超导材料研究报告.docx

《超导材料研究报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超导材料研究报告.docx（20页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、超导材料一一苍穹下的破晓之光2023年3月8日，在美国物理学年度会议上，罗彻斯特大学RangaDias教授宣布团队在IGPa（约等于1万个大气压）压强下实现了约零上21C的室温超导，自此引发了学术界以及金融界对超导行业的关注，但从后续国内外科研团队的实验结果来看，室温超导现象的可重复性和可验证性依旧存疑；而且室温超导是在近常压环境下实现，即使室温超导技术真的实现突破，其大规模产业化应用的可能性也极低。其实，超导技术早已在20世纪末就已经从实验室走向了小规模产业化应用，今年将是高温超导技术规模化产业应用放量的元年。汇融研究院对超导材料的产业链、下游应用及发展前景作出梳理和展望。O1超导材料发展综

2、述(-)理论及特性人们对超导材料的探究得益于低温物理学的发展，而超导材料的诞生则源于人们对金属电阻与温度之间的关系探索。超导，全称超导电性，是二十世纪最重要的科学发现之一，指的是当某些材料在温度降低到某一临界温度(Tc)时电阻突然消失，电流可以在其间无损耗流动的现象，且具有完全抗磁性，具备这种特性的材料则被称为超导材料或超导体。超导材料零电阻及完全抗磁性特性，让相应设备不仅仅节能效果显著而且性能显著提升。零电阻特性不仅仅可以有效降低长距离输电带来的电损耗，由于超导材料还具备完全抗磁性和宏观量子效应等常规导体所不具备的特性，这些性质使超导体能够实现大电流传输、获得强磁场、实现磁悬浮、检测微弱磁场

3、信号等还可以多种应用，使其除了满足最基本的导电需求外，还可以被广泛应用在电子通信、电力能源、交通运输、国防军事、医疗器械等诸多领域。表1：超导现象三种特性特性特性描述应用示例零电阻当温度降至临界温度Tc以下时.超导材料电阻麦为零输电.制造大型磁体I完全抗磁性将超导体置于外磁场中时,超导体会把原来处于体内的磁场择挤出去.其内部的硝感应强度为零超导磁悬浮列车量子隧穿效应在薄绝缘层隔开的两种超导体之间有电流通过，即有“电子对能“穿过薄绝缘层J量手隧穿),而超导结上并不出现电压检测弱电磁信号如越导量子干步仪I数据来源:西部超导,东吴证券研究所(-)超导材料的分类按照超导体的临界温度，可以将超导体分为低

4、温超导和高温超导材料。临界温度低于25K30K(-248至-243)超导体为低温超导体，临界温度高于25K30K(-248至-243)为高温超导体。表2：超导材料的类型和应用超导类型临界温度典型超导材料冷却方式下游应用低温超导低于25K,约2480CNbTi.Nb3Sn液气加速器磁体.核聚变工程用超导磁体.核磁共振高温超导高于25K,约-2480C可达2I8C第一代材料BSCCO.第二代材料YBCO液氮超导电缆超导变压.超导感应加热.可控核聚变铁基超导体超导储能系统,下一代高能物理加速器(三)行业发展现状：低温超导为主目前全球超导市场以低温超导为主，国内低温超导材料及应用占超导市场总量的90%

5、以上，高温超导材料仍处于商业化初期。经过数十年的潜心发展，我国已成为国际超导材料和应用技术研发的中坚力量，目前已基本掌握了各种实用化超导材料的制备技术，实现了低温超导材料的商业化生产。低温超导方面，尽管我国在商业化、超导强电和弱电应用技术等方面已基本达到国际先进水平，但由于产学研用结合不紧密、创新链和产业链不完整，导致我国在高端医疗设备、分析仪器、科研装备等超导技术应用方面存在明显差距，相关材料和装备仍然依赖进口。高温超导方面，我国在高温超导材料基础研究和工艺研究方面均已实现一定进展，材料性能已基本满足应用需求，目前正逐渐开始商业化，但和国际水平仍存在着明显的差距，未来高温超导材料商业化的核心

