超导行业下游应用场景持续突破，产业化蓄势待发
图片来源@视觉中国
文 | 润土投资
8月10日，民生证券发布了一份关于超导行业的深度报告。
(资料图片仅供参考)
该报告详细分析了超导的基本特性、应用领域以及我国超导行业目前的发展现状，并对超导的下游应用场景以及未来发展进行了深度的研究和展望。本文通过解读，希望帮助大家更进一步地了解我国超导行业的发展水平。
超导介绍：基本特性，理论发展与应用领域
解读观点：高温超导机理的缺失，使材料开发的物理实验任重道远。
超导体的三大基本特性：零电阻，完全抗磁性和量子隧穿效应。超导，全称超导电性，是指导体在某一温度下，其电阻为零的状态。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，其电阻小到几乎测不出来，随后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（Brian D. 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。
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以下几个阶段：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。
超导通常被分类为超温超导，高温超导。超导体的分类其实没有统一的标准，最常见的分类方法是按照临界温度划分为低温超导和高温超导。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YBa-Cu-O超导体。
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，其应用领域广泛，包括电子学、生物医学、科学工程、交通运输、电力等领域。
但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。限制超导应用主要有三个临界参数：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。
我国超导行业发展现状
解读观点：中国在超导以及液氮温区的研究方向上已做到世界领先水平，且在不断取得新突破。
在国际合作方面，中国早在2003年2月18日就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Nb3Sn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Nb3Sn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Nb3Sn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向提高性能、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。
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，截至目前，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。
低温超导应用场景拓展，
高温超导
产业化蓄势待发
解读观点：总体来看，我国已经实现了在低温超导材料的批量应用、高温超导材料小规模应用的状态。
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，其中低温超导材料NbTi与Nb3Sn目前已实现商业化。而高温超导材料自1986年进行研究，目前才刚开始进行产业化。
1) 低温超导应用场景的拓展
NbTi超导线材用量占整个超导材料市场的90%以上。低温超导根据成份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Nb3Sn（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以及价格优势，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Nb3Sn的临界温度相对较高，在18K左右，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。
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，其制冷成本要更低一些，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-BaCu-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，MgB2（Tc=40K）材料，铁基超导材料等应用价值也在不断开拓，高温超导材料产业化近年来逐渐开始加速。
第一代高温超导材料主要通过挤压力获得超导电性。其中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、共沉淀法和固相反应法。
第二代高温超导带材生产工艺方面，一些发达国家先后突破了第二代高温超导带材的长线制备技术，公里级带材的生产工艺已日趋成熟。
第二代高温超导带材YBCO成为行业重点发展方向。第二代高温超导带材及应用产品将在多个重要领域，如绿色能源、智能电网、军事工业、医疗器械、交通及科学研究等领域被大力推广应用，目前我国高温超导材料大规模应用的瓶颈问题主要在于材料价格过高，需要进一步提高技术成熟度，提升产业化能力，并改善材料综合性能，从而提高材料性价比。
