超导行业深度报告：下个十年，奔向超导产业发展的星辰大海

超导材料具有常规材料不具备的零电阻、完全抗磁性等宏观量子现象，是典型的量子材料。超导体因为具有绝对的零电阻和完全的抗磁性两大特性，在所有涉及电和磁的领域都有超导体的用武之地，应用领域广泛，包括电子学、生物医学、科学工程、交通运输、电力等领域。 低温超导应用场景拓展。NbTi超导线材用量占整个超导材料市场的90%以上。目前已实现商业化的包括NbTi（铌钛，Tc=9.5K）和NbSn（铌三锡，Tc=18k），NbTi超导线材由于具有优异的中低磁场超导性能、良好的机械性能和加工性能、价格优势，其用量占整个超导材料市场的90%以上。 高温超导技术突破，产业化蓄势待发。高温超导临界温度较高，制冷成本更低，具有更加广阔的应用前景。高温超导广泛运用在超导电缆、超导感应加热等领域。2022年，永鼎股份二代高温超导带材在磁感应加热设备中实现产业化供货，2023年4月20日，联创超导自主研制的世界首台兆瓦级高温超导感应加热装置在黑龙江中铝集团东北轻合金公司成功投运，高温超导材料产业化开始加速。 下游应用场景持续突破，超导产业星辰大海 1.MRI带动超导材料需求释放。超导磁体是MRI设备中产生主磁场的核心部件,1.5T磁共振超导磁体成本占比在30%~40%，3.0T磁共振超导磁体成本占比在50%~60%。我国MRI设备市场保有量持续增长，未来3.0TMRI设备的占比将进一步提高，带动低温超导线材需求释放。 2.大科学装置将需要高性能低温和高温超导材料近20000吨。新一代环形正负电子对撞机及超级质子对撞机（CEPC/SPPC）磁场水平达到国际最高水平20T、中国聚变工程试验堆（CFETR）磁场水平达到15T、欧洲环形对撞机（FCC）磁场水平达到15T，大科学装置将需要高性能低温和高温超导材料近20000吨。 3.高温超导感应加热技术产业化前景广阔。高温超导感应加热装置是以超导体为核心的新型电磁感应加热设备，相较传统加热方式，吨料耗电可节约120kWh。2023年4月，联创超导自主研制的世界首台兆瓦级高温超导感应加热装置于黑龙江投用，标志我国超导热加工技术在全球实现重大突破。 联创超导预计2024年兆瓦级超导感应加热器达到年产能达100台。 4.二硼化镁（MgB）超导材料有望逐步迈入商业化。MgB可用于核磁共振成像（MRI）系统、特殊电缆、风力发电电机及空间系统驱动电机等领域。 基于MgB高温超导线带材制备的开放式医用核磁共振成像系统有望投入使用，并逐步向商业化发展。 投资建议：低温超导应用场景拓展，高温超导技术突破，产业化蓄势待发。 建议重点关注西部超导、东方钽业。 风险提示：低温超导原材料波动风险，高温超导商业化进程不及预期。 重点公司盈利预测、估值与评级 1超导材料是典型的量子材料 1.1超导介绍：基本特性，理论发展与应用领域 超导体的三大基本特性：零电阻，完全抗磁性，量子隧穿效应。超导，全称超导电性，指导体在某一温度下，电阻为零的状态。1911年荷兰物理学家H·卡茂林·昂内斯发现汞在温度降至4.2K附近时突然进入一种新状态，其电阻小到实际上测不出来，他把汞的这一新状态称为超导态。1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个重要的性质——完全抗磁性。完全抗磁性是指将超导体会把原来处于体内的磁场排挤出去，使其内部的磁感应强度为零。1962年，约瑟夫森（BrianD.Josephson）预言，在薄绝缘层隔开的两种超导体之间有电流通过，即有“电子对”能“穿过”薄绝缘层（量子隧穿），而超导结上并不出现电压，这个预言随后被证实，这一现象被称为量子隧穿效应。 图1：超导体的零电阻现象 图2：超导体的完全抗磁性 图3：超导体的量子隧穿效应 图4：超导的临界参数和临界界面 超导材料具有常规材料不具备的零电阻、完全抗磁性等宏观量子现象，是典型的量子材料。