doc国外超导产业发展现状与展望

1、国外超导产业发展现状与展望国外超导产业发展现状与展望文翠兰超导研究在实验室的重大突破,把超导体提到了显赫地位,成了1987年的超级科技明星.人们如此关心超导研究,是由于超导体作为下一代工业材料有着广阔的应用前景.一旦超导材料取得突破,对工业和技术进步将会带来重大影响.首先会引起列车和重型电机等大型机械的革命,其次是给核聚变和全球电力网等能源领域带来新的应用可能性,进而将使粒子加速器等阐明物质基本性质的实验装置取得飞跃发展,还将使计算机以前所未有的速度进行运算.人们预料,直到90年代,超导体将是技术革新的主角.但是由新材料所带来的一些工程问题目前还不能解决,其真正应用还是lo一2o年以后的事.因

2、此,我们不能忽略已成为新兴工业支柱的(低温)超导产业.目前低温超导体(主要是铌系)仍存在发展余地.据一家商业和市场计划公司一一战略分析公司提出,1987年全美超导产业的收入为3亿美元.该公司预计,1988年超导市场将保持在这一水平上,如果没有意想不到的技术上的突破,2oo5年可望增加到3o亿美元,其平均增长率为10%,这一增长率在高技术产业中居中等水平.但就目前的超导体市场对所涉及的世界各国有竞争力的公司来说,也显示了相当大的潜力.然而,用铌合金制造的超导体只有岭却到液氦温度下才能工作,这就需要昂贵的冷却设备,因而除诸如核磁共振成像仪和一些国防和工业用的一1一电子设备这样一些特殊用途之外,这项

3、技术的成本还太高.因而人们对高温超导体寄予很大希望.如美国政府和工业界对超导研究资助1.5亿美元,国防部资助1.5亿美元(分3年付款),私人风险资本对新超导体公司投资到年底也达到1.5亿美元.美国风险投资除向铌系超导体公司投资2500万美元外,还筹集了同样数额的资金以建立一家陶瓷超导体公司.而且又成立了四家生产超导线材和超导薄膜的公司.因而在美国已形成一个开发具有超导特性的陶甍氧化物谷.在日本,日本五省厅对超导研究的经费1988年猛增至90亿日元,比上一年不足3o亿日元一下子增加近3倍.而经费的重点是对多种应用的研究开发.如1988年正式开始的超导电力应用技术课题,1987年的预算要求仅为i亿

4、日元,而到1988年确定为l6.5亿日元.现在不仅原有的超导产业在继续发展,而且市场上还出现了陶瓷超导体的产品.不过近期内,超导体产业将集中在如下几个领域:一,超导磁体1.超导核磁共振成像仪核磁共振现象自1945年发现后,主要用于研究高分子材料的结构特性.1972年美国提出将核磁共振用于人体结构分析及成像原理.目前核磁共振成像仪已用于临床早期检测肿瘤(分辩率达1.5毫米),早期检测心血管的发病预兆,因而受到医务界和整个社会的普遍关注,其社会效益显然是巨大的.现在超导核磁共振成像仪已成为超导技术的一项主要应用.每年销售200至300多台.19,86年核磁共振成像仪用磁体的销售额达1.5亿美元,是

5、一个可靠的工业基础.国际磁学总公司(igc)董事长预计,到1990年,医用磁体的销售额将上升到8.5亿美元.因此,各国均投入较大的一2一财力和人力从事研制与生产,形成了剧烈的竞争局面.表l列出了国外核磁共振成像设备的生产和研制概况.表1国外核磁共振成像设备生产与研制概况国别研制单位研制内容磁体内径全身(米)局部(米)备注国际磁体总公司整机10.25投资1亿美元美t通用电气公司整.机坦克尼卡公司整机国福纳公司整机ga技术公司磁体系统生产永磁英牛津一爱效公司磁体系统1国牛津仪器公司磁体系统10.4西西门子公司整机1德白尔克公司整机10.3日本东芝公司整机法国赛克莱核中心磁体1荷兰菲利浦公司,整机1

