报告出品方：民生证券

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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

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，简称 MRI）通过对静磁场中的人体施加某种特定频率的射频脉冲，使人体中的原子核（主要是氢质子）受到激励而发生磁共振现象，在停止脉冲后，原子核在弛豫过程中产生 MR 信号，通过对 MR 信号的接收、空间编码和图像重建等处理过程，最终处理成图像信息。

MRI 产业链括上游 MRI 设备原材料供应商，中游 MRI 设备制造经销商和下游的 MRI 诊断服务及衍生服务机构。上游主要提供核磁共振设备基础的技术与材料，上游行业的进步对核磁共振行业的发展至关重要。行业中游为核磁共振设备的生产与销售，以 GE、飞利浦、西门子(合称"GPS")为首的外商品牌占据高场强的超导产品市场，而国产品牌则以低场强的永磁系列产品的市场为主。行业下游则由需求方构成，包括医疗机构、体检中心及独立影像中心。

在竞争格局方面，第一梯队主要以跨国医疗器械企业为主，这些企业市场占有率高，研发能力较强，高端超导 MRI 市场基本上被 GE、飞利浦、西门子三家国际巨头垄断。第二梯队为我国本土企业，包括成都上海联影、东软医疗等企业，目前已实现 1.5T 和 3T 超导 MRI 的商业化生产。

磁体是 MRI 设备中产生主磁场的核心部件，可保持在目标区域中的高磁场和高均匀度，核磁共振设备按磁体类型可分为永磁型 MRI 设备，常导型 MRI 设备和超导型 MRI 设备。按磁体产生静磁场的磁场强度大小可分为低场（0.1T-0.5T）MRI 设备，中场（0.6T-1T）MRI 设备，高场（1.5T-2T）MRI 设备，以及超高场（3T 及以上）MRI 设备，当前临床上所用的磁场强度为 1.5T。超导磁体通过超导线圈运行，磁场强度更强，稳定性更高，是当前市场主流技术。

超导磁体作为磁共振的核心，其成本占总成本的很大一部分。根据曦合超导资料，1.5T 磁共振超导磁体成本占比在 30%~40%，3.0T 磁共振超导磁体的成本占比在 50%~60%，占总成本的一半以上。

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