括射频探测器产业深度调研及未来发展现状趋势

《括射频探测器产业深度调研及未来发展现状趋势》由会员分享，可在线阅读，更多相关《括射频探测器产业深度调研及未来发展现状趋势（17页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、括射频探测器产业深度调研及未来发展现状趋势一、 MRI（磁共振成像仪）MRI是当前超导材料最主要的应用领域，但目前我国人均MRI拥有量与发达国家仍存在较大差距，需求缺口尚存。MRI是一种生物磁自旋成像技术，其对人体不会产生放射性损伤，对肿瘤早期诊断有较高的临床价值，已经广泛运用于全身各部位脏器的疾病诊断中。根据Statista的数据，2019年我国每百万人口MRI拥有量仅约64台，远低于日本的552台和美国的404台，且多个发达国家每百万人口拥有量在10台以上；由于中国人口数量位居世界第一，MRI拥有量缺口较大，国家已明确将磁共振成像设备列为当前优先发展的高技术产业化重点领域之一。MRI设备进

2、口方面，目前我国主要从德国、荷兰等地进口高端MRI设备，进口数量少，但相对货值较高，未来在高端MRI市场的空间广阔。然而在我国对MRI的需求与日俱增的同时，近年来进口MRI的数量却没有呈现同步增长趋势。主要有两方面原因，一方面如GE及Siemens等国际大型医疗设备企业陆续在中国设厂生产，核磁共振设备实现了国内生产；另一方面是国产厂商经过多年经验累积，已开始逐步实现对进口设备的替代。由于国产超导MRI系统具有成本上的优势，我国二、三线城市厂商具有较强的市场竞争能力，预计国产超导MRI市场将进一步扩大，厂商对NbTi超导线材的需求也将稳步增长。二、 产业化的突进根据超导材料的基本特性，其不仅在临

3、界温度下具有零电阻特性，而且在一定的条件下还具备完全抗磁性和宏观量子效应等常规导体所不具备的特性，这些性质使超导体能够实现大电流传输、获得强磁场、实现磁悬浮、检测微弱磁场信号等多种应用，因此其被广泛应用在电子通信、电力能源、交通运输、国防、医疗器械等诸多领域。由于超导材料和技术涉及的领域之，发达国家不惜投入巨资开展前期研究和产业化应用实验。我国在产业政策方面也对超导材料的发展方向做出了相关支持，历年出台的各类新材料行业发展政策推动了超导材料的发展和革新。中国制造2025将超导材料列为前沿颠覆性新材料中需重点发展的项目，十三五国家战略性新兴产业发展规划指出应积极参与国际热核聚变实验堆计划（ITE

4、R），不断完善全超导托卡马克核聚变实验装置等国家重大科技基础设施。由于超导材料的应用不仅能提高电力生产、传输等领域的工作效率，也能对资源的节约起到举足轻重的作用，在这个能源紧缺的时代，超导材料科研技术和生产技术的飞跃势必带来新一轮的能源革命。目前全球超导市场以低温超导为主，国内低温超导材料及应用占超导市场总量的90%以上，高温超导材料仍处于商业化初期。经过数十年的潜心发展，我国已成为国际超导材料和应用技术研发的中坚力量，目前已基本掌握了各种实用化超导材料的制备技术，实现了低温超导材料的商业化生产。低温超导方面，尽管我国在商业化、超导强电和弱电应用技术等方面已基本达到国际先进水平，但由于产学研用

5、结合不紧密、创新链和产业链不完整，导致我国在高端医疗设备、分析仪器、科研装备等超导技术应用方面存在明显差距，相关材料和装备仍然依赖进口。未来低温超导材料产业需着力提升整体研发水平，提高自主创新能力，向世界领先水平迈进。高温超导方面，我国在高温超导材料基础研究和工艺研究方面均已实现一定进展，材料性能已基本满足应用需求，目前正逐渐开始商业化，但和国际水平仍存在着明显的差距，未来高温超导料商业化的核心仍需围绕低成本、大规模批量制备技术。以下章节将对低温超导和高温超导材料各自的产业链、下游应用及发展前景作出梳理和展望。三、 超导材料发展理论超导材料的发展离不开理论的支撑，1933年，德国物理学家迈斯纳

