超导材料行业专题报告聚焦技术进展带来的超导产业化提速

超导材料行业专题报告聚焦技术进展带来的超导产业化提速（报告出品方/作者：中信证券，王喆、敖翀、拜俊飞）超导材料详述超导的定义：超导就是超导电性的简写，指某种材料在降至某一温度以下时，电阻忽然晋升为零的现象，这个温度被称作超导临界温度（或超导转变温度），用TC则则表示。对于超导的研究来源于低温物理学。早期的超导物理属于低温物理的关键研究方向，之后随着超导学科的不断发展，其研究领域也在不断扩大，现已和低温物理同属凝聚态物理的分支学科。对于低温物理的研究蓬勃发展于19世纪下半页，当时低温物理的研究主要存两个方向：一就是如何获得绝对零度（0K，即为为零下273.15℃）；二是在极低温下金属材料物理性能的研究。1908年，荷兰科学家昂内斯（HeikeKamerlinghOnnes）将最差液化的气体氦气（He）液化，从而获得了4.2K的极低温度，为超导现象的研究奠定了基础。1911年，昂内斯推断出在液氦（4.2K）的环境下，金属汞（Hg）的电阻成功再再降为了0，昂内斯将其命名为“超导态”，自此打响了超导研究的帷幕。超导体的特征：（1）完全导电性：又称“零电阻效应”，即为为低于临界温度TC时，超导体的电阻快速晋升为零的特性。（2）完全抗磁性：又称“迈斯纳效应”，即为在磁场强度低于临界磁场强度HC时，外界磁场的磁力线无法沿着超导体，超导体内部磁场为零的现象。（3）通量量子化：又称“约瑟夫森效应”（Josephsoneffect），就是所指在“超导体-薄绝缘介质层-超导体”共同共同组成的三明治结构中，电子可以沿着绝缘层从而形成隧穿著电流的现象，这种结构也被变成约瑟夫森结，中间绝缘层的典型厚度为1.5~3nm。超导材料的研发现状及发展趋势根据临界温度多寡，超导材料可以分为低温超导材料和高位超导材料。对于超导的研究可分为“低温超导”和“高温超导”两种。早期对于超导的研究可以划归为低温超导，其TC通常低于25K（零下248℃）的温度。低温超导材料往往使用金属单质及合金材料，其中最存实用价值的低温超导金属材料就是铌（Nb）及其合金，比如NbTi、Nb3Sn等。高温超导就是所指将超导临界温度TC尽可能提高，通常将临界温度多于25K的超导材料变成高温超导材料。常用的高温超导材料涵盖铜基超导材料比如钇钡铜氧（YBCO）和铋锶钙铜氧（BSCCO），铁基超导材料和氢基超导材料等。仍须说明的就是，“高温”也就是相对于过去的低温超导而言的，其温度仍然距低于室温。高温/室温超导材料就是行业发展的关键趋势。为了同时同时实现超导材料更高的临界温度，往往仍须通过施以一定强度的高压（通常高于1GPa，约为大气压的一万倍），但高压状态的超导材料很难被实际应用领域。激进条件制备室温超导材料就是目前学术界积极探索的重点方向。当前高温超导材料通常采用铜基或铁基氧化物材料。经过30多年的积极探索，铜基超导材料已变成目前实用性最差的高温超导材料，在核聚变等应用领域推动下步入规模化量产阶段。铁基高温超导材料自2008年被推断出后实用化研究也在进行中，但其临界温度明显低于铜基强于Auron材料，性能指标较之也存非常大差距，未来发展情况较难进行预测。超导材料的应用领域（1）大电流应用领域（弱电应用领域）：由于超导体在低于临界点时电阻为0，因此可以将强于导体应用领域在长距离输电线、发电及储能领域，从而大幅增加电阻热效应平添的能量损耗，提高电力传输的效率。（2）电子学应用领域（弱电应用领域）：超导体也可以用做电子元器件领域，从而制作超导计算机、超导天线、超导微波器件等。由于计算机集成电路芯片上密集排序的大量元件和不见接线可以在工作时产生大量的热，而散热器也就是超大规模集成电路遭遇的难题。