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超導(dǎo)行業(yè)深度報(bào)告：下個十年，奔向超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的星辰大海

2023-08-11 09:50 作者:報(bào)告派 0人讀過 | 我要投稿

報(bào)告出品方：民生證券

以下為報(bào)告原文節(jié)選

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1 超導(dǎo)材料是典型的量子材料

1.1 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，量子隧穿效應(yīng)。超導(dǎo)，全稱超導(dǎo)電性，指導(dǎo)體在某一溫度下，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 附近時突然進(jìn)入一種新狀態(tài)，其電阻小到實(shí)際上測不出來，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)體的另一個重要的性質(zhì)——完全抗磁性。完全抗磁性是指將超導(dǎo)體會把原來處于體內(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（BrianD.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”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)歷了幾個階段：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“室溫超導(dǎo)”的向往與探索。

超導(dǎo)最常見被分類為超溫超導(dǎo)，高溫超導(dǎo)。超導(dǎo)體的分類沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，最常見的分類方法是按臨界溫度劃分為低溫超導(dǎo)，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。

超導(dǎo)現(xiàn)象是宏觀量子效應(yīng)。20 世紀(jì)初期，許多頂級的理論物理學(xué)家都試圖從量子力學(xué)基礎(chǔ)上理解超導(dǎo)電性，但最終并沒有獲得成功，直到超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)近50年后，超導(dǎo)微觀理論才被建立。在最初對超導(dǎo)電性的認(rèn)識過程中，唯象理論起到了非常重要的作用。其中最著名的是前蘇聯(lián)物理學(xué)家金茨堡（Ginzburg）和朗道（Landau）于 1950 年建立的金茨堡-朗道理論（簡稱 G-L 理論）。隨后，1957 年美國科學(xué)家巴?。↗.Bardeen）、庫珀（L.N.Cooper）和施里弗（J.R.Schrieffer）成功建立了常規(guī)金屬超導(dǎo)體的微觀理論，簡稱 BCS 理論，它把超導(dǎo)現(xiàn)象看作是宏觀量子效應(yīng)，成功地解釋了金屬或合金超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性微觀機(jī)理。BCS 理論的核心思想在于：兩個動量相反、自旋相反的電子，可以通過交換原子晶格振動量子——聲子而產(chǎn)生間接吸引相互作用，從而組成具有能隙的低能穩(wěn)定態(tài)——超導(dǎo)態(tài)。但時至今日，非常規(guī)超導(dǎo)微觀機(jī)理，仍然幾乎是一片混亂和未知。

在應(yīng)用領(lǐng)域方面，超導(dǎo)體因?yàn)榫哂薪^對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，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。

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)用有三個臨界參數(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，還面臨著高昂的制冷成本。因此，科學(xué)家們在研究超導(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)。

1.2 我國超導(dǎo)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

在國際合作方面，中國于 2003 年 2 月 18 日宣布作為全權(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，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。
在鼓勵產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，我國超導(dǎo)行業(yè)的發(fā)展趨勢將朝提高性能、降低成本，功能集成化的方向發(fā)展。為了鼓勵和規(guī)范著行業(yè)健康有序發(fā)展，我國政府先后出臺了一系列政策對超導(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（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 個參加成員國，截止到目前，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 個超導(dǎo)國家標(biāo)準(zhǔn)。

2 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，目前低溫超導(dǎo)材料 NbTi 與 Nb3Sn 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，目前剛開始進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。

2.1 低溫超導(dǎo)應(yīng)用場景拓展

NbTi 超導(dǎo)線材用量占整個超導(dǎo)材料市場的 90%以上。低溫超導(dǎo)根據(jù)成分分為金屬低溫超導(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、價格優(yōu)勢，在實(shí)踐中獲得了大規(guī)模應(yīng)用，其用量占整個超導(dǎo)材料市場的 90%以上；而 Nb3Sn 的臨界溫度相對較高，在 18K 左右，該材料本身具有脆性，力學(xué)加工性能較差，臨界電流對應(yīng)變比較敏感，且制造困難、造價相對較高。

西部超導(dǎo)是全球唯一的鈮鈦錠棒、超導(dǎo)線材、超導(dǎo)磁體的全流程生產(chǎn)企業(yè)。低溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的行業(yè)包括超導(dǎo)錠棒、超導(dǎo)線材、超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)設(shè)備。從全球來看，有的公司專注某一領(lǐng)域，有的公司橫跨多個領(lǐng)域。西部超導(dǎo)是目前國內(nèi)唯一低溫超導(dǎo)線材商業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)，也是目前全球唯一的鈮鈦錠棒、超導(dǎo)線材、超導(dǎo)磁體的全流程生產(chǎn)企業(yè)。

