中小盘研究：超导产业长坡厚雪，关注高壁垒+降本加速方向

超导产业长坡厚雪，关注高壁垒+降本加速方向 核心观点： 超导体具备零电阻等特性，低温超导产业相对成熟。超导指某种材料在低于某一温度时，电阻突变为零的现象，该温度通常被称为超导临界温度。超导研究起源于19世纪下半叶的低温物理学，当前隶属凝聚态物理的分 支，超导材料从简单金属，逐步向合金、复杂化合物、有机物转变。超导材料主要特性分为完全导电性、完全抗磁性、量子隧穿性以及临界性，相对常见的划分方式是根据临界温度分为低温超导和高温超导。低温超导Tc<25K，具有实用价值的金属是Nb，基于低温超导材料的应用装置，一般在液氦的温度下工作。高温超导Tc≥25K，具有实用价值的金属主要包括Bi、Y、La、Sm等，常见的原子团主要包括铜基、铁基、氢基等。 超导属典型前沿材料重点布局明确，预计未来�年CAGR超20%。2021年12月，《“十四🖂”原材料工业发展规划》支持科研单位联合企业，发展超导材料、智能仿生、增材制造材料等，推动新的主干材料体系化发 展，强化应用领域的支持和引导，被业界视为明确了超导材料在现代产业中的定位。据欧洲超导协会Conectus统计，2022年全球超导材料产品的市场规模为68亿欧元/+3%，2012-2022年过去十年CAGR=2.8%。目前全球90%以上的超导材料属低温超导。高温超导尚处成长期，据GlobalMarketInsights预测，2030年高温超导将占据1/4的份额，高温超导的高速增长将驱动全球超导材料行业2022-2027年未来�年CAGR=23.1%。 高温超导电力领域应用相对成熟，室温超导是大势所趋。低温超导产业链主要包括上游Nb、Ti、Sn、Cu等原材料、中游超导线材、中游超导磁体、下游MRI、MCZ、NMR、ITER、加速器等超导设备四个环节，上游 原材料敏感度较低，NbTi二元合金棒加工中易断裂，制备难度较大，壁垒较高。高温超导产业链主要包括上游Bi、Ba、La、Sm、Y等金属元素氧化物、中游超导线材带材薄膜、下游超导设备三个环节，由于高温超导具备能量损耗低、占地面积小、传输容量大、可靠性高等优点，其在电力领域的应用相对成熟，设备成套成系列，包括超导电缆、超导电机、超导变压器、超导限流器等。“LK-99”是一种掺杂铜的铅磷灰石，之所以具备室温超导特性，是因为铅原子和磷酸氧间通过结构畸变与应变产生量子阱，电子在量子阱中进行约瑟夫效应时表现为零电阻，但其复现会遇到掺杂比例与离子位置控制精确度的问题，稳定性仍有欠缺，理论→实践仍需时日 投资建议：超导产业长坡厚雪，建议关注低温超导产业链高壁垒的中游棒材线材环节+下游应用场景拓展方向，东方钽业/久立特材；高温超导技术进步降本加速+产业化纵深方向，永鼎股份/百利电气/金杯电工/宝胜股份/ 联创光电/沃尔核材；室温超导材料体系刚需方向，豫光金铅/中金岭南。 风险提示：上游原材料价格抬升；低温超导国产替代进程不及预期；高温超导产业化纵深程度不及预期；室温超导复现难度加大或技术路径变更。 中小盘研究 推荐维持评级 分析师赵良毕 ：010-80927619 ：zhaoliangbi_yj@chinastock.com.cn 分析师登记编码：S0130522030003 洪烨 ：0755-83479312 ：hongye_yj@chinastock.com.cn 分析师登记编码：S0130523060002 行业深度报告●中小盘研究 2023年09月10日 www.chinastock.com.cn证券研究报告请务必阅读正文最后的中国银河证券股份有限公司免责声明 目录 一、超导体具备零电阻等特性，低温超导产业相对成熟4 二、超导属典型前沿材料重点布局明确，预计未来�年CAGR超20%7 三、高温超导电力领域应用相对成熟，室温超导是大势所趋10 四：投资建议15 🖂：风险提示15 插图目录 图1：典型超导材料发现年代与临界温度4 