如果采用超导元器件，将可以完全消解散热器难的问题，同时也可以大幅提高计算机的运转速度。（3）抗磁性应用领域：超导体的抗磁性可以应用领域在磁悬浮列车和THF1核聚变等领域。由于超导体具有完全抗磁性，因此磁体和超导体之间可以产生排斥力，超导体可以飘浮在永磁体的上方，利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。较之于现有的磁悬浮列车，超导磁悬浮列车无须大电流即可形成飘浮现象，大幅增加了驱动列车所需的能源。此外，超导体也可以用做磁约束的托克马克装置中，将核反应堆中的高温等离子体约束出，然后慢慢转化成，从而推动THF1核聚变领域的快速发展。低温超导材料产业化现状及应用领域展望未来低温超导材料详述低温超导就是目前商业化超导市场的主导。通常表示，TC<25K的超导材料称为低温强于Auron材料，目前已同时同时实现商业化的涵盖NbTi（TC=9.5K）和Nb3Sn（TC=18K）。存实用价值的铋系则和钇系则则高温超导材料属于氧化物陶瓷，在生产工艺上必须消解加工脆性、氧含量的精确掌控及与基体反应等问题，因此价格昂贵，目前尚处于研发阶段。而以NbTi和Nb3Sn为代表的低温超导材料，由于其具有优良的机械加工性能和成本优势，目前在商业化超导市场中处于主导地位。NbTi和Nb3Sn强于导线就是两种主流的低温超导商业化材料。NbTi和Nb3Sn的主要区别如下：NbTi就是二元合金，具有较好的加工塑性，很高的强度，生产成本低，临界磁场低，主要用做10T以下磁场；Nb3Sn就是金属间化合物，属于脆性材料，加工性能低，生产成本高，但是临界磁场高，主要用做10T以上的磁场。而超导导线通过甩阮光缵产生强磁场的强于导线圈，以及融合其运转所必要的低温恒温容器回去制成超导磁体。通常电磁铁就是利用在导体中通过电流产生磁场，由于超导材料在超导状态下具有零电阻特性，因此可以以极小的面积通过非常小的电流，并使其具有场强高、体积小、体积小等特性。基于产生的强磁场，强于Auron磁体主要应用领域涵盖MRI、MCZ、NMR、ITER、加速器、科研用特种磁体等。低温超导材料产业链详述低温超导行业产业链主要包括上游原材料、超导线材、超导磁体、超导设备四个环节。由于低温超导线材行业对原材料的消耗量并不大，因此上游原材料对超导线材行业的影响并不明显。低温超导线材环节，英国Oxford、德国Bruker、英国Luvata三家公司是全球最主要的生产商；而超导磁体领域国内外目前已经有较多厂商实现量产。而线材环节的上游还包括NbTi棒材环节，由于Nb和Ti的熔点相差较大，若控制不好熔炼技术，易导致后续细芯丝NbTi线加工中断线，因此NbTi二元合金棒的制备非常困难，该环节目前主要由美国ATI公司以及我国的西部超导进行供应。低温超导材料应用领域介绍MRI就是当前超导材料的最主要应用领域，关上市场空间。MRI就是一种生物磁磁矩光学技术，它利用原子核磁矩运动的特点，在另加磁场内，经射频脉冲唤醒后产生信号，经过计算机处理转换后获得图像。与基于CT的X射线技术相同，MRI对人体无法产生放射性损坏，可以同时同时实现三维立体加载、光学图像分辨率高、对肿瘤早期诊断存较低的临床价值，已经广为运用于全身各部位脏器的疾病诊断中。与永磁型MRI较之，超导MRI光学区磁场高，所以可以获得更高的分辨率，通过闭环运转方式同时同时实现磁场空间和时间均衡性更高，通常可以少于10年以上而不变化，这同意了超导MRI具有永磁型MRI无可比拟的优势。Takeda咨询统计数据，我国MRI设备市场增长速度高于全球平均水平，共振国产设备的不断突破，且预计我国MRI市场规模在2021-2025年将以12%的CAGR快速增长至155亿元，同时关上超导材料的市场需求空间。