2023年中国超导材料行业概览：立足科技前沿，满足能源战略需求（摘要版）

头豹市场研究|2023/03 www.leadleo.com 2023年 中国超导材料行业概览：立足科技前沿，满足能源战略需求 2023ChinaSuperconductingMaterialsIndustry2023年中国超電導材料産業 （摘要版） 报告标签：低温超导、高温超导、室温超导撰写人：郭嘉咏 报告提供的任何内容（包括但不限于数据、文字、图表、图像等）均系头豹研究院独有的高度机密性文件 （在报告中另行标明�处者除外）。未经头豹研究院事先书面许可，任何人不得以任何方式擅自复制、再造、传播、�版、引用、改编、汇编本报告内容，若有违反上述约定的行为发生，头豹研究院保留采取法律措施、追究相关人员责任的权利。头豹研究院开展的所有商业活动均使用“头豹研究院”或“头豹”的商号、商标，头豹研究院无任何前述名称之外的其他分支机构，也未授权或聘用其他任何第三方代表头豹研究院开展商业活动。 超导产业链各环节表现如何？ 上游原材料行业高温超导原材料主要包括各类矿产资源，是超导行业的基础。钇矿资源，钡矿资源占超导材料30%左右的成本，而超导材料占超导产品应用40%-50%的成本。产业链中游是超导材料如YBCO和BSCCO等带材，是超导行业的核心。中游的超导材料是超导产业链中毛利率最高的环节，毛利率水平达到50%以上。产业链高温超导下游应用产品如超导限流器、超导滤波的毛利率相对较低，约30%左右。 室温超导能否带来新一轮能源革命？ 室温超导技术主要利用量子相干（quantumcoherence）来实现磁性超导。而量子相干是一种能够让粒子的间隔非常小，以至于其行为特别一致的效应。由此可以生成几乎没有阻力（resistance）的流体，这意味着能够通过物理方式传递能量、动能和其他形式的信息。室温超导技术如果能够实现，将会对许多行业产生重大影响。然而，目前这项技术仍处于研究阶段，需要进一步发展和改进才能真正实现商业化应用。 观点摘要 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（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。 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，中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。 K 精华摘要 高温超导材料在制造工艺上必须克服加工脆性、氧含量等问题，目前尚处于研发阶段；低温超导材料由于其具有优良的机械加工性能和成本优势，仍将在商业化超导市场中处于主导地位 超导材料的分类 室温 临界温度 （ ） 年份 超导体晶体结构以及其临界温度，1900-2015年 临界温度 材料类型 主流材料 材料特性 工艺难度 成本 低温超导 ＜-269℃ 金属、合金和化合物 NbTi（铌钛，Tc=9.5K）和Nb3Sn（铌三锡，Tc=18k） NbTi和Nb3Sn已经实现商业化，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 高 高 高温超导 ＞-269℃ 多元金属氧化物 （陶瓷特性） 铋系（例如Bi-Sr-Ca-Cu-0，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 铋系和钇系高温超导材料属于氧化物陶瓷，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 极高 极高 注：Tc=4.2K，等同于-268.98°C 根据超导材料的临界温度，可将超导材料分为低温超导材料和高温超导材料。一般认为，Tc<25K的超导材料称为低温超导材料，目前已实现商业化的包括NbTi（Tc=9.5K）和Nb3Sn（Tc=18k）；Tc≥25K的超导材料称为高温超导材料，有实用价值的主要有铋系（例如Bi2Sr2Ca2Cu3O7-δ，Tc=110K）、钇系 （例如YBa2Cu3O7-δ，Tc=92K）和MgB2（Tc=40K）材料等。有实用价值的铋系和钇系高温超导材料属 于氧化物陶瓷，在制造工艺上必须克服加工脆性、氧含量的精确控制及与基体反应等问题，因此价格昂贵，目前尚处于研发阶段。而以NbTi和Nb3Sn为代表的低温超导材料，由于其具有优良的机械加工性能和成本优势，在相当长的时期内仍将在商业化超导市场中处于主导地位。上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。 超 、导 电设 力备 装（ 备等、 ） 产业链高温超导下游应用产品如超导限流器、超导滤波的毛利率相对较低，约30%左右，不过这部分业务是目前国内公司涉及最多、距离产业化生产最近的业务。低温超导下游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 超处导于应研用发产阶品段（ ）部 分 下游 MRI NMR NbTiNb3Sn BSCCOYBCO MgB2 从产业链来看，上游是矿产资源，中游是超导材料如NbTi和YBCO等带材，是超导产业链中毛利率最高的环节，毛利率水平达到50%以上；下游是超导应用产品，是超导行业的载体 低温超导原材料 高温超导原材料 上游 上游原材料行业高温超导原材料主 要包括各类矿产资源，具体涉及的金属元素诸如铋（Bi）、锶（Sr）、钇（Y）、钡（Ba）、硼（B）等以及镧（La）等稀土元素，是超导行 业的基础。钇矿资源，钡矿资源占超导材料30%左右的成本，而超导材料占超导产品应用40%-50%的成本。低温超导线材对原材料（钛T、 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 中游 硼矿 YBCO带材 Cu Sn Nb BSCCO带材 Nb3Sn超导线 NbTi超导线 La、RE矿 BSCCO带材 NbTi棒 钇、钡矿 海绵钛 BSCCO带材 铋、锶矿 Sn矿 Nb矿 Ti矿 超导行业产业链 导、线材、超铁导基带超材导、体 超导、带材 产业链中游是超导材料如YBCO和BSCCO等带材，是超导行业的核心。