超导行业深度报告：下个十年，奔向超导产业发展的星辰大海
（报告出品：民生证券）
1 超导材料是典型的量子材料
1.1 超导介绍：基本特性，理论发展与应用领域
超导体的三大基本特性：零电阻，完全抗磁性，量子隧穿效应。超导，全称超 导电性，指导体在某一温度下，电阻为零的状态。1911 年荷兰物理学家 H·卡茂 林·昂内斯发现汞在温度降至 4.2K 附近时突然进入一种新状态，其电阻小到实际上 测不出来，他把汞的这一新状态称为超导态。1933 年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔 德共同发现了超导体的另一个重要的性质——完全抗磁性。完全抗磁性是指将超 导体会把原来处于体内的磁场排挤出去，使其内部的磁感应强度为零。1962 年， 约瑟夫森（BrianD.Josephson）预言，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（量子隧穿），而超导结上并不出现电 压，这个预言随后被证实，这一现象被称为量子隧穿效应。
超导材料具有常规材料不具备的零电阻、完全抗磁性等宏观量子现象，是典型 的量子材料。超导材料的探索主要经历了几个阶段：1911∼1986 年，是低温超导 材料发展阶段，1986 年发现铜氧化物高温超导体，2021 年发现临界转变温度为 39K 的金属化合物 MgB₂超导体，2008 年发现铁基超导体。此外，自从超导材料 被发现以来，人们就没有停止过对“室温超导”的向往与探索。
超导最常见被分类为超温超导，高温超导。超导体的分类没有统一的标准，最 常见的分类方法是按临界温度划分为低温超导，高温超导。超导物理中将临界温度 在液氦温区(4.2K)的超导体称为低温超导体，也称为常规超导体，譬如目前商业化 的 NbTi、Nb₃Sn；将临界温度在液氮温区(77K)的超导体称为高温超导体，譬如 YBa-Cu-O 超导体。
超导现象是宏观量子效应。20 世纪初期，许多顶级的理论物理学家都试图从 量子力学基础上理解超导电性，但最终并没有获得成功，直到超导发现近50年后， 超导微观理论才被建立。在最初对超导电性的认识过程中，唯象理论起到了非常重要的作用。其中最著名的是前苏联物理学家金茨堡（Ginzburg）和朗道（Landau） 于 1950 年建立的金茨堡-朗道理论（简称 G-L 理论）。随后，1957 年美国科学 家巴丁（J.Bardeen）、库珀（L.N.Cooper）和施里弗（J.R.Schrieffer）成功建立 了常规金属超导体的微观理论，简称 BCS 理论，它把超导现象看作是宏观量子效 应，成功地解释了金属或合金超导体的超导电性微观机理。BCS 理论的核心思想 在于：两个动量相反、自旋相反的电子，可以通过交换原子晶格振动量子——声子 而产生间接吸引相互作用，从而组成具有能隙的低能稳定态——超导态。但时至 今日，非常规超导微观机理，仍然几乎是一片混乱和未知。
在应用领域方面，超导体因为具有绝对的零电阻和完全的抗磁性两大特性，在 所有涉及电和磁的领域都有超导体的用武之地，应用领域广泛，包括电子学、生物 医学、科学工程、交通运输、电力等领域。
超导材料大规模应用受到多重限制。纵然超导应用潜力巨大，但超导材料的实 现有严格的条件。限制超导应用有三个临界参数：临界温度、临界磁场和临界电流 密度，这意味着超导电性必须在足够低的温度、不太高的磁场和不特别大的电流密 度下才能实现。一旦突破某个临界参数，材料有可能瞬间从零电阻变成有电阻的状 态，从而失去超导性能。三个临界参数中后两者决定了它的应用场景范围，而临界 温度则是应用的最大瓶颈。因为低温就意味着在应用超导体的同时，还面临着高昂 的制冷成本。因此，科学家们在研究超导的过程中，一直在努力提高超导材料的临 界温度，其中“三重天花板”是重点突破的目标。
1.2 我国超导行业发展现状
在国际合作方面，中国于 2003 年 2 月 18 日宣布作为全权独立成员加入 ITER 计划。ITER 计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，其 原理是利用磁场对等离子体进行约束，模拟太阳的核聚变反应产生能量并实现可 控利用，俗称“人造太阳”。ITER 计划需要采用 NbTi 和 Nb3Sn 超导线材制造超 导磁体，线材制造任务由各参与国承担。2003 年我国政府决定参加 ITER 计划时， 国内尚无企业具备 NbTi 和 Nb3Sn 超导线材生产能力，迫切需要开展超导线材产 业化。到目前，我国已经能生产 Nb3Sn 超导线材和 NbTi 超导线材并交付 ITER 计 划，产品性能获得业界高度肯定。在鼓励产业发展方面，我国超导行业的发展趋势将朝提高性能、降低成本，功 能集成化的方向发展。为了鼓励和规范着行业健康有序发展，我国政府先后出台了 一系列政策对超导产业予以支持。