6、当前核磁共振成像仪市场的主要供应商是西门子公奇和美国国际磁学总公司及通用电气公司,这些仪器用铌系磁体的一半来自牛津仪器公司,其它主要供应商有国际磁体总公司和ga技术公司.2.超导磁分离技术常用超导磁分离技术在工业上己用于扁岭土的提纯,贫铁矿的富集和钢厂废水净化等方面.但.由于常规磁体磁场的限制(?般在2特斯拉以下),难以分选微米级颗粒和磁化系数较小的物质,其使用范围受到一定限制.近lo年来各国对能获得扁磁场强度和大工作口径的超导磁分离技术开展了大量研究.表2列出了国外超导磁分离技_术研究概况.目前英国己达到商品化水平.西德己进入工业研制阶段.美国erie磁体公司在ga技术公司和低温咨询公司的帮

7、助下,己将价值200万美元一3一的超导磁分离样机售与jmh公司.后者将用此分离样机去除扁岭土中的杂质.其产品的液氦冷却系统由计算机控制,故它们声称,这种系统不需要专业技术人员操作,从而显示了铌系超导体在标准工业设备中的应用前景.表2国外超导磁分离技术研究概况国别研制单位用途磁休规模(厘米)磁场强度内径外径高度(特斯拉)磁体公司高岭土的提纯12.720.8615一l0美麻省理工学院国国家磁体实验室分选铜矿,铬10191.8矿选矿英粘土公司高岭土提纯,1.38036国低温咨询公司选矿,煤的脱硫33.5it本电子综合技术研究所钢厂废水净化7248_西卡尔斯鲁厄桉研究中心选矿12o2403.2德k/-

8、/.d公司法赛克莱核中心选矿,红血球16.825.7b07国地质局的分离fj5小型超导磁体.美国国际磁体总公司和英国牛津仪器公司是这个市场的主要供应商.但涉足这个领域的还有ga技术公司.美国磁体公司和英国低温咨询-公司.一1987年与供实验室使用的定制的小型铌系磁体有关的公司投资1000万美元,研究的目的是发现磁体的新用途及改进现有的使用状况.其中较有希望的新用途包括:x?射线光刻术这是一种处在实验阶段但比现有成熟技术更精密的计算机芯片的制造方法.超导磁体控制制造显微线路和强x射线柬.牛津仪器公司三年内要为国际商业机器公司制造价值为1500万美元的一4一这种设备的样机.高质医用成像仪至今,超导

9、体在医用成像设备中的应用已很广泛,如果能产生较强的磁体,则这些设备就会有更好的效果.西门子公司制造了强度超过现用磁体两倍的实验用磁体牛津仪器公司也正在制造类似的磁体.在小型磁体市场上,有11家公司参与竞争.它们是美国的eriez磁体公司,美国磁体公司,ga技术公司,国际磁体总公司;英国低温咨询公司,牛津仪器公司;西德西门子公司;瑞典的asea-browboveri公司;日本的住友电气工业公司,东芝公司及日立公司.4.能源系统用大型磁体.超导储能是超导磁体的又一大应用.因为超导磁体可获得高电流密度和磁通密度,从而达到极高的能量密度.超导储能用于电力系统实践中还存在诸如巨大的电动力和结构支撑等一系

10、列技术问题迄今日,美已对16百万千瓦小时(gwh)规模的系统进行了初步设计,并对有关技术的可行性,经济性作了评价.但是,这样规模的能量储存,与迄今已制造的lct线圈及泡箱用线圈相比,相差104倍.因此,对这方面的开发应长期慎重对待.表3列出了国外超导电力储能的研究概况.表5国外超导电力储睡的研究概况国别研究单位储船千焦耳参数备注洛斯?阿麒斯30000r直径4米,高1米威斯康辛大学30900彖范性1990年完成美国威斯康辛大学1980000线圈置于地下直设计方寨径150米苏联科院高温所,.1,0.法国电力公司1008000设计蓝图一0一常规发电机的转子部分用超导绕圈替代就形成超导同步发电机.超导

11、发电机不仅损耗低,效率高,而且还能提高电力系统的稳定程度,并可逐渐引入已有的电力系统,在l00万千瓦级以下的规模内具有极佳的经济性.况且超导发电机用的线材是要在高速旋转,强磁场的条件下使用,因此能研制出超导发电机可用的线材,也可用于其它能量系统的各个领域.鉴于这些优点,国际上公认超导同步发电机是未来电站的主力,井争相开尼研制工作.如苏联在成功地翩造3o万千瓦的超导发电机后,准备在一两年后把它装入火力发电站的输电系统.现又计划试制120万千瓦的超导发电机.日本干1987年10月成立超导发电系统技术研究联合体,主要目标是研究开发超导发电机和超导材料,近期内试制7万千茛级超导发电机样机及运行论证实验