6、仍需围绕低成本、大规模批量制备技术。02低温超导：产生的磁场强度有限，且成本昂贵低温超导能够产生的磁场强度有限，叠加需要使用昂贵的液氮制冷因此限制其应用场景。目前，低温超导材料主要应用于医疗、高能物理、能源、电力等强电领域方面。在医疗方面，主要是核磁共振人体成像仪（MRI）；在高能物理研究方面，是大型质子对撞机（如1HC）；在能源方面,主要是受控核聚变（如ITER）。（-）产业链及核心环节概况以锯基超导材料（NbTi和Nb3Sn）为主的低温超导材料具有优良的机械加工性能和超导电性，是目前最主要的实用化超导材料。低温超导产业链主要包括上游原材料、中游超导线材、超导磁体及下游超导设备四个环节：1在

7、原材料环节，低温超导线材对原材料（钛Ti、铝Nb、锡Sn）有很高的要求，且工艺过程复杂，技术条件严格，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。2 .中游为超导线材的生产。实用低温超导材料主要为NbTi和Nb3Sn超导线材，两者的主要区别有：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IOT以下磁场，主要应用于MRI、MCZNMR.核聚变实验堆、加速器等领域；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IOT以上的磁场，主要应用于NMR、核聚变实验堆等领域。3 .超

8、导磁体是由超导线材绕制而成的能产生强磁场的超导线圈，并包括其运行所必要的低温恒温容器。4 .下游行业主要为各类超导设备，随着磁共振成像仪(MRI)、磁控直拉单晶硅技术(MCZ)、核磁共振谱仪(NMR)、质子加速器、核聚变实验堆等领域的发展，未来低温超导线材的市场空间巨大。(-)企业竞争格局：行业企业竞争强度偏低，西部超导为产业领军者从低温超导产业市场参与者来看，与低温超导产业链相关的领域包括NbTi锭棒和线材、Nb3Ti线材、超导磁体和超导设备。全球各家公司所涉足的领域均有不同，仅有少数几家公司掌握低温超导线材的生产技术，分布在英德日中等国家。在NbTi锭棒领域，国内仅有西部超导掌握相关技术，

9、产品实现了批量化生产且成功应用于ITER项目及MR1超导线材制备任务。在超导线材领域，西部超导采用“青铜法”和“内锡法”两种方法生产Nb3Sn线材，其他公司目前还未进行布局。在超导磁体领域，有多家企业拥有制备能力，国内主要有宁波健信、西部超导和潍坊新力，成都奥泰拥有自由的超导磁体工厂，但所生产产品不对外出售。在超导设备领域，目前高端超导MR1市场被GE、PHI1IPS、S1EMENS三家国外公司垄断，主流产品以3.OT为主，而SIEMENS已经开始量产7T产品。国内成都奥泰、苏州安科等多家企业目前已实现15T、3T超导MR1的商业化生产。值得注意的是，中国企业西部超导的业务涉及NbTi锭棒和线

10、材、Nb3Sn线材(包括“青铜法”和“内锡法”)和超导磁体的生产，是全球唯一的铜钛(NbTi)锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业。图1低温超导产业链及相关企业梳理原材料(Ti、NbvSn)超导线材超导磁体超导设备NbTkNb3Sn超导线材生产企业：西部超导美国AT1英国OXfOrd德国BrUker英国1aUVata日本JASTEC超导磁体生产企业：西部超导宁波健信潍坊新力成都奥泰南京景泉英国OXfOrd德国Bruker日本JASTEC美国GE塘国SiOffienS储国NeXanS荷兰PhiIipsNMR4电力装备等超导设各生产企业：万东医疗上海光源宁波健信成都奥泰苏州安科东软医疗上海联影