超导磁体二者较常导磁体在MCZ应用领域上具备明显优势，将受益于光伏行业高景气度。磁控直拉单晶硅技术（MCZ）就是制备大尺寸单晶硅的主流方法，可实现大尺寸单晶硅的生长。其物理基础就是通过磁场对导电硅流体的热对流形成抑制作用，遏止单晶硅生长过程中杂质和瑕疵的产生。据《直拉式单晶硅生长炉超导磁体研究》（吴小四着）报导，采用强于Auron磁体提供更多更多5,000Gs（高斯）均衡磁场的MCZ技术就是目前国际上生产300mm以上大尺寸单晶硅的最主要方法。我国300mm以上的半导体级MCZ生产装备磁场部分主要由常Auron磁体提供更多更多，常导磁体功耗大（大于100kW）、仍须繁琐的冷却系统（存管道破损等问题），且无法高效率掌控杂质和瑕疵的产生。我国光伏行业的快速发展迫切需要发展满足用户300mmMCZ单晶硅制备用超导磁体生产技术并同时同时实现规模应用领域，以促进我国单晶硅行业的产业技术升级。形成彪悍的磁场就是同时同时实现磁约束路线THF1核聚变的前提。THF1核聚变被表示就是终极洁净能源，其基本原理就是用强磁场构成的一个“磁笼”将超高温的核聚变燃料等离子约束在一个真空腔体中进行聚变反应。磁约束路线仍须利用装置回去提供更多更多特定磁场，其中最著名的便就是托卡马克（Tokamak）装置。最知名的托卡马克涵盖欧洲携手环路（JET）、国际热核聚变实验反应堆（或则表示“伊特尔”人造太阳计划，ITER）和中国的东方超环（EAST）。超导材料是磁约束装置形成强磁场必不可少的材料。想要实现对高能等离子体的有效约束，通过磁铁以及永磁体无法满足对应的磁场需求，故需要通过线圈即电生磁的方式来实现。电生磁过程中，电阻的存在不仅对能量有损耗，同时也影响最终能实现的磁场强度，故超导材料是实现磁约束路线可控核聚变必不可少的一部分。根据西部超导公告，ITER设计共有超导大型磁体48个，具体包括：18个纵场线圈（TF）、6个极向场线圈（PF）、6个中心螺管线圈组成的中心螺管（CS）和18个校正场线圈（CC），其中TF和PF采用Nb3Sn超导线，CS和CC采用NbTi超导线，将产生高达13T的磁场，超过地磁场的20万倍；我国承担69%的NbTi超导线和7%的Nb3Sn超导线生产任务。随着有关技术突破及资本涌入，THF1核聚变商业化按下快速键。人类对于核聚变的研究和利用未有多于70年历史，而极端的工作环境建议，并使THF1核聚变领域的研发一直存着著名的“50年悖论”。随着有关技术突破及资本涌入，THF1核聚变商业化已经已经开始快速。2022年12月13日，美国能源部正式宣布正式宣布其NIF装置冷却成功，并同时同时实现了核聚变“天量能量增益”，在理论上检验了核聚变商业化的可能性。该领域成立的创业公司数量也快速攀升至近40家，仅在2022年内就获得了约50亿美元的风投资金。同时根据Keytoneventures预测，全球核聚变市场规模将从2022年的2964亿美元快速增长至2027年的3951.4亿美元，对应CAGR为6.0%。ChatGPt在今年的横空出世，也将对核聚变产业的发展产生关键性影响，其在高维数据中寻得最优解的能力或显著缩短THF1核聚变商业化开发周期。除了上述应用领域外，低温超导材料还应用于核磁共振波谱仪（NMR）和加速器用超导磁体等领域。其中NMR的分辨精度与所用磁体强度成正比，仍须采用高场超导磁体生产，目前国内NMR系统完全依赖进口。超导材料就是加速器磁体的关键组成部分，2008年，LHC（欧洲大型强子对撞机）采用1200吨的NbTi强于导线制成了10000个超导磁体，作为粒子加速器的组成部分。高温超导材料研发及产业化现状高温超导材料详述高温超导材料通常所指其超导转变温度在25K（即为为零下248度）以上的超导材料。