6、（WMeissner）和奥林菲尔德（ROchsenfeld）共同发现了超导体的另一个重要特征完全抗磁性，即当材料处于超导状态时，将完全排斥磁场，超导体内的磁感应强度为零，人们将这种现象称为迈斯纳效应。因此，判断一种材料是否具备超导电性，必须要看其是否同时具备完全导电性和完全抗磁性。随后，巴丁（JBardeen）、库珀（LVCooper）和施里弗（JRSchrieffer）在195K年提出了著名的BCS理论，它把超导现象看作一种宏观量子效应，成功地解释了金属或合金超导体的超导电性微观机理。由于电阻是由电子定向运动时与金属晶格发生碰撞而形成的，而在超导临界温度以下，超导体中的电子通过与晶格振动声子

7、的交换来实现无损耗运动，即没有电阻产生，因此能够实现超导电性。至此，超导体的三大基本特性完全导电性、完全抗磁性和宏观量子效应均已奠定。宏观量子效应是超导电子学的基础，众多科学家及学者根据BCS理论作出了一系列的理论延伸：1）1962年，剑桥大学的约瑟夫森（BJosephson）预言，电子对能够穿过薄绝缘层（量子隧穿），当由薄绝缘层隔开的两块超导体（约瑟夫森结结构）之间有电流通过时，其中并不会出现电压，这一现象被称为约瑟夫森效应。换言之，该现象是一种横跨约瑟夫森结的超电流现象，即超导电流可以在超导体一绝缘体一超导体的结构中产生；2）1968年，美国物理学家麦克米兰根据BCS理论得到超导体临界温度

8、上限的公式，推算出超导体的临界温度一般不太可能超过39K（约-234），39K这个温度也被称为麦克米兰极限。该极限温度曾一度被主流学界所接受，直到1980年代高温超导体的蓬勃发展突破了这个理论极限。四、 MCZ（磁控直拉单晶硅技术）单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）两种，直拉法是目前主要的单晶硅规模化量产技术。MCZ技术是通过磁场对导电硅流体的热对流形成抑制作用，抑制单晶硅生长过程中杂质和缺陷的产生，从而大幅改善晶体完整性、均匀性，可实现高质量大尺寸单晶硅快速生长。其中采用超导磁体提供5000Gs稳定磁场的MCZ技术是目前国际上生300mm以上大尺寸半导体级单晶硅的

9、最主要方法。随着国内半导体工业的迅速发展，中国已成为全球增长速度最快的单晶硅生产和消费国家，其中MCZ产品占总产量的70%-80%，目前国际上300毫米以上大尺寸单晶硅片已成为主流。由于超导材料具有零电阻的特性，采用超导材料制备的超导磁体可以实现无阻载流运行，因此超导磁体和常导磁体相比，其体积和运行成本均大幅度减小，能够降低300mm单晶硅制造20%的能耗、提高30%的成品率。我国目前迫切需要发展满足300mmMCZ单晶硅制备用超导磁体制造技术并实现规模应用，以促进我国单晶硅行业的产业技术升级。从市场规模来看，我国单晶硅业市场规模由2017年的755亿元增长至2020年的3803亿元，年均复合

10、增长率为716%；从需求端来看，我国单晶硅片消费量由2017年的287GW增至2020年为1444GW，年均复合增长率为7156%。由此可见，在近年来半导体产业的驱动下，我国单晶硅市场规模和需求量在未来也将持续保持高速增长，MCZ技术需求市场也将一并扩大。同时，我国正在逐渐减少单晶硅进口依赖程度，单晶硅炉产量大幅上升，为单晶硅生产用MCZ磁体奠定了良好的市场基础，未来市场增量可期。五、 超导材料发展综述人们对超导材料的探究得益于低温物理学的发展，而超导材料的诞生则源于人们对金属电阻与温度之间的关系探索。超导，全称超导电性，是二十世纪最重要的科学发现之一，指的是当某些材料在温度降低到某一临界温度

11、（Tc）时电阻突然消失，电流可以在其间无损耗流动的现象，具备这种特性的材料则被称为超导材料或超导体。超导体的诞生要追溯到二十世纪初，人们在气体理论的指导下不断将各种气体液化，创下了一系列的低温记录，荷兰物理学家昂尼斯（HKOnnes）在1908年成功液化了地球上最后一种顽固气体-氦气，并且获得了接近绝对零度的低温：42K（约-269）。氦作为分子质量最小的稀有气体，是最不活泼的元素之一，也是唯一不能在标准大气压下固化的物质，而液氦的成功获得极大地推进了低温物理学的发展，这也为超导现象的发现埋下了伏笔。1911年，昂尼斯等人用液氦冷却金属汞以研究金属在低温下的电阻行为时发现，汞的电阻并不像预期中

