高温超导大规模商用浪潮即将开启 “室温超导”面临漫长的探索进程
一、超导材料行业概述及分类
超导材料是指在某一温度下，电阻为零且具有抗磁性的导体。一般来说，把临界温度低于40K（-233.15°C)的超导体称为低温超导体，高于40K(-233. 15°C)的超导体称为高温超导体，而把临界温度高于300K (26.85°C)左右的超导体称为室温超导。
【资料图】
高温超导与低温超导比较
分类 | 临界温度 | 主要材料 | 制冷材料 | 下游应用场景 |
低温超导 | 25K | NbTi、Nb3Sn、Nb3AI等 | 液氦 | 加速器磁体、核聚变工程用超导磁体、核磁共振(MRI和NMR)磁体、通用超导磁体 |
高温超导 | 90K-110K | 铋系(BSCCO，第一代高温超导材料) | 液氮(造价较低) | 电力电缆、磁悬浮、超导变压器、直流感应加热、大型加速器、可控核聚变用超导磁体有望用于超导储能系统、核磁共振谱仪、下一代高能物理加速器 |
90K | 钇系(YBCO，第二代高温超导材料) | |||
55K | 铁基超导体 |
资料来源：中国超导材料行业现状深度分析与投资前景研究报告（2023-2030年）
超导材料应用空间广阔。其零电阻性可以应用于：(1) 大规模集成电路、超导计算机，推动算力进一步提高；(2) 输电线、超导电机，提高能源传输效率；(3) 超导微波器件、医疗器械等，促进医疗发展。完全抗磁性可以推动磁悬浮列车发展，改善运输方式；此外，可控核聚变发展进程也会随着室温超导的出现快速推进。
二、低温超导材料已实现商业化，将长期占据市场主导地位
1、低温超导材料技术成熟，未来仍是市场主流
低温超导材料由于具有优良的机械加工性能和成本优势，在相当长的时期内在商业化超导市场中处于主导地位，当前低温材料应用规模已占到超导材料市场的90%左右，已实现商业化的低温超导材料包括铌钛（NbTi）和铌锡（Nb3Sn）。其中，NbTi的特点是临界磁场低、强度高、易加工；Nb3Sn的特点是临界磁场高、脆性较大、加工难度较高。根据各自特性，二者应用领域存在一定差异。经过十余年的努力，我国高性能NbTi和Nb3Sn超导线材制备技术已取得重大突破，线材综合性能指标(临界电流、磁滞损耗和剩余电阻率)及性能稳定性达到国际领先水平。
低温超导材料应用广泛，是国家科技创新规划中新材料领域重点发展的前沿材料之一。低温超导材料一般都需在昂贵的液氦环境下工作，液氦制冷的方法昂贵且不方便，故低温超导体的应用长期得不到大规模的发展，更多应用于医疗、高场磁体制造、大型科学工程、先进装备制造等成本相对不敏感高精尖领域。例如，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 LHC）；在能源方面，主要是受控核聚变（如ITER）。预计在相当长的时期内，低温超导材料仍将是最主要的超导产业支柱性材料，未来低温超导材料需求有望受益于光伏行业的高景气度和国内MRI设备市场规模的高增速实现稳定增长。
低温超导材料应用领域
超导材料 | 应用领域 |
NbTi | MRI (人体核磁共振成像仪) |
NbTi | MCZ (磁控直拉单晶硅) |
Nb3Sn(主要)、 NbTi | NMR (核磁共振谱仪) |
Nb3Sn、 NbTi | ITER (国际热核聚变实验堆) |
NbTi | 加速器 |
资料来源：中国超导材料行业现状深度分析与投资前景研究报告（2023-2030年）
观研天下分析师观点：相较于低温超导应用领域受限，高温超导可以适应更高的温度、在更复杂的场景工作，对于我国而言，高温超导产业化路径更值得关注（实用价值更高、契合新型电力系统建设），具备相关技术路径的公司有望受益。