图2：超导体临界温度、磁场与电流密度5 图3：超导材料的量子隧穿效应5 图4：低温超导线NbTi与Nb3Sn的典型截面6 图5：低温超导的典型应用——磁共振成像仪（MRI）9 图6：高温超导的典型应用——超导电缆系统9 图7：2022年全球超导材料产品的市场规模为68亿欧元/+3%，2022-2027年未来�年CAGR=23.1%9 图8：2018→2022→2030，高温超导份额4.4%→10%→25%驱动超导材料行业高速发展9 图9：低温超导产业链梳理10 图10：下游超导设备MRI2022-2025年国内增速超10%12 图11：下游超导设备MCZ将随硅片大尺寸趋势放量12 图12：高温超导产业链梳理12 图13：第二代高温超导带材典型生产流程13 图14：永鼎股份第二代高温超导带材实现量产14 图15：联创光电多工位超导感应加热装置14 图16：“LK-99”超导体制备过程15 图17：“LK-99”超导体的“温度-电阻”曲线15 表格目录 表1：超导材料研究发展历程简介4 表2：低温超导材料和高温超导材料主要特性对比6 表3：超导产业重点政策梳理7 表4：超导材料的主要应用梳理8 表5：低温超导产业链四大环节竞争格局11 表6：第二代高温超导带材常见参数13 一、超导体具备零电阻等特性，低温超导产业相对成熟 2023年7月，韩国SukbaeLee等人在Arxiv网站上提交题为《Superconductor𝑃𝑏10− 𝑥𝐶𝑢𝑥(𝑃𝑂4)6�ShowingLevitationatRoomTemperatureandAtmosphericPressureandMechanism》的论文，阐述了名为“LK-99”室温超导的存在，一石激起千层浪。 超导（Superconductivity，SC），全称为“超导电性”，是指某种材料在低于某一温度时，电阻突变为零的现象，该温度通常被称为超导临界（转变）温度Tc。事实上，超导研究起源于19世纪下半页的低温物理学，当前隶属凝聚态物理的分支，业内的主要研究方向是寻找超导材料。1908年，荷兰科学家HeikeKamer-Onnes完成了氦气的液化，获得了极低温度，三年后他发现在液氦环境下金属汞的电阻降为了零，超导就此问世。此后超导材料从简单金属，逐步向合金、复杂化合物、有机物转变。 图1：典型超导材料发现年代与临界温度 资料来源：《实用化Bi系超导带材的制备工艺研究进展》，中国银河证券研究院 表1：超导材料研究发展历程简介 年份发展历程 1911年HeikeKamer-Onnes在温度4.2K（-268.97℃）时用液氦冷却汞时发现汞的电阻为零，发现了超导电性规律 1933年菲尔德和迈斯纳发现超导体冷却达到转变温度时，不仅电阻完全消失，还会出现抗磁性 A.A.Abrikosov、VitalyLazarevichGinzburg（俄）和AnthonyLeggett（英）提出超导热力学效应，认为超导 1950年 1957年 是一种量子体系中的热力学相变 J.Bardeen、L.V.Cooper、J.R.Schrieffer（美）提出“电声子耦合超导配对凝聚理论”（B-C-S），将超导现象看作宏观量子效应。临界温度下，两个动量与自旋均相反的电子，可通过交换原子晶格振动量子，即声子，而产生间接吸引的相互作用，从而组成具有能隙的低能稳定态，即超导态 1962年约瑟夫预言，在薄绝缘层隔开的两种超导体之间有电子能够穿过，且不出现电压 麦克米兰根据B-C-S理论推导出超导体临界温度上限公式，认为超导体的临界温度不太可能超过39K，该温 1968年 度也被称为“麦克米兰极限” 1973年发现超导转变温度为32.4K（-249.92℃）的超导合金——铌锗合金 1986年 缪勒和柏诺兹（瑞）在贝尔实验室研究陶瓷材料LaBaCuO时，发现其在30K以下具备超导特性，打破液氢 40K的温度障碍 1987年朱经武（美）赵忠贤（中）陆续把钇-钡-铜-氧转变温度提高到了90K（-185.15℃），发现高温超导体材料 