12、随温度降低而逐渐减小，而是在温度降至42K左右（Tc=42K，等同于-26898C）时急剧下降，以至完全消失。这也就是超导体的第一个基本特征完全导电性，指当降低至某一温度以下，电阻突然消失的现象。1913年，昂尼斯因液氦的成功制备和超导现象的发现而获得了当年的诺贝尔物理学奖，并首次以超导一词来表达这一现象，寓意为超级导电。自此以后，人们把处于超导状态的导体称为超导材料，其凭借独特的性能和具有潜力的各项应用而持续地吸引着全球各地众多科学家的不断探索。六、 低温超导材料以铌基超导材料（NbTi和Nb3Sn）为主的低温超导材料具有优良的机械加工性能和超导电性，是目前最主要的实用化超导材料。低温超导产

13、业链主要包括上游原材料、中游超导线材、超导磁体及下游超导设备四个环节：1）在原材料环节，低温超导线材对原材料（钛Ti、铌Nb、锡Sn）有很高的要求，且工艺过程复杂，技术条件严格，由于低温超导线材行业对原材料的消耗量并不大，因此上游原材料对超导线材行业的影响并不明显，超导线材行业的发展主要取决于技术进步；2）在超导线材（NbTi、Nb3Sn超导线）生产环节中，NbTi超导线的上游还包括NbTi棒材环节，由于Nb和Ti的熔点相差较大，且NbTi合金中Nb的含量较多，如果控制不好熔炼技术，易产生不熔块，导致后续细芯丝NbTi线在加工中断裂因此NbTi二元合金棒的制备非常困难，为重点技术加工环节；3）

14、超导磁体是由超导线材绕制而成的能产生强磁场的超导线圈，并包括其运行所必要的低温恒温容器。基于超导材料的特性，超导磁体具有场强高、体积小、重量轻等特性。由于超导材料在超导状态下具有零电阻的特性，因此可以以极小的面积通过巨大的电流；4）下游行业主要为各类超导设备，随着磁共振成像仪（MRI）、磁控直拉单晶硅技术（MCZ）、核磁共振谱仪（NMR）、质子加速器、核聚变实验堆等领域的发展，未来低温超导线材的市场空间巨大。七、 超导磁体行业技术水平特点超导MRI系统现已成为业界公认的高端医学影像设备中皇冠上的明珠，应用基础涉及物理、化学、数学、生物等基础学科的支撑和交叉。MRI设备的发展物理学基础是基于科学

15、家对微观世界和磁场的研究。发展至20世纪中期，MRI被应用于化学物质的鉴定和探索，在医学领域则通过MRI来区分癌变组织和正常组织的不同特性。MRI设备的制造需要技术人员在实操和工艺层面上不断摸索和总结规律，涉及力学、低温、真空、机械、焊接、电子应用等多个工学专业技术，技术实践性强，需要在实操过程中不断试错、总结经验，才能提高制造成功率。在关键的生产流程中，培养熟练的技术工程师来进行生产，例如在射频探测器的调试环节，需要反复调试电感电容的分布，降低寄生参数影响，主要依靠工程师的经验而非统一的标准方法。超导环境要求始终维持在严格的低温42K环境（约为-2688），超导线才会达到零电阻特性，电流通过

16、时不会产生热损耗，可以毫无阻力地在导线中流动，产生超强磁场。通常通过液氦和抽真空的方法来建立低温环境，要求磁体中液氦无挥发以及高密闭性和持续制冷，防止失超现象发生，对制冷系统、磁体骨架的搭建、真空浸渍的效果和严密的焊接工艺等提出挑战。1T以上的磁场强度约为10，000高斯，地球的磁场强度约为05高斯，15T超导磁体场强约为地球磁场的3万倍。在磁体电源的作用下给超导线加以电流，从而建立预订磁场的过程称为励磁。励磁一旦成功，超导线将在不消耗能量的情况下提供强大稳定均匀的磁场。励磁的难度在于高精度大功率的励磁电源以及匀场技术和绕线工艺。强磁场环境中，通电的梯度线圈因受力产生剧烈晃动，形成噪音，是绝大