11、盒高益大连金山广东电网江苏中天德国8ruker美国GE美国Van日本JEo1德国SieroenSttSNexans荷兰Phi1iP8数据来源:西部超导招股书,中国新材料产业发展报告2023（三）应用领域：主要集中在MRI、MCZ加速器市场及聚变工程1MR1（磁共振成像仪）：国内拥有量缺口较大MR1是当前超导材料最主要的应用领域，但目前我国人均MR1拥有量与发达国家仍存在较大差距，需求缺口尚存。MR1是一种生物磁自旋成像技术，其对人体不会产生放射性损伤，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。根据StatiSta的数据，2019年我国每百万人口MR1拥有量仅约6

12、.4台，远低于日本的55.2台和美国的40.4台，且多个发达国家每百万人口拥有量在10台以上；由于中国人口数量位居世界第一，MR1拥有量缺口较大，国家已明确将磁共振成像设备列为当前优先发展的高技术产业化重点领域之一。医用MR1作为医学影响诊断中心等医疗机构的基本配备要求，在中长期市场的发展有较强确定性，我国在未来有望成为全球最大的MR1市场。2 .MCZ（磁控直拉单晶硅技术）：我国目前迫切需要发展满足300mm单晶硅制备用超导磁体制造技术单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）两种，直拉法是目前主要的单晶硅规模化量产技术。MCZ技术是通过磁场对导电硅流体的热对流形成抑制作

13、用，抑制单晶硅生长过程中杂质和缺陷的产生，从而大幅改善晶体完整性、均匀性，可实现高质量大尺寸单晶硅快速生长。其中采用超导磁体提供500OGS稳定磁场的MCZ技术是目前国际上生产300mm以上大尺寸半导体级单晶硅的最主要方法。随着国内半导体工业的迅速发展，中国已成为全球增长速度最快的单晶硅生产和消费国家，其中MCZ产品占总产量的70%-80%,目前国际上300毫米以上大尺寸单晶硅片已成为主流。超导磁体和常导磁体相比，其体积和运行成本均大幅度减小，能够降低30OnInI单晶硅制造20%的能耗、提高30%的成品率。3 .加速器以加速器为代表的大科学工程自上世纪80年代以来一直是高技术发展水平和综合国

14、力发展的象征，以超导磁体为核心的加速器系统是相关装置的核心。超导磁体的应用可以在很小的激磁功率下产生强大的约束磁场，从而大幅缩减加速器的尺寸，降低加速器功率消耗，从而优化超导加速器的经济效益。随着加速器市场需求的增加，超导线材和超导磁体的市场需求也将变得更为明确。4 .中国聚变工程实验堆项目（CFETR）CFETR项目的设施主体一一聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT),是国家重大科技基础设施建设“十三五”规划中优先部署的大科学装置，计划于2030年建成，该设施目标是建成国际核聚变领域参数最高、功能最完备的综合性研究及测试平台。截至2023年11月消息，CRAFT设施主体工程建设正酣，已

15、经完成100余个关键里程碑建设任务及核心部件的设计、预研和测试验证，从子系统的实验室研发测试阶段进入到了部分关键部件的研制和现场集成及调试阶段。若磁约束受控核聚变工程技术方面能取得研发突破，便能为未来战略新能源贡献巨大的力量，实现人类的终极能源梦想。03高温超导：技术突破磁场上限，开启规模化应用我国高温超导材料商业化处于初期阶段，全面发展仍需时日。值得一提的是，当前高温超导技术由于制冷成本相对较低，目前商业化程度相对较高，当前主要应用是电网、高温超导感应加热设备，近两年紧凑型可控核聚变装置的加速建设也对高温超导磁体提出更大需求量。（一）产业链及核心环节概况高温超导行业产业链主要包括上游原材料、中游超导材料（包括线材、带材等）、下游应用产品三个环节：1上游原材料行业主要包括各类矿产资源，具体涉及的金属元素诸如例（Bi）、银（Sr）、忆（Y）、根（Ba）、硼（B）等以及锢（1a）等稀土元素；2.中游为超导材料加工环节,主要产品包括BSCCO和YBCo等带材、MgB2线材以及铁基超导体等，是高温超导行业的核心；3下游包括各类超导应用产品，如超导电缆、超导电机、超导限流器、超导变压器、超导滤波器、超导储能等，是超导行业的载体。（-）企业竞争格局：数量加速扩张