金属新材料行业超导材料专题：超导技术应用驶向星辰大海

摘要：超导材料凭借其独有的特性而被应用在电子通信、电力能源、医疗设备、交通运输、高能物理、机械工程及军事等多个领域。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九成以上，高温超导材料仍处于商业化初期，未来超导技术的应用空间是星辰大海；

超导型MRI设备磁场均匀性和稳定性好，对人体多种重大疾病影像诊断有重大意义。

采用NbTi超导磁体的第五代单晶炉有望为MCZ技术打造第二成长曲线。

随着联创光电研发生产的首台兆瓦级高温超导感应加热装置进入投产阶段，未来YBCO高温超导带材的产业化进程有望随超导感应加热领域应用渗透加速而实现量变式的突破。

目前我国已在上海、深圳等多个城市建设了高温超导电缆示范工程，并在负荷热点区域成功实现运行。

2023年3月，由中车长客自主研制的国内首套高温超导电动悬浮全要素试验系统完成首次悬浮运行，超导磁悬浮交通系统的发展将对我国高速交通系统起到重要的补充作用。

当今可控核聚变研究的最终目标是建成资源极其丰富、经济性能优异、安全可靠、无环境污染的核聚变电站，使之成为人类未来的永久能源。

相关企业：

(1)超导材料环节：西部超导、永鼎股份、百利电气；

(2)超导技术应用环节：联创光电、国光电气、晶盛机电、联影医疗。

超导应用是星辰大海

超导材料是指在一定的温度下，具有完全导电性（直流电阻为0）和完全抗磁性的材料。超导体凭借其强大的特性而被应用在电子通信、电力能源、医疗设备、交通运输、高能物理、机械工程及军事等多个领域，超导技术在各个应用领域的战略性发展将极大地满足一国的安全需求、社会发展需求、能源战略需求。

自超导体在20世纪初期被发现以来，作为前沿新材料，无论是其材料本身的更新迭代，还是下游应用端的创新和突破，超导产业的相关进展一直牵动着全球各界的目光，寻找能大规模应用的室温超导是当今超导研究人员的心之所向。

目前已实现产业化的超导材料包括低温超导和高温超导两大类，按照超导体的临界转变温度(Tc)，可将低温超导和高温超导加以划分:Tc＜25K的超导材料称为低温超导材料（25K约为-248.15℃），目前已实现商业化的包括NbTi（铌钛，Tc=9.5K）和Nb3Sn（铌三锡，Tc=18k）。由

于NbTi和Nb3Sn具有优良的机械加工性能和成本优势,其制备技术与工艺已经相当成熟。目前低温超导的下游应用主要包括磁共振成像仪(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，基于低温超导材料的应用装置一般工作在液氦温度(约4.2K)，是目前最主要的实用化超导材料;

Tc≥25K的超导材料为高温超导材料，具备实用价值的主要包括铋系(例如Bi-Sr-Ca-Cu-O,BSCCO,Tc=110K)、钇系(例如Y-Ba-Cu-O,YBCO.Tc=92K)、MgB2超导材料(Tc=39K)、铁基超导材料等。目前高温超导的下游终端应用主要包括磁感应加热炉、可控核聚变、超导电缆、超导滤波器等，基于高温超导材料的应用装置一般工作在液氢温度(约20K)至液氮温度(约77K)。

据《中国新材料产业发展报告》，目前国内超导市场以低温超导为主，低温超导材料及应用占超导市场总量的90%以上，高温超导材料仍处于商业化初期，未来超导技术的应用空间是星辰大海。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。

我国MRI提升空间大，国产替代有望加速

医学影像方面，磁共振成像技术(MRI)是一种先进的人体无损成像技术，被誉为“尖端医疗设备皇冠上的明珠”，对于人体多种重大疾病影像诊断有重大意义。MRI通过利用核磁超导型MRI设备磁场均匀性和稳定性好,对人体多种重大疾病影像诊断有重大意义。

据华经情报网，2022年我国每百万人口MRI拥有量仅约9.38台，远低于日本的57.4台，美国、希腊、韩国、德国、意大利、芬兰和挪威等国的百万人MRI设备保有量均在30台以上，和欧美发达国家相比仍存在较大缺口。未来我国MRI设备保有量提升空间较大，预计2021-2025年CAGR达14.2%。随着国内超导MRI设备厂商技术日渐成熟，未来国产MRI的持续放量将稳步拉动对NbTi低温超导磁体的需求。

