超導行業下游應用場景持續突破，產業化蓄勢待發

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8月10日，民生證券發布了一份關于超導行業的深度報告。

該報告詳細分析了超導的基本特性、應用領域以及我國超導行業目前的發展現狀，并對超導的下游應用場景以及未來發展進行了深度的研究和展望。本文通過解讀，希望幫助大家更進一步地了解我國超導行業的發展水平。

超導介紹：基本特性，理論發展與應用領域

超導體的三大基本特性：零電阻，完全抗磁性和量子隧穿效應。超導，全稱超導電性，是指導體在某一溫度下，其電阻為零的狀態。1911年，荷蘭物理學家H·卡茂林·昂內斯發現汞在溫度降至4.2K附近時突然進入一種新狀態，其電阻小到幾乎測不出來，隨后他把汞的這一新狀態稱為超導態。1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發現了超導體的另一個重要的性質——完全抗磁性。完全抗磁性是指超導體會把原來處于體內的磁場排擠出去，使其內部的磁感應強度為零。1962 年，約瑟夫森（Brian D. Josephson）預言，在薄絕緣層隔開的兩種超導體之間有電流通過，即有“電子對”能“穿過”薄絕緣層（量子隧穿），而超導結上并不出現電壓，這個預言隨后被證實，這一現象被稱為量子隧穿效應。

超導材料具有常規材料不具備的零電阻、完全抗磁性等宏觀量子現象，是典型的量子材料。超導材料的探索主要經歷了以下幾個階段：1911～1986 年是低溫超導材料發展階段，1986年發現銅氧化物高溫超導體，2021年發現臨界轉變溫度為39K的金屬化合物MgB?超導體，2008年發現鐵基超導體。此外，自從超導材料被發現以來，人們就沒有停止過對“室溫超導”的向往與探索。

超導通常被分類為超溫超導，高溫超導。超導體的分類其實沒有統一的標準，最常見的分類方法是按照臨界溫度劃分為低溫超導和高溫超導。超導物理中將臨界溫度在液氦溫區(4.2K)的超導體稱為低溫超導體，也稱為常規超導體，譬如目前商業化的NbTi、Nb?Sn；將臨界溫度在液氮溫區(77K)的超導體稱為高溫超導體，譬如YBa-Cu-O超導體。

在應用領域方面，超導體因為具有絕對的零電阻和完全的抗磁性兩大特性，在所有涉及電和磁的領域都有超導體的用武之地，其應用領域廣泛，包括電子學、生物醫學、科學工程、交通運輸、電力等領域。

但超導材料大規模應用受到多重限制。縱然超導應用潛力巨大，但超導材料的實現有嚴格的條件。限制超導應用主要有三個臨界參數：臨界溫度、臨界磁場和臨界電流密度，這意味著超導電性必須在足夠低的溫度、不太高的磁場和不特別大的電流密度下才能實現。一旦突破某個臨界參數，材料有可能瞬間從零電阻變成有電阻的狀態，從而失去超導性能。三個臨界參數中后兩者決定了它的應用場景范圍，而臨界溫度則是應用的最大瓶頸。因為低溫就意味著在應用超導體的同時，還面臨著高昂的制冷成本。因此，科學家們在研究超導的過程中，一直在努力提高超導材料的臨界溫度，其中“三重天花板”是重點突破的目標。

我國超導行業發展現狀

在國際合作方面，中國早在2003年2月18日就宣布作為全權獨立成員加入 ITER計劃。ITER計劃是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，其原理是利用磁場對等離子體進行約束，模擬太陽的核聚變反應產生能量并實現可控利用，俗稱“人造太陽”。ITER計劃需要采用NbTi和Nb3Sn超導線材制造超導磁體，線材制造任務由各參與國承擔。2003年我國政府決定參加ITER計劃時，國內尚無企業具備NbTi和Nb3Sn超導線材生產能力，迫切需要開展超導線材產業化。到目前，我國已經能生產Nb3Sn超導線材和NbTi超導線材并交付ITER計劃，產品性能獲得業界高度肯定。

在鼓勵產業發展方面，我國超導行業的發展趨勢將向提高性能、降低成本，功能集成化的方向發展。為了鼓勵和規范行業健康有序發展，我國政府先后出臺了一系列政策對超導產業予以支持。

在超導標準化方面，超導技術委員會（簡稱IEC/TC90）于1989年7月正式成立，負責建立與超導材料和器件相關的國際標準。IEC/TC90現有日、中、韓、美、俄、德、法、意等10個參加成員國，截至目前，IEC/TC90共頒布了25項超導國際標準，近來IEC/TC90推出國際標準的步伐明顯加快，超導國際標準已經從術語和定義、超導特性測量方法，逐漸過渡到實用超導線和超導器件的一般性規范。我國主持的標準化項目包括鈮鈦和鈮三錫復合超導線扭距測量——國際標準和超導單光子探測器——暗記數率——國際標準。在國家標準方面，我國目前發布了25個超導國家標準。

