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超导材料简介超导的定义：超导是超导电性的简称，指某种材料在降至某一温度以下时，电阻突然降为零的现象，这个温度被称为超导临界温度（或超导转变温度），用TC表示。对于超导的研究起源于低温物理学。早期的超导物理属于低温物理的重要研究方向，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兴起于19世纪下半页，当时低温物理的研究主要有两个方向：一是如何获得绝对零度（0K，即零下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）将最难液化的气体氦气（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，昂内斯发现在液氦（4.2K）的环境下，金属汞（Hg）的电阻成功降为了0，昂内斯将其命名为“超导态”，自此拉开了超导研究的帷幕。超导体的特征：（1）完全导电性：又称“零电阻效应”，即低于临界温度TC时，超导体的电阻迅速降为零的特性。（2）完全抗磁性：又称“迈斯纳效应”，即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穿过超导体，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），是指在“超导体-薄绝缘介质层-超导体”组成的三明治结构中，电子可以穿过绝缘层从而形成隧穿电流的现象，这种结构也被成为约瑟夫森结，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高低，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一般低于25K（零下248℃）的温度。低温超导材料往往选用金属单质及合金材料，其中最有实用价值的低温超导金属材料是铌（Nb）及其合金，如NbTi、Nb3Sn等。高温超导是指将超导临界温度TC尽可能提高，一般将临界温度超过25K的超导材料成为高温超导材料。常见的高温超导材料包括铜基超导材料如钇钡铜氧（YBCO）和铋锶钙铜氧（BSCCO），铁基超导材料和氢基超导材料等。需要说明的是，“高温”也是相对于过去的低温超导而言的，其温度仍然远低于室温。高温/室温超导材料是行业发展的重要趋势。为了实现超导材料更高的临界温度，往往需要通过施加一定强度的高压（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。温和条件制备室温超导材料是目前学术界探索的重点方向。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多年的探索，铜基超导材料已成为目前实用性最好的高温超导材料，在核聚变等应用推动下进入规模化量产阶段。铁基高温超导材料自2008年被发现后实用化研究也在进行中，但其临界温度明显低于铜基超导材料，性能指标相比也有较大差距，未来发展情况较难进行预测。超导材料的应用（1）大电流应用（强电应用）：由于超导体在低于临界点时电阻为0，因此可以将超导体应用在长距离输电线、发电及储能领域，从而大幅降低电阻热效应带来的能量损耗，提高电力传输的效率。（2）电子学应用（弱电应用）：超导体也可以用于电子元器件领域，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列的大量元件和连接线会在工作时产生大量的热，而散热也是超大规模集成电路面临的难题。如果采用超导元器件，将会完全克服散热难的问题，同时也会大幅提高计算机的运行速度。（3）抗磁性应用：超导体的抗磁性可以应用在磁悬浮列车和可控核聚变等领域。由于超导体具有完全抗磁性，因此磁体和超导体之间会产生排斥力，超导体可以悬浮在永磁体的上方，利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。相比于现有的磁悬浮列车，超导磁悬浮列车无需大电流即可形成悬浮现象，大幅降低了驱动列车所需的能源。此外，超导体也可以用于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起来，然后慢慢释放，从而推动可控核聚变领域的快速发展。低温超导材料产业化现状及应用展望低温超导材料简介低温超导是目前商业化超导市场的主导。一般认为，TC<25K的超导材料称为低温超导材料，目前已实现商业化的包括NbTi（TC=9.5K）和Nb3Sn（TC=18K）。有实用价值的铋系和钇系高温超导材料属于氧化物陶瓷，在制造工艺上必须克服加工脆性、氧含量的精确控制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超导线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是二元合金，具有良好的加工塑性，很高的强度，制造成本低，临界磁场低，主要用于10T以下磁场；Nb3Sn是金属间化合物，属于脆性材料，加工性能差，制造成本高，但是临界磁场高，主要用于10T以上的磁场。