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8月10日，民生證券發(fā)布了一份關(guān)于超導(dǎo)行業(yè)的深度報(bào)告。

該報(bào)告詳細(xì)分析了超導(dǎo)的基本特性、應(yīng)用領(lǐng)域以及我國超導(dǎo)行業(yè)目前的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)超導(dǎo)的下游應(yīng)用場景以及未來發(fā)展進(jìn)行了深度的研究和展望。本文通過解讀，希望幫助大家更進(jìn)一步地了解我國超導(dǎo)行業(yè)的發(fā)展水平。

超導(dǎo)介紹：基本特性，理論發(fā)展與應(yīng)用領(lǐng)域

超導(dǎo)體的三大基本特性：零電阻，完全抗磁性和量子隧穿效應(yīng)。超導(dǎo)，全稱超導(dǎo)電性，是指導(dǎo)體在某一溫度下，其電阻為零的狀態(tài)。1911年，荷蘭物理學(xué)家H·卡茂林·昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)汞在溫度降至4.2K附近時(shí)突然進(jìn)入一種新狀態(tài)，其電阻小到幾乎測不出來，隨后他把汞的這一新狀態(tài)稱為超導(dǎo)態(tài)。1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)重要的性質(zhì)——完全抗磁性。完全抗磁性是指超導(dǎo)體會(huì)把原來處于體內(nèi)的磁場排擠出去，使其內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。1962 年，約瑟夫森（Brian D. Josephson）預(yù)言，在薄絕緣層隔開的兩種超導(dǎo)體之間有電流通過，即有“電子對(duì)”能“穿過”薄絕緣層（量子隧穿），而超導(dǎo)結(jié)上并不出現(xiàn)電壓，這個(gè)預(yù)言隨后被證實(shí)，這一現(xiàn)象被稱為量子隧穿效應(yīng)。

超導(dǎo)材料具有常規(guī)材料不具備的零電阻、完全抗磁性等宏觀量子現(xiàn)象，是典型的量子材料。超導(dǎo)材料的探索主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：1911～1986 年是低溫超導(dǎo)材料發(fā)展階段，1986年發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)體，2021年發(fā)現(xiàn)臨界轉(zhuǎn)變溫度為39K的金屬化合物MgB?超導(dǎo)體，2008年發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體。此外，自從超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)以來，人們就沒有停止過對(duì)“室溫超導(dǎo)”的向往與探索。

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

在應(yīng)用領(lǐng)域方面，超導(dǎo)體因?yàn)榫哂薪^對(duì)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(lǐng)域都有超導(dǎo)體的用武之地，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)工程、交通運(yùn)輸、電力等領(lǐng)域。

但超導(dǎo)材料大規(guī)模應(yīng)用受到多重限制。縱然超導(dǎo)應(yīng)用潛力巨大，但超導(dǎo)材料的實(shí)現(xiàn)有嚴(yán)格的條件。限制超導(dǎo)應(yīng)用主要有三個(gè)臨界參數(shù)：臨界溫度、臨界磁場和臨界電流密度，這意味著超導(dǎo)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(shí)現(xiàn)。一旦突破某個(gè)臨界參數(shù)，材料有可能瞬間從零電阻變成有電阻的狀態(tài)，從而失去超導(dǎo)性能。三個(gè)臨界參數(shù)中后兩者決定了它的應(yīng)用場景范圍，而臨界溫度則是應(yīng)用的最大瓶頸。因?yàn)榈蜏鼐鸵馕吨趹?yīng)用超導(dǎo)體的同時(shí)，還面臨著高昂的制冷成本。因此，科學(xué)家們?cè)谘芯砍瑢?dǎo)的過程中，一直在努力提高超導(dǎo)材料的臨界溫度，其中“三重天花板”是重點(diǎn)突破的目標(biāo)。

我國超導(dǎo)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)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(quán)獨(dú)立成員加入 ITER計(jì)劃。ITER計(jì)劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一，其原理是利用磁場對(duì)等離子體進(jìn)行約束，模擬太陽的核聚變反應(yīng)產(chǎn)生能量并實(shí)現(xiàn)可控利用，俗稱“人造太陽”。ITER計(jì)劃需要采用NbTi和Nb3Sn超導(dǎo)線材制造超導(dǎo)磁體，線材制造任務(wù)由各參與國承擔(dān)。2003年我國政府決定參加ITER計(jì)劃時(shí)，國內(nèi)尚無企業(yè)具備NbTi和Nb3Sn超導(dǎo)線材生產(chǎn)能力，迫切需要開展超導(dǎo)線材產(chǎn)業(yè)化。到目前，我國已經(jīng)能生產(chǎn)Nb3Sn超導(dǎo)線材和NbTi超導(dǎo)線材并交付ITER計(jì)劃，產(chǎn)品性能獲得業(yè)界高度肯定。