2、低温超导技术壁垒高，西部超导是国内行业领军者
低温超导技术壁垒高，全球仅有少数几家企业掌握低温超导线生产技术，主要分布在美国、英国、德国、日本和中国。与低温超导产业链相关的生产企业来自包括超导锭棒、超导线材、超导磁体和超导设备领域。在国际上能生产NbTi锭棒的企业仅有美国Wah Chang和公司，但是美国Wah Chang目前不生产NbTi超导线，全球主要的NbTi超导线生产厂家（包括英国Oxford、德国Bruker、英国Luvata、日本JASTEC等）目前不生产NbTi锭棒。
国内方面，低温超导一直是各方研究热点。目前，国内的超导材料研究主要集中在以中科院物理研究所、中国科技大学、南京大学、中科院电工研究所、中科院等离子体物理研究所等高校和研究机构。这些机构在超导材料的制备、性能和应用等方面都取得了一定的成果，排名靠前的院校相关论文数均在600篇以上。
国内超导材料研究机构论文数量
研究机构 | 论文数量（篇） |
中国科学院物理研究所 | 1108 |
中国科学技术大学 | 1003 |
南京大学 | 846 |
中国科学院电工研究所 | 767 |
中国科学院等离子体物理研究所 | 669 |
北京大学 | 613 |
西南交通大学 | 607 |
清华大学 | 526 |
华中科技大学 | 493 |
浙江大学 | 475 |
资料来源：中国超导材料行业现状深度分析与投资前景研究报告（2023-2030年）
此外，西部超导是我国唯一实现低温超导线材商业化生产的企业，也是国际上唯一的铌钛(NbTi)锭棒及线材全流程生产企业。自公司成立至今，西北院先后注入“NbTi 超导材料专利技术”、“YBCO 超导材料专利技术”等核心技术，助力其突破了国内超导线材领域的多个瓶颈，以量产的新产品填补国内多项空白。
西部超导超导线材多项技术在国内处于绝对领先地位
产品名称 | 核心技术 | 公司技术地位 |
Ti45Nb | 稳定性控制技术 | 国内唯一、全球量产的两家企业之一 |
NbTi超导线材合金 | 高均匀全新真空自耗煽炼和自由锻造技术 | 全球量产的两家企业之一 |
MRI用NbTi超导线材 | 高尺寸精度加工、高铜比线材镶嵌成型技术 | - |
核聚变用NbTi、Nb3Sn超导线材 | 长线连续加工(NbTi最大长度9万米)技术 | - |
资料来源：中国超导材料行业现状深度分析与投资前景研究报告（2023-2030年）
三、高温超导应用潜力巨大，2023有望成为规模化放量元年
1、高温超导大规模商用浪潮即将开启，应用领域多点开花
受限于高温超导带材产品不成熟且成本较高，长期以来，高温超导技术一直未大规模商业化应用。相较传统的低温超导，高温超导具有使用成本低、应用限制少两大优势。近年来，在带材成本下降、技术成熟且迭代加速以及“双碳”目标的政策驱动三重利好下，高温超导技术在超导线缆(电网)、可控核聚变、高温超导感应加热设备等下游领域展开了规模化商业应用，并且呈现加速放量趋势。
1) 电网领域： 上海、深圳两地超导线缆示范工程于2021年试点成功，并规划进一步规模化铺设；2) 能源领域： 多个基于高温超导磁体的商业化可控核聚变项目于2022年获得数亿元融资，并于今年开始逐步落地；3) 商业设备领域： 联创光电生产的高温超导感应加热设备于2020年交付首台，并于今年进入规模化批量交付阶段。此外，高温超导技术在熔炼炉、磁控晶硅生长炉、磁储能、磁悬浮等领域的应用研发也正加速推进，随着高温超导技术取得快速发展，这将极大地促进高温超导带材的发展，整体高温超导应用市场规模将达数百亿元。