由于超导现象最早在金属汞中推断出，因此早期对于超导材料的研究著眼于金属单质和合金，但寻找至的最优金属的转变温度也仅有9K，距高温超导甚远。1941年之后，学界已经已经开始在金属与过渡阶段金属的化合物、金属与非金属的化合物中寻找超导体。1973年美国物理学家加瓦勒利用离子喷发物法制成Nb3Ge薄膜，其TC达致23.2K，为当时超导体的最高纪录。这一纪录在接下来的13年内无人能够打破，高温超导始终可望而不可即，25K的门槛似乎无人能够越过。镧系超导体的推断出关上了高温超导体研究的大门。1986年，德国科学家另辟蹊径，高度高度关注了被长期忽略的金属氧化物，推断出了镧系的超导体，其临界温度少于30K，正式宣布正式宣布关上了高温超导体的大门。在此之前，人们普遍认为超导现象只可以发生在液氦温度以下。高温强于Auron材料的推断出非常大地推动了超导技术的发展和应用领域。此后，代莱铜基高温超导体纷纷涌现。1988年，铜基超导体YBCO被推断出，首次将临界温度跌至了液氮温度（77K）以上。2008年，日本工业大学的团队首先推断出了掺杂氟元素的LOFA材料中存超导现象，引发了铁基为超导体的研究热潮。同年，我国团队用稀土元素替代LOFA材料，获得了临界温度少于55K的高温铁基钐系则则超导体。YBCO超导体YBCO超导材料就是目前研究最明朗的高温超导材料之一。1987年，源于美国、日本和中国的科学家相继推断出了第一个高于液氮温度的超导体——钇钡铜氧化物（YttriumBariumCopperOxide，YBCO）。YBCO超导体属于钇系则则高温超导材料，就是铜基超导水解物陶瓷的一种。超导氧化物陶瓷所指的就是在临界温度以下具有超导体特性的、由无机金属氧化物共同共同组成的陶瓷。超导陶瓷的问世大幅提高了超导体的临界温度，打破了“陶瓷无法导电”的观念。YBCO超导体就是首个突破77K大关，抵达液氮温区的超导体。由于液氮价格低廉，在工业生产中广为使用，价格约每公斤4元，相符于矿泉水，因此若想抵达液氮温区就是高温超导可以广为商用的关键标准之一。而YBCO超导体高少于90K的超导转变温度大大降低了其空调成本，推动了其在科研领域和工业生产中的广泛应用。但YBCO材料作为超导陶瓷仍存一些严重不足。首先YBCO材料在生产工艺上存加工脆性、仍须精确掌控氧含量等问题，以致其生产成本低。其次，YBCO材料韧性极差，不抗压制，导致其在工业生产领域用途受到限制。BSCCO超导体BSCCO超导体的超导转变温度可以高于100K。BSCCO（铋钡钙铜氧化物，BismuthStrontiumCalciumCopperOxide）超导体在1988年被日本物理学家田中义一和大坂大学团队推断出。BSCCO超导体的超导转变温度少于110K，可以在液氮温度以上工作。BSCCO相较于能用液氮冷却的YBCO材料冷却成本更高。110K的临界温度并使其可以用液化空气或者液氧冷却。而液化空气和液氧的价格均比液氮更为高昂，因此BSCCO材料的空调成本更高。由于BSCCO较低的超导转变温度和较好的电流承载能力，BSCCO超导体在高温超导技术的研究和中充分发挥着关键促进作用。但BSCCO材料同样为超导陶瓷材料，遭遇着生产成本低、机械强度低等问题。高温超导材料产业化现状及市场展望未来高温超导材料可以用做制作电网电缆。目前长距离电网通常采用超高压和特高压架空电缆，一方面仍须采用更粗的电缆以尽可能减小电阻平添的损耗，另一方面由于发热量大及占地面积大的原因很难在地下布置使用。而利用高温超导材料制作的长距离电网电缆，具有能量损耗低、传输容量大、占地面积小、可靠性高等优点，可以广为应用于商业区、位列民区、工业区等人口密集区域的供电。以上海超导公司的超导电缆产品为基准，直流超导输电过程中的损耗可以增加70%-80%，即使算上空调费用，超导电缆的运转费用也仅为常规电缆的1/4，较之于传统电缆经济性更好。