超导材料的探索主要经历了几个阶段：1911∼1986年，是低温超导材料发展阶段，1986年发现铜氧化物高温超导体，2021年发现临界转变温度为39K的金属化合物MgB₂超导体，2008年发现铁基超导体。此外，自从超导材料被发现以来，人们就没有停止过对“室温超导”的向往与探索。 图5：周期表中具有超导电性的化学元素及其转变温度Tc 图6：超导材料的探索历程 超导最常见被分类为超温超导，高温超导。超导体的分类没有统一的标准，最常见的分类方法是按临界温度划分为低温超导，高温超导。超导物理中将临界温度在液氦温区(4.2K)的超导体称为低温超导体，也称为常规超导体，譬如目前商业化的NbTi、Nb₃Sn；将临界温度在液氮温区(77K)的超导体称为高温超导体，譬如Y-Ba-Cu-O超导体。 表1：超导材料分类 图7：超导体的分类：第Ⅰ类超导体和第Ⅱ类超导体 超导现象是宏观量子效应。20世纪初期，许多顶级的理论物理学家都试图从量子力学基础上理解超导电性，但最终并没有获得成功，直到超导发现近50年后，超导微观理论才被建立。在最初对超导电性的认识过程中，唯象理论起到了非常重要的作用。其中最著名的是前苏联物理学家金茨堡（Ginzburg）和朗道（Landau）于1950年建立的金茨堡-朗道理论（简称G-L理论）。随后，1957年美国科学家巴丁（J.Bardeen）、库珀（L.N.Cooper）和施里弗（J.R.Schrieffer）成功建立了常规金属超导体的微观理论，简称BCS理论，它把超导现象看作是宏观量子效应，成功地解释了金属或合金超导体的超导电性微观机理。BCS理论的核心思想在于：两个动量相反、自旋相反的电子，可以通过交换原子晶格振动量子——声子而产生间接吸引相互作用，从而组成具有能隙的低能稳定态——超导态。但时至今日，非常规超导微观机理，仍然几乎是一片混乱和未知。 图8：固体中的原子振动——声子 图9：超导微观理论“BCS理论” 在应用领域方面，超导体因为具有绝对的零电阻和完全的抗磁性两大特性，在所有涉及电和磁的领域都有超导体的用武之地，应用领域广泛，包括电子学、生物医学、科学工程、交通运输、电力等领域。 表2：超导体的应用领域 图10：超导材料及其应用领域 图11：超导材料主要强电运用领域 超导材料大规模应用受到多重限制。纵然超导应用潜力巨大，但超导材料的实现有严格的条件。限制超导应用有三个临界参数：临界温度、临界磁场和临界电流密度，这意味着超导电性必须在足够低的温度、不太高的磁场和不特别大的电流密度下才能实现。一旦突破某个临界参数，材料有可能瞬间从零电阻变成有电阻的状态，从而失去超导性能。三个临界参数中后两者决定了它的应用场景范围，而临界温度则是应用的最大瓶颈。因为低温就意味着在应用超导体的同时，还面临着高昂的制冷成本。因此，科学家们在研究超导的过程中，一直在努力提高超导材料的临界温度，其中“三重天花板”是重点突破的目标。 表3：三重天花板介绍 1.2我国超导行业发展现状 在国际合作方面，中国于2003年2月18日宣布作为全权独立成员加入ITER计划。ITER计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，其原理是利用磁场对等离子体进行约束，模拟太阳的核聚变反应产生能量并实现可控利用，俗称“人造太阳”。ITER计划需要采用NbTi和NbSn超导线材制造超导磁体，线材制造任务由各参与国承担。2003年我国政府决定参加ITER计划时，国内尚无企业具备NbTi和NbSn超导线材生产能力，迫切需要开展超导线材产业化。到目前，我国已经能生产NbSn超导线材和NbTi超导线材并交付ITER计划，产品性能获得业界高度肯定。 在鼓励产业发展方面，我国超导行业的发展趋势将朝提高性能、降低成本，功能集成化的方向发展。为了鼓励和规范着行业健康有序发展，我国政府先后出台了一系列政策对超导产业予以支持。 表4：超导材料行业相关政策 在超导标准化方面，超导技术委员会（简称IEC/TC90）于1989年7月正式成立，负责建立与超导材料和器件相关的国际标准。