根据Conectus公布的数据，预测2023年全球超导市场规模达70亿欧元，增速约2.9%。在超导材料应用领域，高温超导材料的市场份额将会逐步扩大，至2030年，市场份额有望从当前不足10%提升至25%。
资料来源：中国超导材料行业现状深度分析与投资前景研究报告（2023-2030年）
2、核心高温超导带材厂商加速扩产，未来电力技术应用将是首要方向
根据观研报告网发布的《中国超导材料行业现状深度分析与投资前景研究报告（2023-2030年）》显示，相较于低温超导，高温超导材料制造难度更大，其材料一般采用氧化物材料，常见的铋系、钇系高温超导材料属于氧化物陶瓷，脆性大，加工难度高，制造成本高昂。目前全球高温超导带材厂商主要分为三个梯队，第一梯队厂商有SuperPower(日本古河的子公司)、SuperOx(美资俄罗斯企业)和中国的上海超导，第二梯队厂商有韩国SuNAM、俄罗斯Theva和老牌企业美国超导，第三梯队厂商每年在下游需求驱动下不断涌现出新的企业。核心的高温超导带材厂商近两年也正加速扩产。
部分高温超导带材厂商扩产规划
公司名称 | 国家 | 年产能（单位：km） | ||
2021年产能 | 是否扩产 | 2024E | ||
日本藤仓 | 日本 | 300 | 是 | 600 |
SuperPower | 美国 (日本古河子公司) | 300 | 是 | 1000 |
SuperOx | 俄罗斯 | 600 | 是 | 1500 |
Theva | 德国 | 300 | 是 | 1500 |
上海超导 | 中国 | 400 | 是 | 约2000 |
永鼎股份(东部超导) | 中国 | 300 | 是 | 2000 |
资料来源：中国超导材料行业现状深度分析与投资前景研究报告（2023-2030年）
从高温超导的应用方向来看，主要分为三大类，分别是以超导电缆为代表的超导电力应用产品，以高场超导磁体为代表的超导节能、环保、军工、科学仪器等产品，以及以可控核聚变(Tokamak)为代表的大科学设备。其中，以高场超导磁体为代表的超导节能设备已经有了成熟的产品，预计未来在电力技术应用将是首要方向。目前一些初步应用包括如美国超导公司的 MW 级超导储能系统和 8~10MVar级的超导同步调相机，中国科学院电工研究所研制成的 360 米、10kA 高温超导输电电缆是国际上传输电流最大的高温超导电缆。中国科学院电工研究所还完成了世界首座 10kV 级超导变电站的研制和建设。
观研天下分析师观点：目前国内高温超导厂商稀缺，国内仅三家龙头，分别是上海超导、东部超导、上海上创。他们的产能还不够满足超导线缆建设的需求，因此这也是驱动上游高温超导带材厂商扩产的原因之一。
四、“室温超导”技术引发热议，但目前仍不具备商业化可行性
2023年3月8日晚间，美国罗切斯特大学表示，该校机械工程系及物理学与天文学系副教授兰加·迪亚斯率领的研究团队研发出一种在室温和相对较低压力条件下表现出超导性的材料，即“室温超导”。这种超导材料由氮、氢和镥组成，它在约20.6摄氏度的温度和10千巴（相当于标准大气压的1万倍）的压力下表现出超导性。此项技术引发了大量关注，但目前来看该发现主要意义为物理学研究，因为大规模创造一万个大气压的极高压强环境实现难度较大，距离实际应用仍非常遥远，总的来看，室温常压超导材料仍将面临漫长的探索进程。
观研天下分析师观点：尽管常温超导材料的突破给科学界带来了新的希望，但实验结果从实验室走到商业化应用放量都需要一定的时间。未来如果能够成功商业化，将对计算机和消费电子领域的产品设计产生革命性的影响。
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