而超导导线通过绕制能产生强磁场的超导线圈，以及结合其运行所必要的低温恒温容器来制成超导磁体。通常电磁铁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巨大的电流，使其具有场强高、体积小、重量轻等特性。基于产生的强磁场，超导磁体主要应用领域包括MRI、MCZ、NMR、ITER、加速器、科研用特种磁体等。低温超导材料产业链简介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。低温超导材料应用介绍MRI是当前超导材料的最主要应用领域，国产替代打开市场空间。MRI是一种生物磁自旋成像技术，它利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激发后产生信号，经过计算机处理转换后获得图像。与基于CT的X射线技术不同，MRI对人体不会产生放射性损伤，可以实现三维立体扫描、成像图像分辨率高、对肿瘤早期诊断有较高的临床价值，已经广泛运用于全身各部位脏器的疾病诊断中。与永磁型MRI相比，超导MRI成像区磁场高，所以可以获得更高的分辨率，通过闭环运行方式实现磁场空间和时间稳定性更高，一般可达10年以上而不变化，这决定了超导MRI具有永磁型MRI无可比拟的优势。灼识咨询统计，我国MRI设备市场增速高于全球平均水平，叠加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增长至155亿元，同时打开超导材料的需求空间。超导磁体相较常导磁体在MCZ应用上拥有明显优势，将受益于光伏行业高景气度。磁控直拉单晶硅技术（MCZ）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。其物理基础是通过磁场对导电硅流体的热对流形成抑制作用，抑制单晶硅生长过程中杂质和缺陷的产生。据《直拉式单晶硅生长炉超导磁体研究》（吴小四著）报道，采用超导磁体提供5,000Gs（高斯）稳定磁场的MCZ技术是目前国际上生产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导磁体提供，常导磁体功耗大（大于100kW）、需要复杂的冷却系统（存在管道腐蚀等问题），且无法高效控制杂质和缺陷的产生。我国光伏行业的快速发展迫切需要发展满足300mmMCZ单晶硅制备用超导磁体制造技术并实现规模应用，以促进我国单晶硅行业的产业技术升级。形成强大的磁场是实现磁约束路线可控核聚变的前提。可控核聚变被认为是终极清洁能源，其基本原理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。磁约束路线需要利用装置来提供特殊磁场，其中最著名的便是托卡马克（Tokamak）装置。最知名的托卡马克包括欧洲联合环（JET）、国际热核聚变实验反应堆（或称“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。随着相关技术突破及资本涌入，可控核聚变商业化按下加速键。人类对于核聚变的研究和利用已有超过70年历史，而极端的工作环境要求，使可控核聚变领域的研发一直有着著名的“50年悖论”。随着相关技术突破及资本涌入，可控核聚变商业化开始加速。2022年12月13日，美国能源部宣布其NIF装置点火成功，并实现了核聚变“净能量增益”，在理论上验证了核聚变商业化的可能性。该领域成立的创业公司数量也迅速攀升至近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重大影响，其在高维数据中寻得最优解的能力或显著缩短可控核聚变商业化开发周期。除了上述应用外，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，需要采用高场超导磁体制造，目前国内NMR系统完全依赖进口。超导材料是加速器磁体的重要组成部分，2008年，LHC（欧洲大型强子对撞机）采用1200吨的NbTi超导线制成了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简介高温超导材料通常指其超导转变温度在25K（即零下248度）以上的超导材料。由于超导现象最早在金属汞中发现，因此早期对于超导材料的研究聚焦于金属单质和合金，但寻找到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，学界开始在金属与过渡金属的化合物、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溅射法制成Nb3Ge薄膜，其TC达到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。