17、多数超导MRI系统的通病。为减少晃动，在磁体前后两端加入固定装置，尽量抵消掉晃动的力，从而降噪。变化的磁场在其周围的金属体内会产生感应电流，并在金属体内自行闭合，产生涡流，影响磁场均匀性。最常用解决方案就是在主磁体线圈与磁体之间增加一个屏蔽线圈，该线圈的磁场方向和梯度线圈相反，使得合成梯度为零，最终减小涡流情况出现。目前国内的大多数医学影像类超导MRI系统市场份额仍然被GPS占据。国外厂商发展早、技术完备性高、产业链布局广、产品更新迭代快，具备一定的先发优势和客户黏性。国内厂商主要采购核心元部件，依赖上游核心部件厂商，在产业链中的竞争力不强，成本控制能力及议价权受限。在科研领域，超导MRI设备

18、被国外产品垄断的现场更为突出，国内厂商缺乏自制能力，而且产品定制化要求高，更考验厂商的设计能力和服务质量。因为缺乏竞争对手，国外厂商的设备定价长期较高。国内厂商如具备核心部件自制能力，能够通过自身的技术工艺控制成本，从而获取价格竞争优势。因此，高端医疗器械的性价比是衡量竞争力的关键指标，该指标同样适用于逻辑中的科研仪器和设备。从需求端来看，该行业的客户资源主要分为两种类型：处在产业链中下游的系统集成商，由于该行业的科技属性较强、壁垒较高，行业内玩家数量较少，能够获得类医疗器械注册证的企业数量有限，因此和拥有注册证的系统集成商建立良好稳固合作关系，可保证产品订单量。处在产业链需求端的终端客户，包

19、括医院、高校和科研机构等。和优质客户建立并保持合作关系，有利于在行业内建立市场知名度，有利于拓展新的客户资源。八、 超导体更高的临界温度按照超导体的临界温度，可以将超导体分为低温超导和高温超导材料：Tc25K的超导材料称为C温超导材料，目前已实现商业化的包括NbTi（铌钛，Tc=95K）和Nb3Sn（铌三锡，Tc=18k）。由于NbTi和Nb3Sn具有优良的机械加工性能和成本优势，其制备技术与工艺已经相当成熟。目前低温超导的下游应用主要包括加速器磁体、核聚变工程用超导磁体、核磁共振磁体、通用超导磁体等，基于低温超导材料的应用装置一般工作在液氦温度（约42K）。在相当长的时期内，低温超导材料仍将

20、是最主要的超导产业支柱性材料；Tc25K的超导材料为高温超导材料，具备实用价值的主要包括铋系（例如Bi-Sr-Ca-Cu-O，BSCCO，Tc=110K）、钇系（例如Y-Ba-Cu-O，YBCO，Tc=92K）和MgB2超导材料（Tc=39K）、铁基超导材料等。其中铋系和钇系高温超导材料于氧化物陶瓷，在制造工艺上须克服加工脆性、氧含量的精确控制及与基体反应等问题，因此生产成本较高，目前尚处于商业化初期阶段。目前高温超导的下游终端应用主要包括超导电缆、超导电机、超导变压器、超导滤器等，基于高温超导材料的应用装置一般工作在液氢温度（约20K）至液氮温度（约77K）之间。自超导现象被发现后的75年时

21、间里，超导临界温度的提升进程十分缓慢，超导临界转变温度仅仅被提高到232K左右，且基本都由单元素金属和多元合金实现，这段时间内所发现的超导体均为低温超导体。直到人们对铜氧化物超导体和铁基超导体的科研进展实现实质性突破，高温超导体才得以开启高速发展的征程。1986年，瑞士科学家缪勒和柏诺兹在研究氧化物导电陶瓷材料LaBaCuO时发现其在30K以下具备超导迹象。随后，多国科学家争相对氧化物高温超导体进行研究，一举打破了氧化物陶瓷材料只能是绝缘体的传统观念，超导材料的Tc自1986年开始获得了大幅提升。铁基超导体研究的突破口则发生在2008年，日本东京工业大学的科学家细野秀雄教授的团队发现掺杂氟元素

22、的LaFeAsO材料中存在26K临界温度的超导电性，这一发现掀起了铁基高温超导体的研究热潮。得益于经验的积累和稀土资源优势，中国科学家在得知消息的第一时间里认识到了该系统的重要性，并迅速合成了该类材料以开展物性研究。随后，中国团队采用稀土元素替代和高压合成方法获得了一系列的高质量超导体样品，并在常压下测量得到40K以上的超导电性，突破了麦克米兰极限，经优化合成方式之后获得了55K的高临界温度世界纪录，在国际上引起了极大的轰动，掀起了科学界对高温超导体的研究热潮。九、 中国超导行业业务发展情况业务竞争格局方面，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

