療領(lǐng)域3．0T及更高端的超導(dǎo)磁體研究，推動醫(yī)療行業(yè)轉(zhuǎn)型升級。今后，中國超導(dǎo)材料及其應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)超導(dǎo)材料及其應(yīng)用裝置的制備工藝研究，不斷探索更高臨界溫度的超導(dǎo)體，并加強(qiáng)與超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用密切相關(guān)的低溫制冷技術(shù)和低溫系統(tǒng)的研究，以進(jìn)一步全面提升中國的超導(dǎo)材料及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展水平。超導(dǎo)材料發(fā)展綜述人們對超導(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）時電阻突然消失，電流可以在其間無損耗流動的現(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，人們在氣體理論的指導(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）時急劇下降，以至完全消失。這也就是超導(dǎo)體的第一個基本特征完全導(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，并首次以超導(dǎo)一詞來表達(dá)這一現(xiàn)象，寓意為超級導(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。產(chǎn)業(yè)化的突進(jìn)根據(jù)超導(dǎo)材料的基本特性，其不僅在臨界溫度下具有零電阻特性，而且在一定的條件下還具備完全抗磁性和宏觀量子效應(yīng)等常規(guī)導(dǎo)體所不具備的特性，這些性質(zhì)使超導(dǎo)體能夠?qū)崿F(xiàn)大電流傳輸、獲得強(qiáng)磁場、實(shí)現(xiàn)磁懸浮、檢測微弱磁場信號等多種應(yīng)用，因此其被廣泛應(yīng)用在電子通信、電力能源、交通運(yùn)輸、國防、醫(yī)療器械等諸多領(lǐng)域。由于超導(dǎo)材料和技術(shù)涉及的領(lǐng)域之，發(fā)達(dá)國家不惜投入巨資開展前期研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。我國在產(chǎn)業(yè)政策方面也對超導(dǎo)材料的發(fā)展方向做出了相關(guān)支持，歷年出臺的各類新材料行業(yè)發(fā)展政策推動了超導(dǎo)材料的發(fā)展和革新?！吨袊圃?025》將超導(dǎo)材料列為前沿顛覆性新材料中需重點(diǎn)發(fā)展的項(xiàng)目，《十三五國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出應(yīng)積極參與國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃（ITER），不斷完善全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置等國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。由于超導(dǎo)材料的應(yīng)用不僅能提高電力生產(chǎn)、傳輸?shù)阮I(lǐng)域的工作效率，也能對資源的節(jié)約起到舉足輕重的作用，在這個能源緊缺的時代，超導(dǎo)材料科研技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的飛躍勢必帶來新一輪的能源革命。目前全球超導(dǎo)市場以低溫超導(dǎo)為主，國內(nèi)低溫超導(dǎo)材料及應(yīng)用占超導(dǎo)市場總量的90%以上，高溫超導(dǎo)材料仍處于商業(yè)化初期。經(jīng)過數(shù)十年的潛心發(fā)展，我國已成為國際超導(dǎo)材料和應(yīng)用技術(shù)研發(fā)的中堅(jiān)力量，目前已基本掌握了各種實(shí)用化超導(dǎo)材料的制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低溫超導(dǎo)材料的商業(yè)化生產(chǎn)。低溫超導(dǎo)方面，盡管我國在商業(yè)化、超導(dǎo)強(qiáng)電和弱電應(yīng)用技術(shù)等方面已基本達(dá)到國際先進(jìn)水平，但由于產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合不緊密、創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈不完整，導(dǎo)致我國在高端醫(yī)療設(shè)備、分析儀器、科研裝備等超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用方面存在明顯差距，相關(guān)材料和裝備仍然依賴進(jìn)口。未來低溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)需著力提升整體研發(fā)水平，提高自主創(chuàng)新能力，向世界領(lǐng)先水平邁進(jìn)。高溫超導(dǎo)方面，我國在高溫超導(dǎo)材料基礎(chǔ)研究和工藝研究方面均已實(shí)現(xiàn)一定進(jìn)展，材料性能已基本滿足應(yīng)用需求，目前正逐漸開始商業(yè)化，但和國際水平仍存在著明顯的差距，未來高溫超導(dǎo)料商業(yè)化的核心仍需圍繞低成本、大規(guī)模批量制備技術(shù)。以下章節(jié)將對低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)材料各自的產(chǎn)業(yè)鏈、下游應(yīng)用及發(fā)展前景作出梳理和展望。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)體的另一個重要特征完全抗磁性，即當(dāng)材料處于超導(dǎo)狀態(tài)時，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具備完全導(dǎo)電性和完全抗磁性。隨后，巴?。↗．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)動時與金屬晶格發(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聲子的交換來實(shí)現(xiàn)無損耗運(yùn)動，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，其中并不會出現(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)展突破了這個理論極限。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)時代。超導(dǎo)磁體行業(yè)發(fā)展歷程1944年，美國科學(xué)家Rabi發(fā)明了研究氣態(tài)原子核磁性的共振方法，從而獲得當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎，被譽(yù)為MRI的理論奠基人。在之后半個世紀(jì)的發(fā)展過程中，總共有5位（組）科學(xué)家因MRI的關(guān)鍵技術(shù)獲得諾貝爾獎，逐漸推動理論與實(shí)踐結(jié)合。1973年，紐約州立大學(xué)的RaymondDamadian教授用NMR設(shè)備得到第一幅原始的NMR像；1980年，Raymond制造出了第一臺商業(yè)MRI掃描儀。四年后，美國FDA批準(zhǔn)醫(yī)用MRI設(shè)備用于臨床。醫(yī)用MRI設(shè)備市場在美國迅速發(fā)展，逐漸成為醫(yī)學(xué)影像技術(shù)中不可或缺的重要診療手段，GPS等全球各大知名醫(yī)療器械企業(yè)布局該賽道。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)動角增大。當(dāng)射頻電波停止后，質(zhì)子又會逐漸恢復(fù)到原來的狀態(tài)，并同時釋放與激勵波頻率相同的射頻信號。MRI便是利用這一原理，在主磁場中附加一個脈沖梯度磁場，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，最后在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行傅立葉變換，對這些信