在鼓勵(lì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，我國超導(dǎo)行業(yè)的發(fā)展趨勢將向提高性能、降低成本，功能集成化的方向發(fā)展。為了鼓勵(lì)和規(guī)范行業(yè)健康有序發(fā)展，我國政府先后出臺(tái)了一系列政策對(duì)超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)予以支持。

在超導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)化方面，超導(dǎo)技術(shù)委員會(huì)（簡稱IEC/TC90）于1989年7月正式成立，負(fù)責(zé)建立與超導(dǎo)材料和器件相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)。IEC/TC90現(xiàn)有日、中、韓、美、俄、德、法、意等10個(gè)參加成員國，截至目前，IEC/TC90共頒布了25項(xiàng)超導(dǎo)國際標(biāo)準(zhǔn)，近來IEC/TC90推出國際標(biāo)準(zhǔn)的步伐明顯加快，超導(dǎo)國際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)從術(shù)語和定義、超導(dǎo)特性測量方法，逐漸過渡到實(shí)用超導(dǎo)線和超導(dǎo)器件的一般性規(guī)范。我國主持的標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目包括鈮鈦和鈮三錫復(fù)合超導(dǎo)線扭距測量——國際標(biāo)準(zhǔn)和超導(dǎo)單光子探測器——暗記數(shù)率——國際標(biāo)準(zhǔn)。在國家標(biāo)準(zhǔn)方面，我國目前發(fā)布了25個(gè)超導(dǎo)國家標(biāo)準(zhǔn)。

低溫超導(dǎo)應(yīng)用場景拓展，高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化蓄勢待發(fā)

低溫超導(dǎo)已經(jīng)規(guī)模商業(yè)化，高溫超導(dǎo)正逐步開始產(chǎn)業(yè)化。雖然已發(fā)現(xiàn)了上千種超導(dǎo)材料，但具有實(shí)用化前景的材料并不多。低溫超導(dǎo)材料自1965年開始研究，其中低溫超導(dǎo)材料NbTi與Nb3Sn目前已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。而高溫超導(dǎo)材料自1986年進(jìn)行研究，目前才剛開始進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。

1) 低溫超導(dǎo)應(yīng)用場景的拓展

NbTi超導(dǎo)線材用量占整個(gè)超導(dǎo)材料市場的90%以上。低溫超導(dǎo)根據(jù)成份分為金屬低溫超導(dǎo)材料、合金低溫超導(dǎo)材料和化合物低溫超導(dǎo)材料。低溫超導(dǎo)材料在批量化加工技術(shù)、成本、使用穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢無可替代。目前已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的包括NbTi（鈮鈦，Tc=9.5K）和Nb3Sn（鈮三錫，Tc=18k），NbTi超導(dǎo)線材由于具有優(yōu)異的中低磁場超導(dǎo)性能、良好的機(jī)械性能和加工性能以及價(jià)格優(yōu)勢，在實(shí)踐中獲得了大規(guī)模應(yīng)用，其用量占整個(gè)超導(dǎo)材料市場的90%以上；而Nb3Sn的臨界溫度相對(duì)較高，在18K左右，材料本身具有脆性，力學(xué)加工性能較差，臨界電流對(duì)應(yīng)變比較敏感，且制造困難、造價(jià)相對(duì)較高。

2) 高溫超導(dǎo)技術(shù)突破，產(chǎn)業(yè)化蓄勢待發(fā)

高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)化加速。在高溫超導(dǎo)材料中，由于銅氧化物超導(dǎo)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(yīng)用前景。高溫銅氧化物超導(dǎo)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(shí)用化上更具有優(yōu)勢。以Bi-Sr-Ca-Cu-O為代表的第一代高溫超導(dǎo)材料，和以Y-Ba-Cu-O為代表的第二代高溫超導(dǎo)材料受到廣泛關(guān)注。同時(shí)，MgB2（Tc=40K）材料，鐵基超導(dǎo)材料等應(yīng)用價(jià)值也在不斷開拓，高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)化近年來逐漸開始加速。