23、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

24、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30T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15T、3T超导MRI的商业化生产。超导磁体行业分析表示，超导材料是国家科技创新规划中新材料领域重点发展的前沿材料之一，在能源、医疗、交通、国防工业等领域都有广阔的应用前景，但因为其使用条件苛刻、成本高，技术难度大，因此商业化应用速度较慢。目前全球超导市场以低温超导材料为主。除ITER项目外，超导技术在民用领域应用较为广泛，主要包括MRI（核磁共振）、MCZ（用于半导体单晶硅）、大科学工程（CFETR、重离子

25、加速器）等领域。随着全球超导技术的不断研发，以及超导在各个领域的应用规模不断扩大，全球超导行业已然进入火热年代。其中，超导材料是超导应用的基础，所以是最先产业化的部分，也是未来最具确定性的领域。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。目前全球的超导行业以低温超导为主，2018年其市场规模为5881亿欧元，市场份额高达9561%;而高温超导材料的市场规模为27亿欧元，市场份额仅为439%，但其增长速度较为迅速。从低温超导产业市场参与者来看，与低温超导产业链相关的生产企业来自包括超导锭棒、超导线材、超导磁体和超导设备领域。从全球来看，部分企业专注于单一领域的研发生产，

26、例如美国ATI公司;而另一部分企业则是横跨多个领域，如英国Oxford公司等。目前，全球仅有少数几家企业掌握低温超导线生产技术，主要分布在英国、德国、日本和中国。值得注意的是，中国企业西部超导的业务涉及NbTi锭棒和线材、Nb3Sn线材（包括青铜法和内锡法）和超导磁体的生产，是全球唯一的铌钛（NbTi）锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业。未来一段时间，医用超导磁体仍将是市场研究热点，同时也是市场需求热点，需求量将不断增加。超导磁体行业技术研究将主要集中在两个方面：一是运用智能技术等新技术，提高超导磁体产品的科技含量;二是加大医疗领域30T及更高端的超导磁体研究，推动医疗行业转型升级。今后

27、，中国超导材料及其应用领域应进一步加强超导材料及其应用装置的制备工艺研究，不断探索更高临界温度的超导体，并加强与超导技术应用密切相关的低温制冷技术和低温系统的研究，以进一步全面提升中国的超导材料及其应用技术的发展水平。十、 超导体的发展历史回顾超导体的发展历史，超导研究对象逐步由简单金属到合金，再到复杂的化合物、有机物，超导临界温度也在过去的一个多世纪里逐渐提升。目前发现的超导材料主要包括：各类金属及合金超导体、铜氧化物超导体、重费米子超导体、有机超导体、铁基超导体及其他氧化物超导体等。下图展示了自超导现象问世以来发现的一些典型的超导体及其晶体结构，横轴为发现的年代，纵轴为超导临界温度Tc。寻

28、找能大规模应用的室温超导体是当今超导研究人员的心之所向。超导体的应用解决了输电过程中造成的热损耗，具备着常规金属材料无法企及的性能。由于超导体往往需要在非常低的环境温度中应用（低于其超导临界温度），而低温环境往往需要依赖于液氦或其他设备来维持，这极大地增加了超导材料的应用和维护成本，导致具备如此颠覆性的材料无法在低成本下被大规模应用。因此，寻找具备更高临界温度的超导体是解决超导材料应用的关键，而研发出室温超导体成为了超导领域研发人员的不懈追求。2020年，迪亚斯在实验室将氢、碳和硫元素，在金刚石压腔中通过光化学合成简单的碳质硫氢化物（CSH），并将其超导临界温度提升至15，这是人类第一次观察到室温超导体，具有里程碑式的意义。但在金刚石压腔中观察到的超导现象被重重极端条件所限制：1）该现象的环境压力为2670亿帕，相当于标准胎压的100万倍；2）产生超导现象的材料数量极其微量，并无法产生实际的应用。因此，下一个科研目标则是争取找到在较低压力下制造室温超导体的方法，以实现大批量生产。若常温超导能够得到规模化应用，必将带来一场全新的能源革命，人类将步入崭新的超导时代。