1988年日本实现了液氮温区超导体的理想，研发出了转变温度为110K（-165.15℃）的超导材料Bi-Sr-Cu-O 日本东京工业大学细野秀雄教授和其合作者发现了转变温度为26K（-251.15℃）的氟掺杂镧氧铁砷化合物， 2007年 2008年 掀起铁基高温超导体的研究浪潮 中科大陈晓辉研究组和中国物理所研究组采用稀土元素替代和高压合成方法获得样品，突破“麦克米兰极限”，经优化后临界温度达55K 2014年吉林大学崔田教授通过计算预测在200GPa高压下，硫化氢的超导临界温度在191K-204K之间。 MIT曹原博士论述了双层石墨烯在重叠角度为1.1°时会产生超导现象 2018年 2019年 2020年 德国化学家发现十氢化镧在压力170GPa，温度250K（-23℃）下有超导性出现 Stanford发现镍氧超导体，通过认真分析母体化合物的电阻率和霍尔系数随温度的依赖关系，认为母体化合物在低温下存在非相干的Kondo散射 迪亚斯在金刚石压腔中合成碳质硫氢化物（CSH），将临界温度提升至15℃，室温超导首次被观察到，但产生该现象的环境极为苛刻，压强达2670亿Pa 2021年发现临界转变温度为39K的金属化合物二硼化镁超导体 2023年韩国合成室温超导体改性铅磷灰石（LK-99）并展现其超导特性（实验复现过程中） 资料来源：Arvix，Wikipedia，自然-材料，国家新材料产业发展战略咨询委员会，中国银河证券研究院 图2：超导体临界温度、磁场与电流密度图3：超导材料的量子隧穿效应 资料来源：《第二代高温超导导线在过电流冲击下的性能衰退特性研究》，中国银河证券研究院 资料来源：西部超导招股说明书，中国银河证券研究院 据国家新材料产业发展战略咨询委员会的资料显示，超导材料主要特性分为完全导电性、完全抗磁性、量子隧穿性以及临界性： （1）完全导电性（“零电阻效应”）：温度下降到某一临界温度时，超导体出现电阻突变为零的特性。当然电阻完全等于零只有在实验室阶段才能做到，实际应用阶段是接近于零； （2）完全抗磁性（“迈斯纳效应”）：只要T小于临界温度，外界磁场的磁力线就无法穿过超导体，超导体内的磁感应强度总和为零； （3）量子隧穿性（“约瑟夫效应”）：电子等微观粒子具有波粒二象性，当两块金属被一层厚度为1.5-3nm的绝缘介质隔开时，电子等都可穿越势垒而运动。加电压后，可形成隧道电流，这种现象称为隧道效应。把上述装置中的两块金属换成超导体后，当其介质层厚度减少到30A 左右时，由超导电子对的长程相干效应也会产生隧道效应； （4）临界性：超导材料具有临界温度、临界磁场和临界电流密度等，只有小于它的临界值才能体现出它的超导性能，一旦超出，就会失去超导性。此外，还有相干长度，导向只有在一定的尺度之下，才能保持住它的超导性能。 超导体的划分并没有统一的标准，相对常见的是根据临界温度分为低温超导和高温超导。此处的“低温”与“高温”并非我们的日常理解，而是相对于物理学中的绝对零度而言。很显然，高温超导较低温超导而言更具稀缺性，在超导被发现的最初75年内，临界温度的提升进程较为缓慢，直至1986年陶瓷材料LaBaCuO的发现才令其逐步加速，因此我们可以说超导研究自“低温”向“高温”的过渡用了75年时间。提升超导材料的临界温度，往往需要施加万倍于标准大气压的高压，降低电子间库仑斥力的同时减少材料晶格缺陷，促进超导电子对的形成，条件较为苛刻，应用推广阻力重重，于是27年后的当下大家更多地在探讨超导自“高温”向“室温”（“常温”）的转变： 低温超导：具有低临界温度的超导材料（Tc<25K，即-248℃），分为金属、合金和化合物，具有实用价值的低温超导金属是Nb（铌），由于NbTi（铌钛，Tc=9.5K）与Nb3Sn（铌三锡，Tc=18K）具备优良的机械加工性能与成本优势，其制备技术与工艺已较为成熟。基于低温超导材料的应用装置，一般在液氦