在超导标准化方面，超导技术委员会（简称 IEC/TC90）于 1989 年 7 月正式 成立，负责建立与超导材料和器件相关的国际标准。IEC/TC90 现有日、中、韩、 美、俄、德、法、意等 10 个参加成员国，截止到目前，IEC/TC90 共颁布了 25 项 超导国际标准，近来 IEC/TC90 推出国际标准的步伐明显加快，超导国际标准已经 从术语和定义、超导特性测量方法，逐渐过渡到实用超导线和超导器件的一般性规 范。我国主持的标准化项目包括铌钛和铌三锡复合超导线扭距测量--国际标准和超 导单光子探测器—暗记数率--国际标准。在国家标准方面，我国目前发布了 25 个 超导国家标准。
2 低温超导应用场景拓展，高温超导产业化蓄势待 发
低温超导已经规模商业化，高温超导正逐步开始产业化。虽然已发现了上千种 超导材料，但具有实用化前景的材料并不多。低温超导材料自 1965 年开始研究， 目前低温超导材料 NbTi 与 Nb3Sn 已实现商业化。而高温超导材料自 1986 年进 行研究，目前刚开始进行产业化。
2.1 低温超导应用场景拓展
NbTi 超导线材用量占整个超导材料市场的 90%以上。低温超导根据成分分 为金属低温超导材料、合金低温超导材料和化合物低温超导材料。低温超导材料在 批量化加工技术、成本、使用稳定性方面的优势无可替代。目前已实现商业化的包 括 NbTi（铌钛，Tc=9.5K）和 Nb3Sn（铌三锡，Tc=18k），NbTi 超导线材由于 具有优异的中低磁场超导性能、良好的机械性能和加工性能、价格优势，在实践中 获得了大规模应用，其用量占整个超导材料市场的 90%以上；而 Nb3Sn 的临界温 度相对较高，在 18K 左右，该材料本身具有脆性，力学加工性能较差，临界电流 对应变比较敏感，且制造困难、造价相对较高。
西部超导是全球唯一的铌钛锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业。低 温超导产业链相关的行业包括超导锭棒、超导线材、超导磁体和超导设备。从全球 来看，有的公司专注某一领域，有的公司横跨多个领域。西部超导是目前国内唯一 低温超导线材商业化生产的企业，也是目前全球唯一的铌钛锭棒、超导线材、超导 磁体的全流程生产企业。
2.2 高温超导技术突破，产业化蓄势待发
高温超导材料产业化加速。在高温超导材料中，由于铜氧化物超导材料的临界 温度相比其他材料较高，制冷成本更低，因而具有更加广阔的应用前景。高温铜氧 化物超导材料主要有 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 系在实用化上更具有优势。以 Bi-Sr-Ca-Cu-O 为代表的第一代高温超导材 料，和以 Y-Ba-Cu-O 为代表的第二代高温超导材料受到广泛关注。同时，MgB2 （Tc=40K）材料，铁基超导材料等应用价值也在不断开拓。2022 年，永鼎股份二 代高温超导带材在磁感应加热设备中实现产业化供货，2023 年 4 月 20 日，联创 超导自主研制的世界首台兆瓦级高温超导感应加热装置在黑龙江中铝集团东北轻 合金公司成功投运，高温超导材料产业化开始加速。
第一代高温超导材料主要通过挤压力获得超导电性。Bi 系超导材料主要的应 用材料有 Bi-2212 线材、Bi-2212 薄膜、Bi-2223 带材。在制备 Bi-2223 带材的 轧制工艺过程中，轧制压力的作用迫使 Bi-2223 晶粒发生转向，从而获得良好的 超导电性，而在制备 Bi-2212 线材的挤压工艺中，也是通过挤压力的作用使 Bi2212 晶粒发生转向，获得超导电性。目前常用于制备 Bi-2212/Bi-2223 原料粉末 的工艺方法主要有喷雾热分解法、共沉淀法、固相反应法。
喷雾分解法是通过将硝酸和原料粉末充分混合并进行溶解，在过滤不溶物后 将溶液雾化成液滴，将液滴置于 600--900℃高温环境下，使之迅速蒸发并分解形 成氧化物，最后制备成前驱粉末。
共沉淀法是按比例配置硝酸溶液，并将金属离子滴入草酸乙醇溶液后进行沉 淀，接着滴入氨水调节 pH 值。最后，过滤出沉淀物并干燥处理后得到草酸盐粉 末，对粉末进行多次热处理和研磨制备成前驱粉末。
固相反应法是将各种原料按照所需的比例配制后，进行机械球磨混合，再热处 理锻烧，然后重复研磨和锻烧。
第二代高温超导带材生产工艺方面，一些发达国家先后突破了第二代高温超 导带材的长线制备技术，公里级带材的生产工艺已日渐成熟。
第二代高温超导带材 YBCO 成为行业重点发展方向。第二代高温超导带材及 应用产品将在许多重要领域，如绿色能源、智能电网、军事工业、医疗器械、交通 及科学研究等领域被大力推广应用，目前我国高温超导材料大规模应用的瓶颈问 题是材料价格过高，需要进一步提高技术成熟度，提升产业化能力，并改善材料综 合性能，从而提高材料性价比。
3 下游应用场景持续突破，超导产业星辰大海
3.1 MRI 带动超导材料需求释放
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