低溫超導應用場景拓展，高溫超導產業化蓄勢待發

低溫超導已經規模商業化，高溫超導正逐步開始產業化。雖然已發現了上千種超導材料，但具有實用化前景的材料并不多。低溫超導材料自1965年開始研究，其中低溫超導材料NbTi與Nb3Sn目前已實現商業化。而高溫超導材料自1986年進行研究，目前才剛開始進行產業化。

1) 低溫超導應用場景的拓展

NbTi超導線材用量占整個超導材料市場的90%以上。低溫超導根據成份分為金屬低溫超導材料、合金低溫超導材料和化合物低溫超導材料。低溫超導材料在批量化加工技術、成本、使用穩定性方面的優勢無可替代。目前已實現商業化的包括NbTi（鈮鈦，Tc=9.5K）和Nb3Sn（鈮三錫，Tc=18k），NbTi超導線材由于具有優異的中低磁場超導性能、良好的機械性能和加工性能以及價格優勢，在實踐中獲得了大規模應用，其用量占整個超導材料市場的90%以上；而Nb3Sn的臨界溫度相對較高，在18K左右，材料本身具有脆性，力學加工性能較差，臨界電流對應變比較敏感，且制造困難、造價相對較高。

2) 高溫超導技術突破，產業化蓄勢待發

高溫超導材料產業化加速。在高溫超導材料中，由于銅氧化物超導材料的臨界溫度相比其他材料較高，其制冷成本要更低一些，因而具有更加廣闊的應用前景。高溫銅氧化物超導材料主要有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-BaCu-O系在實用化上更具有優勢。以Bi-Sr-Ca-Cu-O為代表的第一代高溫超導材料，和以Y-Ba-Cu-O為代表的第二代高溫超導材料受到廣泛關注。同時，MgB2（Tc=40K）材料，鐵基超導材料等應用價值也在不斷開拓，高溫超導材料產業化近年來逐漸開始加速。

第一代高溫超導材料主要通過擠壓力獲得超導電性。其中Bi系超導材料主要的應用材料有Bi-2212線材、Bi-2212薄膜、Bi-2223帶材。在制備Bi-2223帶材的軋制工藝過程中，軋制壓力的作用迫使Bi-2223晶粒發生轉向，從而獲得良好的超導電性；而在制備Bi-2212線材的擠壓工藝中，也是通過擠壓力的作用使Bi- 2212晶粒發生轉向，獲得超導電性。目前常用于制備Bi-2212/Bi-2223原料粉末的工藝方法主要有噴霧熱分解法、共沉淀法和固相反應法。

第二代高溫超導帶材生產工藝方面，一些發達國家先后突破了第二代高溫超導帶材的長線制備技術，公里級帶材的生產工藝已日趨成熟。

第二代高溫超導帶材YBCO成為行業重點發展方向。第二代高溫超導帶材及應用產品將在多個重要領域，如綠色能源、智能電網、軍事工業、醫療器械、交通及科學研究等領域被大力推廣應用，目前我國高溫超導材料大規模應用的瓶頸問題主要在于材料價格過高，需要進一步提高技術成熟度，提升產業化能力，并改善材料綜合性能，從而提高材料性價比。

超導產業下游應用場景持續突破

1) MRI帶動超導材料需求釋放。超導磁體是MRI設備中產生主磁場的核心部件, 1.5T磁共振超導磁體成本占比在30%~40%，3.0T磁共振超導磁體成本占比在50%~60%。目前，我國MRI設備市場保有量持續增長，未來3.0T MRI設備的占比將進一步提高，從而帶動低溫超導線材需求的進一步釋放。

2) 超導在核聚變領域發揮重要作用。核能具有能量密度高、穩定可靠、清潔無污染等優點，是化石能源的最佳替代項。磁約束是實現聚變能開發的有效途徑，而在各種類型的磁約束聚變裝置中，托卡馬克以其優異的等離子體約束品質而備受重視。中科院等離子體所自主研制并建成世界上第一個全超導托卡馬克實驗裝置EAST（東方超環），標志著聚變能發展步入全超導托卡馬克時代。其中EAST超導磁體采用的是CICC超導體，選用NbTi為超導材料。此外超導材料在中國聚變工程試驗堆（CFETR）以及國際大工程科學計劃——ITER計劃中都有具體應用。

3) 射頻超導腔是粒子加速器關鍵部件。射頻超導腔是新一代粒子加速器中的關鍵部件，采用鈮超導腔的粒子加速器，具有運行穩定好、平均流強高、加速梯度高、低損耗、運行成本低的特點。加速器是重要的科學裝置，在材料物理、高能物理、核物理、放射性核素研究等領域都發揮著重要作用，在能源、醫療、軍事等方面也有著重要的應用價值。射頻超導腔是加速器中給粒子束流提供能量的核心部件，相當于加速器的發動機。而超導加速器主要用于高能物理、散裂中子源、潔凈核能源、同步輻射光源、自由電子激光等，具有廣泛的應用前景和現實應用價值，國內相關科學項目預計將帶來超800只需求，需求空間可觀。