12、,并对20万千瓦级超导发电机中试机进行初步设计.?.最近日本佐贺大学牟田一弥教授领导的研究小组在世界上首次制成实验用全超导发电机他们用nb_.ti超导线材作电枢,转子.迄今人们研制的目标还只是用超导线材制造转子,既电枢用的超导线材尚未,考虑.该研究小组则成功地制造了超导线材的电枢,其费用仅为20万日元.表4列出了国外超导同步发电机的研制概况不过作为电网运行的超导发电机,要求相当高的运行可靠性.因此,它的商品实用化需要工业样机在电网上作长期考验.?据最近一位工业技术专家分析,作为储存电能用的大型铌系磁体在近期内很有希望得到大规模应用.因为这将为公用电业公司提供高峰期储电的方法.1986年,贝启尔

13、公司,ga技术公司和通用动力公司同洛斯阿拉莫斯及利弗莫尔劳伦斯实验室共同合作,论证了这种装置的可行性.虽然目前还末打开市场,但预计到1997年,其市售额可增长至500o万到l亿美元.预计通用动力公司将在这一领域处于领先地位一6一大型磁体的市场可能在今年就会出现动荡.国际磁体总公司和通用动力公司已制造了超级对撞机用的试验体.超级对撞机将需要近10000个磁体,从而使公司每年可增加收入3亿美元.战略防御倡议用的电力储存系统正发展为另一新的应用市场.ca技术公司是一个主要参与者,他们在得州大学已建成了一套大功率磁线圈,以供空军支持的高压单极发电机项目的储能和快速释放电能使用.贝启尔国际公司最近已签订

14、一项合同,为国防核子局建造一套相当大型的超导储能装置.表4国外超导同步发电机的研制概况容量i国别研制单位完戚日期备注(千瓦)麻省理工学院451969世界第一台西屋电气公司5ooo1976美西屋电气公司100001977通用电气公司2oooo1981国麻省理工学院1oooo1982西屋电气公司3ooooo1985列宁格勒工学院2oooo1980苏列宁格勒电力工厂3ooooo1986联.12oooo计划中西西门子公司,100000,研制中德西门子公司1oooooo设计.法国阿尔斯通姆公司3ooooo19g3|f英国国际研究发展公司1120000.三菱电器公司.62:5o1976日三菱一富士电气公词

15、3000019b1日立公司5oooo1981本超导发电设备开发联台体7000o19952000007一二,超导器件1987年,超导体在电子产品市场的销售额约为4000万美元,注意力集中在约瑟夫逊结上.自1962年发现约瑟夫逊效应后,直流超导量子器件和射频超导量子器件相继于1964年和1967年问世.由于超导量子干涉器件(squid)构成的测量仪器具有很高的磁场灵敏度,很大的动态范围,良好的频率响应特性所以有广泛的用途实用的超导量子干涉器件首先在美国研制成功,并于1973年正式有商品出售.嗣后,英国,日本,芬兰的几家大公司也出售超导量子干涉器件产品.至今各公司已向用户提供了500多套超导量子干涉

16、器件的测量系统.目前超导电子器件方面约有l6家公司进行竞争.美hypres公司是世界上第一家提供基于约瑟夫逊线路产品的公司,已出售实验室测试用的示波器,与同类仪器相比,它的速度快5倍.灵敏度高50倍.这一革新使hypres公司处于市场上其他竞争对手的前列,并已投资1250万美元用于开发铌系电子器件.现在hypres公司还拥有国际商业机器公司的约瑟夫逊许可权正在寻找其他用途.生物磁技术公司已开发利用医学图象测定大脑神经产生的弱磁场的新方法,可准确测定引起癫痛的大脑细胞,有希望用于早期诊断诸如阿尔察默病和帕金森病.美国食品和药物管理局最近批准生产供医院用作研究的神经磁强计,致使生物磁技术公司放弃了

17、其它所有的工作,集中力量搞神经磁学的研究开发.神经磁强计价值8.25-13万美元.量子设计公司正向大学和研究实验室推销磁性测定装置,这些产品很受欢迎,该公司已有了16个月的订单储备.更有希望的是基于磁性测定装置的锈蚀检测器.它可检测张腐蚀金属发生化学反应所产生的磁场,对诸如依赖于广大管道网络的石油生产商一类的公司具有很大的诱一窖一惑力.目前该公司正致力于实验室及工业用两种类型设备的研究.几乎所有使用超导律的电子仪器都涉及到超导量子干涉器件.例如,国防部的电子器件主要从trwt司,西屋电气公司和通用电气公司购买超导量子干涉器件.海军正研究把超导量子干涉器件作为潜艇探测器,这类设备正被用于战略防御