中游的超导材料是超导产业链中毛利率最高的环节，毛利率水平达到50%以上。不过，目前国内超导材料主要是依赖于美国和日本进口，价格较高。国内少数公司如永鼎股份、汉缆股份有涉及超导材料的研发。超导磁体是 超导磁体 由超导线材绕制而成的能产生 超 强磁场的超导线圈，并包括其运行所必要的低温恒温容器 超导行业表现🎧“科民融合”特质和“商用渗透”趋势，从科研为起点�发，以企业发展应用落地实处，逐渐向市场空间更广阔的商用设备领域渗透 超导材料应用领域及特征趋势 “科民融合”特质 超导材料应用领域 通过国家主导的大科学装置、重点科研项目，让实力企业参与，以此来培育行业有生力量 随着技术的成熟与扩散，逐渐向市场空间更广阔的商用设备领域渗透 “商用渗透”趋势 从80年代开始超导材料就开始广泛应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能、电力电缆、大容量输电、通信电缆和天线、计算机的逻辑和存储元件等领域。由超导态的特性和维持条件�发，超导技术目前主要应用于对成本和系统复杂度不太敏感的场景，如医疗磁共振成像设备（MRI）、磁控核聚变、超导电缆、磁悬浮列车等。对中国来说，超导行业表现🎧“科民融合”特质和“商用渗透”趋势。“科民融合”是指通过国家主导的大科学装置、重点科研项目，让实力企业参与，以此来培育行业有生力量，从科研为起点�发，以企业发展应用落地实处，促进行业的快速发展。“商用渗透”趋势是指随着技术的成熟与扩散，逐渐向市场空间更广阔的商用设备领域渗透。而超导行业产业链下游对应的应用市场有七个，其中医疗设备领域和交通运输领域应用发展较为成熟，未来随着超导的技术成熟，将�现更多的应用领域。 低温超导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，但由于产学研用结合不紧密、创新链和产业链不完整，导致在高端医疗设备、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 低温超导材料的用途 MCZ用超导磁体：广泛应用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底 02 01 MRI用超导磁体：MRI是当前超导材料的最主要应用领域 NMR用超导磁体：目前国内NMR系统完全依赖进口 03 04 低温超导材料的用途 ITER用超导磁体： 自主设计研制并联合国际合作开展的中国聚变工程实验堆（CFETR）项目已经国家发改委立项 05 加速器用超导磁体：超导加速器在经济上和技术上具有巨大的优越性 MRI是一种生物磁自旋成像技术，它利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激发后产生信号，经过计算机处理转换后获得图像。与基于CT（计算机X-射线断层摄影术）的X射线技术不同，MRI对人体不会产生放射性损伤，可以 实现三维立体扫描、成像图像分辨率高、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。与永磁型MRI相比，超导MRI成像区磁场高，所以可以获得更高的分辨率，通过闭环运行方式实现磁场空间和时间稳定性更高，一般可达10年以上而不变化。这就决定了超导MRI具有永磁型MRI无可比拟的优势。 MCZ技术的物理基础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，晶体完整性、均匀性得到极大改善，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5,000Gs稳定磁场的MCZ技术是目前国际上生产300mm以上大尺寸半导体级单晶硅的最主要方法。目前，国际 上硅片主流产品是300mm，而中国300mm以上的半导体级MCZ生产装备磁场部分主要由常导磁体提供（磁场强度小于0.2T），常导磁体功耗大（大于100kW）、需要复杂的冷却系统（存在管道腐蚀等问题），且无法高效控制杂质和缺陷的产生。 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。超导磁体和常导磁体相比，其体积和运行成本大幅度减小，能够降低300mm单晶硅制造能耗20%、提高成品率30%。中国迫切需要发展满足300mmMCZ单晶硅制备用超导磁体制造技术并实现规模应用，以促进单晶硅行业的产业技术升级。 NMR是利用不同元素原子核核磁共振效应的差异分析物质的磁学式分析仪器，其 广泛用于化合物的结构测定、定量分析和生物学研究等方面。核磁共振波谱仪所使用磁体强度与其分辨精度成正比，需采用高场超导磁体制造。目前国内NMR系统完全依赖进口，300-400MHz的NMR在国内属于常规装备。但是根据国内制药、石油化工等应用单位需求的不断提升，500MHz-1GHz高分辨率的NMR已成为主要采购目标。 国际热核聚变实验堆（ITER，又称“人造太阳”）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,该项目由欧盟、中国、美国、印度、俄罗斯、韩国和日本七方合作完成，中方承建项目占比约为9%。项目从2006年启动到2017年3月 13号中国超导股线竣工，历时大约10年时间。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”，该装置使用了大量的低温超导材料。ITER装置的主体部分是一个用磁约束来实现受控核聚变的环形真空容器，目前ITER设计共有超导大型磁体48个，具体包括：18个纵场线圈（TF）、6个极向场线圈 （PF）、6个中心螺管线圈组成的中心螺管（CS）和18个校正场线圈（CC），其中TF和PF采用Nb3Sn超导线，CS和CC采用NbTi超导线，将产生高达13T的磁场，超过