4) 超導在MCZ應用逐步放量。磁控直拉單晶硅技術（Magnetic Applied Czochralski Method），簡稱MCZ，是目前國際上生產300mm以上大尺寸半導體級單晶硅的最主要方法。目前，單晶硅市場規模不斷擴大，拉動著超導磁體需求也在持續釋放。單晶硅行業產業鏈上游為多晶硅及各類特種氣體；中游為單晶硅的生產供應環節；下游主要應用于太陽能電池、光伏、半導體、航空航天、汽車等領域。從我國單晶硅產出情況來看，得益于下游需求的不斷增長以及各企業產能布局進程加快，近年來我國單晶硅產能及產量均快速增長。隨著未來硅片不斷向大尺寸方向發展，疊加半導體產業與光伏產業對于硅片的需求，對于用MCZ法制備單晶硅所用的超導磁體需求量也會增加。根據辰光醫療招股說明書，按照67臺/GW的行業標準計算，未來伴隨著N型單晶硅逐步替代P型單晶硅，對磁拉單晶超導磁體的需求將達到近萬臺。

5) 高溫超導感應加熱技術產業化前景廣闊。高溫超導感應加熱裝置是以超導體為核心的新型電磁感應加熱設備，相較傳統加熱方式，噸料耗電可節約120kWh。2023年4月，聯創超導自主研制的世界首臺兆瓦級高溫超導感應加熱裝置于黑龍江投用，標志我國超導熱加工技術在全球實現重大突破。該設備具有磁場強度高、透熱深度大、能效轉化率高等顯著優勢，并對超導磁體、旋轉加熱等核心關鍵技術的穩定性和可靠性進行了驗證，在金屬熱加工行業實現了顛覆性替代應用。聯創光電預計2024年兆瓦級超導感應加熱器年產能達100臺，超導產業園達產后，可實現年產500臺的目標。此外，高溫超導感應加熱設備可用于銅、鋁、鎂、鈦等材料的熱加工及單晶硅生長爐、選礦和污水處理等方面，國內超導感應加熱技術不斷得到發展，應用范圍廣闊，設備市場空間巨大。

6) 超導在電力領域產業化應用曙光初現。其中高溫超導技術在電力工業具有廣闊的應用前景和巨大的市場潛力。超導電力的結合包括高溫超導限流器、高溫超導電纜、高溫超導變壓器等一系列產品，且均已在實際生活中得到使用，其中高溫超導輸電電纜在超導體實現規模化的商業應用過程中，率先邁向產業化，目前已有多個長距離高溫超導電纜掛網運行。雖然關于超導電纜工程的研究起步較晚，但我國已經成為國際超導領域的中堅力量。隨著示范工程的推進，超導電纜產業化大幕有望逐步拉開。

7) 國內車載高溫超導磁體投入實驗運行，超導在高速電動懸浮領域應用前景可期。電動懸浮、超導磁懸浮列車具有運行速度高、車輛輕、懸浮間隙大等優點，是目前超高速磁懸浮列車發展的主流趨勢。車載超導磁體則是核心部件，國內車載超導磁體研究包括中國合肥物質研究院LTS磁體、中國上海交通大學HTS磁體、中國西南交通大學HTS磁體等，其中上海交通大學設計的閉環車載HTS磁體的電流衰減率是最低的，設計的非浸漬、固氮低溫系統也是目前低溫維持時間最長的，部分磁體已經投入實驗運行。高溫超導帶材具有臨界電流高、溫度裕度大、機械強度高等優點，采用二代HTS帶材繞制超導磁體具有結構緊湊、磁場強度高的優點，在高速電動懸浮領域應用前景可期。

8) 二硼化鎂（MgB2）超導材料有望逐步邁入商業化。MgB2具有相干長度大、晶界不存在弱連接、材料成本低、加工性能好的優點，可用于核磁共振成像（MRI）系統、特殊電纜、風力發電電機及空間系統驅動電機等領域。提高MgB2超導線帶材的Jc和穩定性是未來研究的突破方向，制備工藝在取得突破后，MgB2超導線帶材及其應用將邁向商業化模式。西北有色金屬研究院正在用自己生產的MgB2超導線材，制備開放式0.6T醫用核磁成像系統。基于MgB2高溫超導線帶材制備的開放式醫用核磁共振成像系統有望投入使用，并逐步向商業化發展。

*參考資料：民生證券《超導行業深度報告：下個十年，奔向超導產業發展的星辰大海》

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