超导产业下游应用领域不断突破，产业化蓄势待发

八月十日，民生证券发布了一份关于超导行业的深度报告。本报告详细分析了中国超导行业的基本特征、应用领域和当前发展情况，并对超导的下游应用领域和未来发展进行了深入研究和展望。通过对本文的解读，希望能帮助大家对中国超导行业的发展水平有更多的了解。

简介：基本特征、理论开发和应用领域

解读观点：由于缺乏高温超导机制，材料研发的物理实验还有很长的路要走。

 

超导体的三个基本特征：零电阻，完全抗磁和量子隧穿效应。超导，全称超导电，是指导体在一定温度下，其电阻为零的状态。一九一一年，荷兰科学家H·卡茂林·昂内斯发现，当温度降至4.2K附近时，汞突然进入一种新的状态，其电阻小到几乎无法测量，随后他将汞的这种新状态称为超导态。一九三三年，荷兰迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个重要特性——完全抗磁。完全抗磁是指超导体将原本在体内的磁场挤出，使其内部的磁感应强度为零。1962 一年，约瑟夫森（Brian D. Josephson）据推测，薄绝缘层分隔的两个超导体之间有电流通过，即“电子对”可以“穿过”薄绝缘层(量子隧道穿过)，而超导结上没有电压，随后得到证实。这种现象被称为量子隧道穿透效应。

超导材料是典型的量子材料，具有常规材料所不具备的零电阻、完全抗磁等宏观量子现象。探索超导材料主要经历以下几个阶段：1911∼1986 1986年发现铜氧化物高温超导体是低温超导材料的发展阶段，2021年发现金属化合物MgB临界变化温度为39K。₂超导体，2008年发现铁基超导体。此外，自从发现超导材料以来，人们从未停止过对“室温超导”的向往和探索。

超导通常分为过热超导和高温超导。事实上，超导体的分类没有统一的标准。最常见的分类方法是根据临界压力分为低温超导和高温超导。在超导物理中，临界压力在氦温区(4.2)K)超导体又称低温超导体，又称常规超导体，比如目前商业化的NbTi。、Nb₃Sn；在液氮温区(77K)临界压力的超导体称为高温超导体，例如YBa-Cu-O超导体。

就应用领域而言，超导体因其绝对的零电阻和完全的抗磁性，在所有涉及电磁的行业都有超导体的立足点，其应用领域广泛，包括电子、生物医学、科学工程、交通运输、电力等领域。

但是超导材料的大规模应用受到多重限制。尽管超导应用潜力无限，但实现超导材料的条件还是很严格的。限制超导应用主要有三个临界参数:临界压力、临界磁场和临界电流强度，这意味着超导电必须在足够低的温度下实现，但磁场高，电流强度不是特别大。材料一旦突破某一临界参数，就有可能瞬间从零电阻变成电阻状态，从而失去超导性能。在三个临界参数之后，它们决定了它们的使用场景范围，最大的瓶颈是临界压力的应用。因为低温意味着在使用超导体的同时，也面临着很高的制冷成本。因此，在研究超导的过程中，科学家们一直在努力提高超导材料的临界压力，其中“三重天花板”是重点突破的目标。

我国超导产业发展现状

解读观点：在超导和液氮温区的研究方向上，中国已经取得了世界领先地位，并且正在不断取得新的突破。

 

就国际合作而言，早在2003年2月18日，中国就宣布作为一名全权独立成员加入。 ITER计划。ITER计划是目前世界上规模最大、影响最深远的国际研究合作项目之一。其原理是利用磁场约束等离子体，模拟太阳的核聚变反应产生能量，实现可控应用，俗称“人造太阳”。ITER计划需要使用NbTi和Nb3Sn超导电缆来制造超导磁体，电缆制造任务由各参与国承担。2003年，当中国政府决定参与ITER计划时，国内没有公司具备NbTi和Nb3Sn超导电缆的生产能力，迫切需要对超导电缆进行产业化。到目前为止，我国已经可以生产Nb3Sn超导线缆和NbTi超导线缆并交付ITER计划，产品特性得到了业界的充分肯定。