光伏领域再造MCZ第二成长曲线

光伏领域方面，目前12英寸半导体硅片产品成为主流,MCZ技术已在半导体领域成熟应用。目前采用超导磁体提供5000Gs稳定磁场的MCZ技术是国际生产12英寸大尺寸半导体级单晶硅的最主要方法。2023年5月，晶盛机电推出第五代单晶炉，将超导磁场技术导入光伏领域，打开低氧N型晶体生长工艺窗口。

我国半导体和光伏单晶硅行业市场规模持续扩容，为MCZ长晶炉奠定市场增量基础。我国半导体单晶硅行业市场规模由2017年的47亿元增长至2021年的103亿元，年均复合增长率为22%。大尺寸半导体级单晶硅的技术迭代升级需求，将加速国产化替代并拉动MCZ市场的发展。采用NbTi超导磁体的第五代单晶炉有望为MCZ技术打造第二成长曲线。

超导感应加热装置拉开高温超导产业化序幕

高温超导产业方面，当前大中型交流感应加热技术仍有较大的效率提升空间，进而催生了具有高效节能、加热质量高的超导感应加热需求。

高效节能：传统工频炉消耗大量热能在产生磁场的铜线圈上，未充分注入工件，加热效率不到50%。超导感应加热因零电阻特性，仅在产生强磁场时有低温损耗，加上机械损耗，总损耗不超20%，可将加热能效大幅提升至80%以上。以一条大型铝挤压生产线为例，可用1MW超导炉替代传统2.5MW工频炉，年节电约600万度。

加热质量高：锭料幅向加热均匀且轴向温度梯度准确可控。传统的交流感应加热炉通常采用大于工频(50Hz)交流电，因为集肤效应，产生的涡流主要分布在锭料表面，锭料的幅向加热效果的均匀性不佳。超导直流感应加热，可通过调整锭料的速度和增大磁场的强度,增大涡流效应的透入深度以实现更均匀的幅向温度，目前锭料的转速控制为240~720rpm(相当于4~12Hz)，相对于传统加热炉可以得到更深入、更均匀的轴向温度分布。

随着联创光电研发生产的首台兆瓦级高温超导感应加热装置进入投产阶段，未来YBCO高温超导带材的产业化进程有望随超导感应加热领域应用渗透加速而实现量变式的突破。

超导输电电缆示范工程加速推进

电力应用方面，超导电缆具有损耗低、截流能力大、体积小、环境污染小、电磁和噪声污染小等优点，是解决大容量、低损耗输电的重要途径之一。目前我国已在上海、深圳等多个城市建设了高温超导电缆示范工程，并在负荷热点区域成功实现运行。据贝斯哲咨询，预计2022-2028年全球超导电缆市场规模CAGR为17.4%。随着YBCO高温超导带材的产业化推进和相应的单位降本逐步兑现，未来超导电缆有望实现从示范项目到商业化应用的跨越，从而拉开高温超导电缆的商业化序幕。

超导磁悬浮有望丰富高速交通体系

交通运输方面，磁悬浮列车利用电磁吸力或斥力来实现列车与轨道之间的无接触悬浮和导向，再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。克服了轮轨交通运输在磨损、速度与噪音等方面遭遇的种种障碍，其具备的高速度、低噪声、低能耗等特点使其能在相同站间距离条件下达到更高的运营速度，减少旅行时间；

2023年3月，由中车长客自主研制的国内首套高温超导电动悬浮全要素试验系统完成首次悬浮运行，超导磁悬浮交通系统的发展将对我国高速交通系统起到重要的补充作用。第二代高温超导ReBCO带材绕制而成的超导磁体具有结构紧凑、磁场强度高的优点，有望为高速电动悬浮应用提供广阔前景。

可控核聚变助力人类未来能源梦

核动力方面当今可控核聚变研究的最终目标是建成资源极其丰富、经济性能优异、安全可靠、无环境污染的核聚变电站，使之成为人类未来的永久能源。随着我国在2006年加入国际热核聚变实验堆(ITER)项目，并启动中国聚变工程实验堆项目(CFETR)，未来我国可控核聚变技术路线将依然以聚变工程试验堆为基石，兼顾示范堆(DEMO)实验目标,进而形成对聚变电站相关问题研究的完整聚变路线。未来超导托卡马克装置将对低温和高温超导材料形成万吨级市场需求。

结尾

超导材料的性能之独特、应用面之广，无不催生了世界各地学术界和产业界对其的研究热潮。当前已得到产业化的低温超导和高温超导材料均具备十分广阔的应用前景，多个下游应用正处于商业化应用初期或从0到1的突破阶段。随着超导产业进展频频，相关材料和应用领域的探索和突破将吸引更多科研力量的投入，有望加速推进现有超导材料的产业化进程以及新型超导材料的发现。