Conectus预测，2023年全球高温超导带材追加新增产能料从2022年的10000千米/年上升至20000千米/年。高温超导材料可以用做磁悬浮列车和THF1核聚变等领域。高温超导磁悬浮技术通过采用高温超导带材线圈，可以显著提质和列车体积的同时大幅提高列车的牵引力和速度。目前，德国、巴西以及我国都在进行高温超导磁悬浮环形线的研究，与日本正在实验的高温超导磁悬浮的液氦冷却（零下269℃）相同，高温超导磁悬浮采用液氮冷却（零下196℃），工作温度赢得了大幅提高，极具应用领域潜力。此外，由于低温超导材料在高场下电流急剧收缩，目前主要应用于15T以下场景，高温超导材料在高场下临界电流密度收缩较平缓，可以创造更高磁场，从而大幅压缩核聚变反应堆的体积。高温超导材料助推的太紧兎型THF1核聚变技术近年来快速蓬勃发展，显著推动了THF1核聚变的产业化进程。全球超导产品市场料迎接快速增长，高温超导材料市场份额预计提升。根据Conectus统计数据，全球超导材料产品的市场规模从2014年的54.9亿欧元快速增长至2022年的68亿欧元，2014-2022年超导行业市场规模CAGR为2.7%。随着高温超导材料技术产业化应用领域大力大力推进，全球超导产品市场规模料迎接快速增长。Conectus预计至2027年全球强于Auron产品市场规模料增至192亿欧元，对应2022-2027年CAGR达致23%，行业发展显露出著快速。由于低温超导材料具有优良的机械加工性能和成本优势，目前就是超导产品的主流技术，根据Conectus数据，市场份额多于90%。高温超导材料的快速发展料并使其以以获取更高的市场份额，Conectus预计至2030年高温超导材料将占据全球超导行业25%的市场份额。室温超导材料研发进展室温超导才具备真正的应用领域价值。较之于高温超导而言，室温超导可以看作就是“极高温超导”，唯有将超导体的超导转变温度提高至室温，就可以有效率增加这项技术的成本，从而使其充分发挥出本该的价值。镥-氮-氢体系室温高压超导2023年3月美国科学家正式宣布正式宣布同时同时实现21℃下的室温超导。2023年3月，美国罗切斯特大学的RangaDias团队在自然卤志上刊发表文章（《Evidenceofnear-ambientsuperconductivityinaN-dopedlutetiumhydride》）则表示其团队制备出一种由氢、氮和稀土金属镥共同共同组成的化合物，该物质可以在294K（约21℃）和1GPa的环境下同时同时实现超导。但该工作遭到众多知名科学家的抨击，考虑到该课题组在2020年发布的相近工作难以Cadours，并最终被自然杂志刘登义，因此我们表示需谨慎看待该成果，仍须要存有更多Cadours的证据回去检验其真实性。LK-99材料室温常压超导韩国研究团队近期正式宣布正式宣布制备出室温常压超导材料。2023年7月21日，韩国研究团队正式宣布正式宣布制备出由铅、铜、磷、氧制备的Pb10-XCuX(PO4)6O化合物（又称LK-99）可以在高于400K（即为为127℃）的常压环境下同时同时实现超导性，目前该工作尚未通过同行投票表决，进度表印本提前刊载在arXiv平台上。根据该工作（《SuperconductorPb10-XCuX(PO4)6Oshowinglevitationatroomtemperatureandatmosphericpressureandmechanism》（SukbaeLee、JihoonKim、Hyun-TakKim看看著））报导，完备的铅磷灰石就是一种绝缘体，掺杂铜后即可同时同时实现在临界温度以下就是超导体，临界温度以上就是导体的现象，该材料在60℃以下时零电阻现象和迈斯纳效应均被观测至。