镧系超导体的发现打开了高温超导体研究的大门。1986年，德国科学家另辟蹊径，关注了被长期忽视的金属氧化物，发现了镧系的超导体，其临界温度达30K，正式打开了高温超导体的大门。在此之前，人们普遍认为超导现象只会发生在液氦温度以下。高温超导材料的发现极大地推动了超导技术的发展和应用。此后，新的铜基高温超导体纷纷涌现。1988年，铜基超导体YBCO被发现，首次将临界温度升到了液氮温度（77K）以上。2008年，日本工业大学的团队首先发现了掺杂氟元素的LOFA材料中存在超导现象，引发了铁基超导体的研究热潮。同年，我国团队用稀土元素替代LOFA材料，获得了临界温度达55K的高温铁基钐系超导体。YBCO超导体YBCO超导材料是目前研究最成熟的高温超导材料之一。1987年，来自美国、日本和中国的科学家相继发现了第一个高于液氮温度的超导体——钇钡铜氧化物（YttriumBariumCopperOxide，YBCO）。YBCO超导体属于钇系高温超导材料，是铜基超导氧化物陶瓷的一种。超导氧化物陶瓷指的是在临界温度以下具有超导体特性的、由复合金属氧化物组成的陶瓷。超导陶瓷的诞生大幅提高了超导体的临界温度，打破了“陶瓷不能导电”的观念。YBCO超导体是首个突破77K大关，抵达液氮温区的超导体。由于液氮价格低廉，在工业生产中广泛使用，价格约每公斤4元，接近于矿泉水，因此能否抵达液氮温区是高温超导可广泛商用的重要标准之一。而YBCO超导体高达90K的超导转变温度大大降低了其制冷成本，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在一些不足。首先YBCO材料在制造工艺上存在加工脆性、需要精确控制氧含量等问题，致使其生产成本高。其次，YBCO材料韧性较差，不抗打击，导致其在工业生产领域用途受限。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義一和大阪大学团队发现。BSCCO超导体的超导转变温度达110K，可以在液氮温度以上工作。BSCCO相较于能用液氮冷却的YBCO材料冷却成本更低。110K的临界温度使得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低廉，因此BSCCO材料的制冷成本更低。由于BSCCO较高的超导转变温度和良好的电流承载能力，BSCCO超导体在高温超导技术的研究和中发挥着重要作用。但BSCCO材料同样为超导陶瓷材料，面临着生产成本高、机械强度低等问题。高温超导材料产业化现状及市场展望高温超导材料可以用于制作输电电缆。目前长距离输电通常采用超高压和特高压架空电缆，一方面需要采用更粗的电缆以尽可能减小电阻带来的损耗，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输电电缆，具有能量损耗低、传输容量大、占地面积小、可靠性高等优点，可广泛应用于商业区、居民区、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例，直流超导输电过程中的损耗可以降低70%-80%，即使算上制冷费用，超导电缆的运行费用也仅为常规电缆的1/4，相比于传统电缆经济性更好。Conectus预测，2023年全球高温超导带材产能有望从2022年的10000千米/年上升到20000千米/年。高温超导材料可用于磁悬浮列车和可控核聚变等领域。高温超导磁悬浮技术通过采用高温超导带材线圈，可以显著降低能耗和列车体积的同时大幅提升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，与日本正在实验的低温超导磁悬浮的液氦冷却（零下269℃）不同，高温超导磁悬浮采用液氮冷却（零下196℃），工作温度得到了大幅提高，更具应用潜力。此外，由于低温超导材料在高场下电流急剧衰减，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衰减较平缓，可以创造更高磁场，从而大幅压缩核聚变反应堆的体积。高温超导材料带动的紧凑型可控核聚变技术近年来快速兴起，显著推动了可控核聚变的产业化进程。全球超导产品市场有望迎来快速增长，高温超导材料市场份额预计提升。根据Conectus统计，全球超导材料产品的市场规模从2014年的54.9亿欧元增长至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推进，全球超导产品市场规模有望迎来快速增长。Conectus预计至2027年全球超导产品市场规模有望增至192亿欧元，对应2022-2027年CAGR达到23%，行业发展显著加速。