18、倡议的分计划terahertz倡议,目的是开发雷达和通讯设备利用约瑟夫逊效应所设计的技术.不过这项工作一般需要作400万美元的预算安排.三,高温超导体的应用研究_1988年,高温超导体研究进入了一个新的阶段,世界上的超导专家正在更扎实地研究新超导体的实用问题.虽然目前市场上还没有高温超导体的地位,但其市场潜力却是相当大的.据美国商业信息公司预计,到本世纪末,高温超导体的市场规模将为目前超导产业的三倍,即达17.8亿美元增长潜力最大的是微电子应用领域,将由目前的6.5万美元增至2000年的7.5亿美元.又据日本日经产业研究所发表的一项调查结果表明,在高温超导材料研制成功后,其生产额可望达到1.5

19、5亿日元.按分类计算,运输和工业机器以及电子领域的生产额占总生产额的80%左右.尽管很多公司对高温超导材料在工业中的应用寄以厚望,但都面临两大难题;陶瓷材料太脆,难以加工;不能通过大容量电流,而这是产生强磁场的关键.目前这方面的基础研究由于耗资巨大,主要限于几家大公司,如国际商业机器公司,美国电话电报公司贝尔实验室,杜邦公司及日本电报电话公司等.在纬合研究陶瓷超导材料在各方面应用的可行性之后,科学家们认为,陶瓷超导材料在近期内将首先用于微电子领域.这是由于用新超导9材料制成薄膜的技术较成熟,陶瓷涂层工艺比较简单.美国电话电报公司贝尔实验室已证实可用激光沉积制取薄膜,并己将此项技术申请专利.目前

20、仅有ceres公司的薄膜作为商品在市场上出售,它的高温超导薄膜已经销售到世界上3o一35家用户.目前,美国国际商业机器公司,美国电话电报公司贝尔实验室,松下电器公司,日本电报电话公司和能源转换装置公司等己经采用陶瓷涂层在实验室制成超导量子干涉器件,但仍存在很多技术问题.微电子和计算机技术(mcc)公司正组织一个由20家公司组成的联合体以支持超导电子学的研究,并制订了两阶段的高温超导研究计划,任何美国人控制的公司只要支付12.5万美元,都可参加这个计划,最后分享成果.参加这一计划的电子行业的公司还有高级微器件公司,联合信号公司,贝尔通信研究所,柯达公司,波音公司,通用电气公司,3m公司,莫洛托拉

21、公司,国家半导体公可,国家无线电公司等1987年10月,在加州成立了专门研究与制造电子器件的公司.联邦德国科隆的利博尔德公司和亚琛工大公司紧密合作从事高温超导研究,其产品有超导粉末和高速电子器件用的超导薄膜,并已研制成功一台新的等离子体喷涂设备,1988年初投产,还制造了生产钇钡铜氧化合物超导体的啦晶设备.一在高温超导薄膜制造工艺和薄膜性能改进方面,本走在世界的前列.日本的电报电话公司己获得载流能力为1.81安/厘米的高温超导薄膜.日本钢管公司采用等离子喷涂技术可高速制造薄膜,生长速度达100微米/分,是一般溅射法的1o00倍,但载流能力低.一超导陶瓷在电子领域的另一应用是电子屏蔽,美国电动力

22、公司正在研制可对计算机进行电子屏蔽的涂层.该公司正在为eta系统公司的eta-10型超级计算机研制超导陶瓷电子屏蔽涂层.此计算机己使用液-一-.-10氮冷却的电路,为陶瓷超导涂层刨造了良好的环境.由于这种合作,屏蔽涂层可望成为新陶瓷超导材料中最早的商业化产品.在线材和带材方面,很多公司都在攻克选一难题.这些公司有美国新成立的arch开发公司(阿贡国家实验室和芝加哥大学的联合企业),国际商业机器公司,美国电话电报公司贝尔实验室,瑞典asea-brownboveri公司,英国通用电气公司,日本富士通公司曰立公司,古阿公司,三菱公司,住友公司和东芝公司.新成立的美国超导体公司看来最有可能首先推出商业化产品.该公司将超导材料与熔银混合,然后将其混合物放