LK-99材料可以以通在过珍单的高温固二者法制备。根据论文（《SuperconductorPb10-XCuX(PO4)6Oshowinglevitationatroomtemperatureandatmosphericpressureandmechanism》（SukbaeLee、JihoonKim、Hyun-TakKim看看著））的报导，制取LK-99材料仅仍须三步。首先，将氧化铅和硫酸铅粉末以1:1比例在陶瓷坩埚中扁平混合，在725℃的空气环境下加热24小时。在加热过程中，混合物发生化学反应，产生徐铅矿。第二步，将铜和磷粉末按照比例在坩埚中混合，之后将混合粉末密封在真空度为10-3Torr的真空炉中以550℃的温度加热48小时，在此过程中混合物发生反应并形成磷化亚铜晶体。第三步，将徐铅矿和磷化亚铜晶体研磨成粉末并混合，以相同的真空度在925℃的真空炉中加热5-20小时。在此过程中，混合物发生反应并形成LK-99材料。原料中的硫元素在反应过程中熔化。国内外未有多家研究机构著手CadoursLK-99材料的超导性。2023年8月1日，源于北航的研究团队在arXiv平台上提交论文（《SemiconductingtransportinPb10-XCuX(PO4)6OsinteredfromPb2SO5andCu3P》（LiLiu、PeixinQin、ZhiqiLiu看看著）），则表示制取出的LK-99材料并未展示出超导性。作者则则表示，他们制取的材料与原论文的X射线衍射图谱一致，表清成功制取出LK-99材料，但该材料未整体整体表现出抗磁性，也无法观测至磁悬浮现象；从电阻测试结果来看，LK-99更像是一种半导体。同日，源于华中科技大学的团队则则表示成功制取LK-99材料，该材料展示出了一定的抗磁性，能够同时同时实现磁悬浮现象，但由于样品数量较太太少，尚未进行电学测试。美国研究团队通过材料排序的方式从理论上检验了LK-99材料超导特性。2023年7月31日，美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究员西妮德·格里芬（SinadGriffin）在进度表印本arXiv平台上刊载论文（《Originofcorrelatedisolatedflatbandsincopper-substitutedleadphosphateapatite》），该团队使用密度泛函理论（DFT）和GGA+U方法进行了材料排序模拟，结果表明LK-99材料在理论层面上的确存室温超导的可能性，但铜仍须掺杂至特定的边线就可以同时同时实现超导性。因此我们表示，LK-99材料的制取方式可能会对其超导性能产生关键影响，目前制取该材料的方法重复性极差，未来存必要研发更容易掌控掺杂量及铜离子边线的新方式。目前LK-99材料是否具有超导性仍仍须更多的Cadours实验。我们表示，目前无法推测LK-99材料是否在常温常压下具备超导性，仍仍须更多的Cadours实验回去检验。预计未来仍仍须对该材料中的铜掺杂比例及制备方式进行升级运算。目前对于室温超导材料的研究正停留于实验室阶段，距离大规模产业化仍存较长的距离。超导行业有关上市公司简介永鼎股份：公司的主营业务包括研制、生产和销售通信光缆、光器件、通信电缆、电力电缆、电力柜等系列产品，提供配套工程服务。公司主营产品包括第二代高温超导带材及其应用设备，以及超导（通用）电气产品，可广泛应用于风电、核电、电网、交通、医疗、军事、重大科学工程等领域。联创光电：公司主营业务为光电子器件及应用产品、电线电缆产品的研发、生产和销售，其中光电子器件广泛应用于家电智能控制、手机、平板、车载及电脑等背光源显示、照明用LED灯具、