第一代高溫超導(dǎo)材料主要通過擠壓力獲得超導(dǎo)電性。其中Bi系超導(dǎo)材料主要的應(yīng)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(fā)生轉(zhuǎn)向，從而獲得良好的超導(dǎo)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(fā)生轉(zhuǎn)向，獲得超導(dǎo)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(yīng)法。

第二代高溫超導(dǎo)帶材生產(chǎn)工藝方面，一些發(fā)達(dá)國家先后突破了第二代高溫超導(dǎo)帶材的長線制備技術(shù)，公里級(jí)帶材的生產(chǎn)工藝已日趨成熟。

第二代高溫超導(dǎo)帶材YBCO成為行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向。第二代高溫超導(dǎo)帶材及應(yīng)用產(chǎn)品將在多個(gè)重要領(lǐng)域，如綠色能源、智能電網(wǎng)、軍事工業(yè)、醫(yī)療器械、交通及科學(xué)研究等領(lǐng)域被大力推廣應(yīng)用，目前我國高溫超導(dǎo)材料大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸問題主要在于材料價(jià)格過高，需要進(jìn)一步提高技術(shù)成熟度，提升產(chǎn)業(yè)化能力，并改善材料綜合性能，從而提高材料性價(jià)比。

超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)下游應(yīng)用場景持續(xù)突破

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

2) 超導(dǎo)在核聚變領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。核能具有能量密度高、穩(wěn)定可靠、清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，是化石能源的最佳替代項(xiàng)。磁約束是實(shí)現(xiàn)聚變能開發(fā)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(yōu)異的等離子體約束品質(zhì)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(gè)全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置EAST（東方超環(huán)），標(biāo)志著聚變能發(fā)展步入全超導(dǎo)托卡馬克時(shí)代。其中EAST超導(dǎo)磁體采用的是CICC超導(dǎo)體，選用NbTi為超導(dǎo)材料。此外超導(dǎo)材料在中國聚變工程試驗(yàn)堆（CFETR）以及國際大工程科學(xué)計(jì)劃——ITER計(jì)劃中都有具體應(yīng)用。

3) 射頻超導(dǎo)腔是粒子加速器關(guān)鍵部件。射頻超導(dǎo)腔是新一代粒子加速器中的關(guān)鍵部件，采用鈮超導(dǎo)腔的粒子加速器，具有運(yùn)行穩(wěn)定好、平均流強(qiáng)高、加速梯度高、低損耗、運(yùn)行成本低的特點(diǎn)。加速器是重要的科學(xué)裝置，在材料物理、高能物理、核物理、放射性核素研究等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，在能源、醫(yī)療、軍事等方面也有著重要的應(yīng)用價(jià)值。射頻超導(dǎo)腔是加速器中給粒子束流提供能量的核心部件，相當(dāng)于加速器的發(fā)動(dòng)機(jī)。而超導(dǎo)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(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值，國內(nèi)相關(guān)科學(xué)項(xiàng)目預(yù)計(jì)將帶來超800只需求，需求空間可觀。

4) 超導(dǎo)在MCZ應(yīng)用逐步放量。磁控直拉單晶硅技術(shù)（Magnetic Applied Czochralski Method），簡稱MCZ，是目前國際上生產(chǎn)300mm以上大尺寸半導(dǎo)體級(jí)單晶硅的最主要方法。目前，單晶硅市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，拉動(dòng)著超導(dǎo)磁體需求也在持續(xù)釋放。單晶硅行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上游為多晶硅及各類特種氣體；中游為單晶硅的生產(chǎn)供應(yīng)環(huán)節(jié)；下游主要應(yīng)用于太陽能電池、光伏、半導(dǎo)體、航空航天、汽車等領(lǐng)域。從我國單晶硅產(chǎn)出情況來看，得益于下游需求的不斷增長以及各企業(yè)產(chǎn)能布局進(jìn)程加快，近年來我國單晶硅產(chǎn)能及產(chǎn)量均快速增長。隨著未來硅片不斷向大尺寸方向發(fā)展，疊加半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)與光伏產(chǎn)業(yè)對(duì)于硅片的需求，對(duì)于用MCZ法制備單晶硅所用的超導(dǎo)磁體需求量也會(huì)增加。根據(jù)辰光醫(yī)療招股說明書，按照67臺(tái)/GW的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，未來伴隨著N型單晶硅逐步替代P型單晶硅，對(duì)磁拉單晶超導(dǎo)磁體的需求將達(dá)到近萬臺(tái)。