超导产业下游应用场景持续突破
解读观点：如果未来能在超导的材料体系上做到突破，达到简单工艺、简单材料就能够去实现材料体系的合成，那对商业化会有很明显的促进作用。
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%。目前，我国MRI设备市场保有量持续增长，未来3.0T MRI设备的占比将进一步提高，从而带动低温超导线材需求的进一步释放。
2) 超导在核聚变领域发挥重要作用。核能具有能量密度高、稳定可靠、清洁无污染等优点，是化石能源的最佳替代项。磁约束是实现聚变能开发的有效途径，而在各种类型的磁约束聚变装置中，托卡马克以其优异的等离子体约束品质而备受重视。中科院等离子体所自主研制并建成世界上第一个全超导托卡马克实验装置EAST（东方超环），标志着聚变能发展步入全超导托卡马克时代。其中EAST超导磁体采用的是CICC超导体，选用NbTi为超导材料。此外超导材料在中国聚变工程试验堆（CFETR）以及国际大工程科学计划——ITER计划中都有具体应用。
3) 射频超导腔是粒子加速器关键部件。射频超导腔是新一代粒子加速器中的关键部件，采用铌超导腔的粒子加速器，具有运行稳定好、平均流强高、加速梯度高、低损耗、运行成本低的特点。加速器是重要的科学装置，在材料物理、高能物理、核物理、放射性核素研究等领域都发挥着重要作用，在能源、医疗、军事等方面也有着重要的应用价值。射频超导腔是加速器中给粒子束流提供能量的核心部件，相当于加速器的发动机。而超导加速器主要用于高能物理、散裂中子源、洁净核能源、同步辐射光源、自由电子激光等，具有广泛的应用前景和现实应用价值，国内相关科学项目预计将带来超800只需求，需求空间可观。
4) 超导在MCZ应用逐步放量。磁控直拉单晶硅技术（Magnetic Applied Czochralski Method），简称MCZ，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，单晶硅市场规模不断扩大，拉动着超导磁体需求也在持续释放。单晶硅行业产业链上游为多晶硅及各类特种气体；中游为单晶硅的生产供应环节；下游主要应用于太阳能电池、光伏、半导体、航空航天、汽车等领域。从我国单晶硅产出情况来看，得益于下游需求的不断增长以及各企业产能布局进程加快，近年来我国单晶硅产能及产量均快速增长。随着未来硅片不断向大尺寸方向发展，叠加半导体产业与光伏产业对于硅片的需求，对于用MCZ法制备单晶硅所用的超导磁体需求量也会增加。根据辰光医疗招股说明书，按照67台/GW的行业标准计算，未来伴随着N型单晶硅逐步替代P型单晶硅，对磁拉单晶超导磁体的需求将达到近万台。
5) 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。该设备具有磁场强度高、透热深度大、能效转化率高等显著优势，并对超导磁体、旋转加热等核心关键技术的稳定性和可靠性进行了验证，在金属热加工行业实现了颠覆性替代应用。联创光电预计2024年兆瓦级超导感应加热器年产能达100台，超导产业园达产后，可实现年产500台的目标。此外，高温超导感应加热设备可用于铜、铝、镁、钛等材料的热加工及单晶硅生长炉、选矿和污水处理等方面，国内超导感应加热技术不断得到发展，应用范围广阔，设备市场空间巨大。
6) 超导在电力领域产业化应用曙光初现。其中高温超导技术在电力工业具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。超导电力的结合包括高温超导限流器、高温超导电缆、高温超导变压器等一系列产品，且均已在实际生活中得到使用，其中高温超导输电电缆在超导体实现规模化的商业应用过程中，率先迈向产业化，目前已有多个长距离高温超导电缆挂网运行。虽然关于超导电缆工程的研究起步较晚，但我国已经成为国际超导领域的中坚力量。随着示范工程的推进，超导电缆产业化大幕有望逐步拉开。
7) 国内车载高温超导磁体投入实验运行，超导在高速电动悬浮领域应用前景可期。电动悬浮、超导磁悬浮列车具有运行速度高、车辆轻、悬浮间隙大等优点，是目前超高速磁悬浮列车发展的主流趋势。车载超导磁体则是核心部件，国内车载超导磁体研究包括中国合肥物质研究院LTS磁体、中国上海交通大学HTS磁体、中国西南交通大学HTS磁体等，其中上海交通大学设计的闭环车载HTS磁体的电流衰减率是最低的，设计的非浸渍、固氮低温系统也是目前低温维持时间最长的，部分磁体已经投入实验运行。高温超导带材具有临界电流高、温度裕度大、机械强度高等优点，采用二代HTS带材绕制超导磁体具有结构紧凑、磁场强度高的优点，在高速电动悬浮领域应用前景可期。
8) 二硼化镁（MgB2）超导材料有望逐步迈入商业化。MgB2具有相干长度大、晶界不存在弱连接、材料成本低、加工性能好的优点，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。提高MgB2超导线带材的Jc和稳定性是未来研究的突破方向，制备工艺在取得突破后，MgB2超导线带材及其应用将迈向商业化模式。西北有色金属研究院正在用自己生产的MgB2超导线材，制备开放式0.6T医用核磁成像系统。基于MgB2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。
*参考资料：民生证券《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》
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