IEC/TC90现有日、中、韩、美、俄、德、法、意等10个参加成员国，截止到目前，IEC/TC90共颁布了25项超导国际标准，近来IEC/TC90推出国际标准的步伐明显加快，超导国际标准已经从术语和定义、超导特性测量方法，逐渐过渡到实用超导线和超导器件的一般性规范。我国主持的标准化项目包括铌钛和铌三锡复合超导线扭距测量--国际标准和超导单光子探测器—暗记数率--国际标准。在国家标准方面，我国目前发布了25个超导国家标准。 表5：超导领域中国国家标准清单 2低温超导应用场景拓展，高温超导产业化蓄势待发 低温超导已经规模商业化，高温超导正逐步开始产业化。虽然已发现了上千种超导材料，但具有实用化前景的材料并不多。低温超导材料自1965年开始研究，目前低温超导材料NbTi与NbSn已实现商业化。而高温超导材料自1986年进行研究，目前刚开始进行产业化。 图12：超导材料进展概况 图13：国内超导产业链 2.1低温超导应用场景拓展 NbTi超导线材用量占整个超导材料市场的90%以上。低温超导根据成分分为金属低温超导材料、合金低温超导材料和化合物低温超导材料。低温超导材料在批量化加工技术、成本、使用稳定性方面的优势无可替代。目前已实现商业化的包括NbTi（铌钛，Tc=9.5K）和NbSn（铌三锡，Tc=18k），NbTi超导线材由于具有优异的中低磁场超导性能、良好的机械性能和加工性能、价格优势，在实践中获得了大规模应用，其用量占整个超导材料市场的90%以上；而NbSn的临界温度相对较高，在18K左右，该材料本身具有脆性，力学加工性能较差，临界电流对应变比较敏感，且制造困难、造价相对较高。 图14：NbTi超导线 图15：NbSn超导线 表6：NbTi超导合金棒材化学成分的质量分数要求 表7：NbTi和NbSn超导线在各个领域的应用 图16：低温超导产业链 西部超导是全球唯一的铌钛锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业。低温超导产业链相关的行业包括超导锭棒、超导线材、超导磁体和超导设备。从全球来看，有的公司专注某一领域，有的公司横跨多个领域。西部超导是目前国内唯一低温超导线材商业化生产的企业，也是目前全球唯一的铌钛锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业。 图17：全球低温超导主要企业 2.2高温超导技术突破，产业化蓄势待发 高温超导材料产业化加速。在高温超导材料中，由于铜氧化物超导材料的临界温度相比其他材料较高，制冷成本更低，因而具有更加广阔的应用前景。高温铜氧化物超导材料主要有Bi-Sr-Ca-Cu-O系、Y-Ba-Cu-O系、Hg-Ba-Ca-Cu-O系、TI-Ba-Ca-Cu-O系，但是Hg和TI元素有毒，因此Bi-Sr-Ca-Cu-O系和Y-Ba-Cu-O系在实用化上更具有优势。以Bi-Sr-Ca-Cu-O为代表的第一代高温超导材料，和以Y-Ba-Cu-O为代表的第二代高温超导材料受到广泛关注。同时，MgB（Tc=40K）材料，铁基超导材料等应用价值也在不断开拓。2022年，永鼎股份二代高温超导带材在磁感应加热设备中实现产业化供货，2023年4月20日，联创超导自主研制的世界首台兆瓦级高温超导感应加热装置在黑龙江中铝集团东北轻合金公司成功投运，高温超导材料产业化开始加速。 表8：高温超导与低温超导的比较 图18：二代高温超导应用领域 图19：高温超导行业产业链 第一代高温超导材料主要通过挤压力获得超导电性。Bi系超导材料主要的应用材料有Bi-2212线材、Bi-2212薄膜、Bi-2223带材。在制备Bi-2223带材的轧制工艺过程中，轧制压力的作用迫使Bi-2223晶粒发生转向，从而获得良好的超导电性，而在制备Bi-2212线材的挤压工艺中，也是通过挤压力的作用使Bi-2212晶粒发生转向，获得超导电性。目前常用于制备Bi-2212/Bi-2223原料粉末的工艺方法主要有喷雾热分解法、共沉淀法、固相反应法。 图20：Bi-2223带材制备