就激励产业发展而言，我国超导产业的发展趋势将朝着提高性能、降低成本、整合功能的方向发展。为鼓励和规范产业健康有序发展，我国政府出台了一系列支持超导产业的政策。

就超导规范化而言，1989年7月，超导技术委员会(以下简称IEC/TC90)正式成立，负责建立与超导材料和设备相关的国际标准。IEC目前，日、中、韩、美、俄、德、法、意等10个成员国，到目前为止，IEC/TC90发布了25项超导国际标准。最近，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以及超导特征的测量方法逐渐转变为实用超导线和超导器件的一般标准。国际标准和超导单光子探测器-暗计数率-国际标准，是我国主持的标准化项目。就国家标准而言，目前，我国已经发布了25项超导国家标准。

低温超导应用领域扩大，高温超导产业化准备发展。

解读观点：总体而言，我国已实现低温超导材料的大规模应用，高温超导材料的小规模应用。

 

低温超导已大规模商业化，高温超导正逐步开始产业化。虽然已经发现了成千上万种超导材料，但是具有产品化前景的材料并不多。自1965年开始研究低温超导材料，其中低温超导材料NbTi和Nb3Sn目前已经商业化。自1986年开始研究高温超导材料以来，工业化才刚刚开始。

1) 扩展低温超导应用领域

NbTi超导线缆占整个超导材料市场的90%以上。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按成分分为低温超导材料。在批量加工工艺、成本、稳定性等方面，低温超导设备的优点是不可替代的。NbTi(钛钛)已经实现了商业化，Tc=9.5K）和Nb3Sn(三锡)，Tc=NbTi超导电缆因其优异的中低磁场超导性能、良好的机械性能、生产性能和价格优势，在实践中得到了广泛的应用，其用量占整个超导材料市场的90%以上；而Nb3Sn的临界压力相对较高，在18K左右，材料本身具有脆性，机械加工性能差，临界电流对应变特别敏感，且制造困难，成本相对较高。

2) 高温超导技术突破，工业化蓄势待发。

加快了高温超导材料的产业化。由于铜氧化物超导材料的临界压力高于其它材料，其制冷成本较低，因此在高温超导材料中具有更广阔的应用前景。Bi是一种高温铜氧化物超导材料。-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元素是有毒的，所以Bi-Sr-Ca-Cu-O系和Y-BaCu-O系在产品化方面更有优势。以Bi-Sr-Ca-Cu-以YY为代表的第一代高温超导材料和-Ba-Cu-以O为代表的第二代高温超导材料备受关注。MgB2与此同时（Tc=40K)材料、铁基超导材料和实用价值也在不断发展，近年来高温超导材料的产业化逐步加快。

一代高温超导材料主要通过挤压获得超导电性能。Bi-2212电缆是Bi-2212电缆的主要应用材料，Bi-2212薄膜、Bi-2223带材。在制备Bi-2223带材的轧制过程中，轧制压力的作用迫使Bi-2223晶体转化，从而获得良好的超导电性能；然而，在制备Bi-2212电缆的挤压过程中，Bi-2212电缆是由挤压作用制成的。- 2212晶体转换，获得超导电性能。当前常用于制备Bi-2212//Bi-喷雾热分解法、共沉淀法和固相反应法是2223原料粉末的工艺方法。

二代高温超导带材料的生产工艺，一些发达国家已经突破了第二代高温超导带材料的长期制备技术，公里级带材料的生产工艺日益成熟。

YBCO是第二代高温超导带材料行业的重点发展方向。第二代高温超导带材料和应用产品将广泛应用于绿色能源、智能能源、军事工业、医疗器械、交通和科学研究等多个重要领域。目前，我国高温超导材料大规模应用的瓶颈主要在于材料价格过高，需要进一步提高技术成熟度和工业化能力，提高材料综合性能，进而提高材料性价比。

超导产业下游应用领域不断突破

解读观点：如果未来能够突破超导材料体系，达到简单的工艺和材料，就能完成材料体系的合成，这将明显促进商业化。

 

1) 推动MRI超导材料需求释放。在MRI设备中，超导磁体是产生主磁场的关键部件， 1.5T磁共振超导磁体成本占30%~40%，3.0T磁共振超导磁体成本占50%~60%。当前，我国MRI设备市场保有量持续增长，未来3.0T MRI设备的比例将进一步提高，从而进一步释放低温超导电缆的需求。

2) 超导在核聚变领域发挥着重要作用。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品。磁约束是实现聚变能开发的有效途径，但托卡马克因其优异的等离子体约束质量而受到各类磁约束聚变装置的高度重视。中国科学院等离子体研制并建立了世界上第一个全超导托卡马克实验装置EAST(东方超环)，这意味着聚变能够进入全超导托卡马克时代。EAST超导磁体采用CICC超导体，选用NbTi作为超导材料。另外，超导材料在中国聚变工程试验堆（CFETR）以及ITER计划在国际大型工程科学计划中的实际应用。