5) 高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置是以超導(dǎo)體為核心的新型電磁感應(yīng)加熱設(shè)備，相較傳統(tǒng)加熱方式，噸料耗電可節(jié)約120kWh。2023年4月，聯(lián)創(chuàng)超導(dǎo)自主研制的世界首臺(tái)兆瓦級(jí)高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置于黑龍江投用，標(biāo)志我國超導(dǎo)熱加工技術(shù)在全球?qū)崿F(xiàn)重大突破。該設(shè)備具有磁場強(qiáng)度高、透熱深度大、能效轉(zhuǎn)化率高等顯著優(yōu)勢，并對(duì)超導(dǎo)磁體、旋轉(zhuǎn)加熱等核心關(guān)鍵技術(shù)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，在金屬熱加工行業(yè)實(shí)現(xiàn)了顛覆性替代應(yīng)用。聯(lián)創(chuàng)光電預(yù)計(jì)2024年兆瓦級(jí)超導(dǎo)感應(yīng)加熱器年產(chǎn)能達(dá)100臺(tái)，超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)園達(dá)產(chǎn)后，可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)500臺(tái)的目標(biāo)。此外，高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)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(nèi)超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)不斷得到發(fā)展，應(yīng)用范圍廣闊，設(shè)備市場空間巨大。

6) 超導(dǎo)在電力領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用曙光初現(xiàn)。其中高溫超導(dǎo)技術(shù)在電力工業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。超導(dǎo)電力的結(jié)合包括高溫超導(dǎo)限流器、高溫超導(dǎo)電纜、高溫超導(dǎo)變壓器等一系列產(chǎn)品，且均已在實(shí)際生活中得到使用，其中高溫超導(dǎo)輸電電纜在超導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)規(guī)?；纳虡I(yè)應(yīng)用過程中，率先邁向產(chǎn)業(yè)化，目前已有多個(gè)長距離高溫超導(dǎo)電纜掛網(wǎng)運(yùn)行。雖然關(guān)于超導(dǎo)電纜工程的研究起步較晚，但我國已經(jīng)成為國際超導(dǎo)領(lǐng)域的中堅(jiān)力量。隨著示范工程的推進(jìn)，超導(dǎo)電纜產(chǎn)業(yè)化大幕有望逐步拉開。

7) 國內(nèi)車載高溫超導(dǎo)磁體投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，超導(dǎo)在高速電動(dòng)懸浮領(lǐng)域應(yīng)用前景可期。電動(dòng)懸浮、超導(dǎo)磁懸浮列車具有運(yùn)行速度高、車輛輕、懸浮間隙大等優(yōu)點(diǎn)，是目前超高速磁懸浮列車發(fā)展的主流趨勢。車載超導(dǎo)磁體則是核心部件，國內(nèi)車載超導(dǎo)磁體研究包括中國合肥物質(zhì)研究院LTS磁體、中國上海交通大學(xué)HTS磁體、中國西南交通大學(xué)HTS磁體等，其中上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)的閉環(huán)車載HTS磁體的電流衰減率是最低的，設(shè)計(jì)的非浸漬、固氮低溫系統(tǒng)也是目前低溫維持時(shí)間最長的，部分磁體已經(jīng)投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。高溫超導(dǎo)帶材具有臨界電流高、溫度裕度大、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，采用二代HTS帶材繞制超導(dǎo)磁體具有結(jié)構(gòu)緊湊、磁場強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，在高速電動(dòng)懸浮領(lǐng)域應(yīng)用前景可期。

8) 二硼化鎂（MgB2）超導(dǎo)材料有望逐步邁入商業(yè)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(yōu)點(diǎn)，可用于核磁共振成像（MRI）系統(tǒng)、特殊電纜、風(fēng)力發(fā)電電機(jī)及空間系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)等領(lǐng)域。提高M(jìn)gB2超導(dǎo)線帶材的Jc和穩(wěn)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(dǎo)線帶材及其應(yīng)用將邁向商業(yè)化模式。西北有色金屬研究院正在用自己生產(chǎn)的MgB2超導(dǎo)線材，制備開放式0.6T醫(yī)用核磁成像系統(tǒng)。基于MgB2高溫超導(dǎo)線帶材制備的開放式醫(yī)用核磁共振成像系統(tǒng)有望投入使用，并逐步向商業(yè)化發(fā)展。

*參考資料：民生證券《超導(dǎo)行業(yè)深度報(bào)告：下個(gè)十年，奔向超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的星辰大?！?/p>

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