由于低温超导材料具有优良的机械加工性能和成本优势，目前是超导产品的主流技术，根据Conectus数据，市场份额超过90%。高温超导材料的快速发展有望使其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价值。相比于高温超导而言，室温超导可以看作是“超高温超导”，唯有将超导体的超导转变温度提高至室温，才能有效降低这项技术的成本，从而使其发挥出应有的价值。镥-氮-氢体系室温高压超导2023年3月美国科学家宣布实现21℃下的室温超导。2023年3月，美国罗切斯特大学的RangaDias团队在自然杂志上发表文章（《Evidenceofnear-ambientsuperconductivityinaN-dopedlutetiumhydride》）称其团队制备出一种由氢、氮和稀土金属镥组成的化合物，该物质可以在294K（约21℃）和1GPa的环境下实现超导。但该工作遭到众多知名科学家的质疑，考虑到该课题组在2020年发布的类似工作难以复现，并最终被自然杂志撤稿，因此我们认为需谨慎看待该成果，仍需有更多复现的证据来验证其真实性。LK-99材料室温常压超导韩国研究团队近期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127℃）的常压环境下实现超导性，目前该工作尚未通过同行审议，预印本提前发表在arXiv平台上。根据该工作（《SuperconductorPb10-XCuX(PO4)6Oshowinglevitationatroomtemperatureandatmosphericpressureandmechanism》（SukbaeLee、JihoonKim、Hyun-TakKim等著））报道，原始的铅磷灰石是一种绝缘体，掺杂铜后即可实现在临界温度以下是超导体，临界温度以上是导体的现象，该材料在60℃以下时零电阻现象和迈斯纳效应均被观察到。LK-99材料可以通过简单的高温固相法制备。根据论文（《SuperconductorPb10-XCuX(PO4)6Oshowinglevitationatroomtemperatureandatmosphericpressureandmechanism》（SukbaeLee、JihoonKim、Hyun-TakKim等著））的报道，合成LK-99材料仅需三步。首先，将氧化铅和硫酸铅粉末以1:1比例在陶瓷坩埚中均匀混合，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，产生黄铅矿。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，将黄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挥发。国内外已有多家研究机构着手复现LK-99材料的超导性。2023年8月1日，来自北航的研究团队在arXiv平台上提交论文（《SemiconductingtransportinPb10-XCuX(PO4)6OsinteredfromPb2SO5andCu3P》（LiLiu、PeixinQin、ZhiqiLiu等著）），称合成出的LK-99材料并未展现出超导性。作者表示，他们合成的材料与原论文的X射线衍射图谱一致，表明成功合成出LK-99材料，但该材料未表现出抗磁性，也无法观察到磁悬浮现象；从电阻测试结果来看，LK-99更像是一种半导体。同日，来自华中科技大学的团队表示成功合成LK-99材料，该材料展现出了一定的抗磁性，能够实现磁悬浮现象，但由于样品数量较少，尚未进行电学测试。美国研究团队通过材料计算的方式从理论上验证了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（SinéadGriffin）在预印本arXiv平台上刊发论文（《Originofcorrelatedisolatedflatbandsincopper-substitutedleadphosphateapatite》），该团队使用密度泛函理论（DFT）和GGA+U方法进行了材料计算模拟，结果表明LK-99材料在理论层面上确实存在室温超导的可能性，但铜需要掺杂到特定的位置才能实现超导性。因此我们认为，LK-99材料的合成方式可能会对其超导性能产生重要影响，目前合成该材料的方法重复性较差，未来有必要开发更容易控制掺杂量及铜离子位置的新方式。目前LK-99材料是否具有超导性仍需更多的复现实验。我们认为，目前无法断定LK-99材料是否在常温常压下具备超导性，仍需更多的复现实验来验证。预计未来仍需对该材料中的铜掺杂比例及制备方式进行升级迭代。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有较长的距离。超导行业相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、军工应用等领域；电线电缆产