2.2 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，制冷成本更低，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，MgB2（Tc=40K）材料，鐵基超導(dǎo)材料等應(yīng)用價值也在不斷開拓。2022 年，永鼎股份二代高溫超導(dǎo)帶材在磁感應(yīng)加熱設(shè)備中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化供貨，2023 年 4 月 20 日，聯(lián)創(chuàng)超導(dǎo)自主研制的世界首臺兆瓦級高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置在黑龍江中鋁集團(tuán)東北輕合金公司成功投運(yùn)，高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)化開始加速。

第一代高溫超導(dǎo)材料主要通過擠壓力獲得超導(dǎo)電性。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 Bi2212 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、固相反應(yīng)法。

噴霧分解法是通過將硝酸和原料粉末充分混合并進(jìn)行溶解，在過濾不溶物后將溶液霧化成液滴，將液滴置于 600--900℃高溫環(huán)境下，使之迅速蒸發(fā)并分解形成氧化物，最后制備成前驅(qū)粉末。

共沉淀法是按比例配置硝酸溶液，并將金屬離子滴入草酸乙醇溶液后進(jìn)行沉淀，接著滴入氨水調(diào)節(jié) pH 值。最后，過濾出沉淀物并干燥處理后得到草酸鹽粉末，對粉末進(jìn)行多次熱處理和研磨制備成前驅(qū)粉末。

固相反應(yīng)法是將各種原料按照所需的比例配制后，進(jìn)行機(jī)械球磨混合，再熱處理鍛燒，然后重復(fù)研磨和鍛燒。

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)，公里級帶材的生產(chǎn)工藝已日漸成熟。

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)品將在許多重要領(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)用的瓶頸問題是材料價格過高，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，從而提高材料性價比。

3 下游應(yīng)用場景持續(xù)突破，超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)星辰大海

3.1 MRI 帶動超導(dǎo)材料需求釋放

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，簡稱 MRI）通過對靜磁場中的人體施加某種特定頻率的射頻脈沖，使人體中的原子核（主要是氫質(zhì)子）受到激勵而發(fā)生磁共振現(xiàn)象，在停止脈沖后，原子核在弛豫過程中產(chǎn)生 MR 信號，通過對 MR 信號的接收、空間編碼和圖像重建等處理過程，最終處理成圖像信息。

MRI 產(chǎn)業(yè)鏈括上游 MRI 設(shè)備原材料供應(yīng)商，中游 MRI 設(shè)備制造經(jīng)銷商和下游的 MRI 診斷服務(wù)及衍生服務(wù)機(jī)構(gòu)。上游主要提供核磁共振設(shè)備基礎(chǔ)的技術(shù)與材料，上游行業(yè)的進(jìn)步對核磁共振行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。行業(yè)中游為核磁共振設(shè)備的生產(chǎn)與銷售，以 GE、飛利浦、西門子(合稱"GPS")為首的外商品牌占據(jù)高場強(qiáng)的超導(dǎo)產(chǎn)品市場，而國產(chǎn)品牌則以低場強(qiáng)的永磁系列產(chǎn)品的市場為主。行業(yè)下游則由需求方構(gòu)成，包括醫(yī)療機(jī)構(gòu)、體檢中心及獨(dú)立影像中心。

在競爭格局方面，第一梯隊(duì)主要以跨國醫(yī)療器械企業(yè)為主，這些企業(yè)市場占有率高，研發(fā)能力較強(qiáng)，高端超導(dǎo) MRI 市場基本上被 GE、飛利浦、西門子三家國際巨頭壟斷。第二梯隊(duì)為我國本土企業(yè)，包括成都上海聯(lián)影、東軟醫(yī)療等企業(yè)，目前已實(shí)現(xiàn) 1.5T 和 3T 超導(dǎo) MRI 的商業(yè)化生產(chǎn)。

磁體是 MRI 設(shè)備中產(chǎn)生主磁場的核心部件，可保持在目標(biāo)區(qū)域中的高磁場和高均勻度，核磁共振設(shè)備按磁體類型可分為永磁型 MRI 設(shè)備，常導(dǎo)型 MRI 設(shè)備和超導(dǎo)型 MRI 設(shè)備。按磁體產(chǎn)生靜磁場的磁場強(qiáng)度大小可分為低場（0.1T-0.5T）MRI 設(shè)備，中場（0.6T-1T）MRI 設(shè)備，高場（1.5T-2T）MRI 設(shè)備，以及超高場（3T 及以上）MRI 設(shè)備，當(dāng)前臨床上所用的磁場強(qiáng)度為 1.5T。超導(dǎo)磁體通過超導(dǎo)線圈運(yùn)行，磁場強(qiáng)度更強(qiáng)，穩(wěn)定性更高，是當(dāng)前市場主流技術(shù)。