3) 射频超导腔是粒子加速器的核心组成部分。射频超导腔是新一代粒子加速器的核心组成部分。它选择了具有稳定运行、平均流强度高、加速梯度高、损耗低、使用成本低的颗粒加速器。加速器是一种重要的科学设备，在材料物理、高能物理、核物理、放射性核素研究等领域发挥着重要作用，在能源、医疗、军事等方面也具有重要的实用价值。射频超导腔是加速器中为粒子束流提供能量的关键部件，相当于加速器发动机。而且超导加速器主要用于高能物理、分散中子源、清洁核能源、同步辐射光源、自由电子激光等。，具有广阔的应用前景和实用价值。预计国内相关科学项目将带来800多个需求，需求空间可观。

4) MCZ超导的应用逐渐增加。磁控直拉单晶硅技术（Magnetic Applied Czochralski Method），简称MCZ，是目前世界上生产大尺寸300mm以上半导体级单晶硅的主要方法。现在，随着单晶硅市场规模的不断扩大，超导磁体的需求也在不断释放。单晶硅产业链的上游是多晶硅和各种特殊气体；中游是单晶硅的生产和供应环节；下游主要用于太阳能电池、光伏、半导体、航天工程、汽车等领域。从我国单晶硅产量的角度来看，得益于下游需求的不断增长和各企业产能布局进程的加快，近年来我国单晶硅产能和产量快速增长。随着未来硅片尺寸的不断发展，半导体行业和光伏行业对硅片的需求叠加在一起，用MCZ法制备单晶硅的超导磁体需求也会增加。根据辰光医疗招股书，根据67台/GW的行业标准计算，未来随着N型单晶硅逐步取代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。与传统的加热方法相比，高温超导感应加热设备是一种以超导体为核心的新型电磁感应加热设备，吨料耗电可节约120kWh。2023年4月，联创超导自主研发的世界首台兆瓦级高温超导感应加热设备在黑龙江投入使用，标志着中国超导热加工技术在世界范围内取得了重大进展。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点。它验证了超导磁体、旋转加热等核心技术的稳定性和可靠性，并在金属热加工行业完成了颠覆性替代应用。联创光电预计2024年兆瓦级超导感应加热器年产能达到100台，超导产业园达到产量后，年产能达到500台。另外，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、选矿及污水处理等，我国超导感应加热技术不断发展，应用范围广，设备市场潜力巨大。

6) 电力领域超导产业化应用的曙光初现。在电力行业中，高温超导技术具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。超导电的组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商品，在现实生活中已经得到应用。其中，高温超导输电电缆率先在超导体实现大规模商业应用的过程中实现产业化。目前，许多远程高温超导电缆已经在网上运行。虽然对超导电缆工程的研究起步较晚，但我国已成为国际超导领域的中流砥柱。超导电缆产业化的序幕有望随着示范工程的推进而逐步拉开。

7) 国产车载高温超导磁体投入试验运行，超导在高速电动浮动领域的应用前景可期。目前超高速磁悬浮列车发展的主流趋势是电动飘浮、超导磁悬浮列车具有起动速度高、车辆轻、空隙大等优点。汽车超导磁体是关键部件，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磁体电流衰减率最低，目前低温保持时间最长的是非浸渍固氮低温系统的设计，部分磁体已投入试验运行。高温超导带材料具有临界电流高、温度裕度高、机械强度高等优点。二代HTS带材绕制超导磁体具有结构简单、磁场强度高的优点，可期待应用于高速电动浮动领域。

8) 二硼化镁(MgB2)超导材料有望逐步进入商业化阶段。MgB2具有相关长度大、晶界无弱连接、材料成本低、加工性能好等优点，可以用于核磁共振成像（MRI）系统，特殊电缆，风能电机，空间系统永磁电机等领域。未来研究的突破方向是提高MgB2超导线带材的Jc和稳定性。MgB2超导线带材及其应用在制备技术取得突破后，将走向商业化模式。开放式0.6T医用核磁成像系统正在西北有色金属研究院使用自己制造的MgB2超导线电缆。基于MgB2高温超导线带材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《超导产业深度报告：下十年，奔向超导产业发展的星辰大海》

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