（报告出品方/作者：民生证券，邱祖学、孙二春、李挺）
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。
MRI 设备需求快速增长。根据联影医疗招股说明书，中国 MRI 设备市场保有 量近年来一直保持快速增长态势。2018 年，日本、美国每百万人 MRI 人均保有量 分别约为 55.2 台和 40.4 台，同期中国每百万人 MRI 人均保有量约为 9.7 台，我 国当前人均 MRI 拥有量与发达国家的差距较大，随着临床需求的持续增加，中国 成为全球增长速度最快的市场。2020 年，中国 MRI 市场规模达 89.2 亿元，预计 2030 年将增长至 244.2 亿元，年复合增长率为 10.6%。
MRI 用超导线材需求量不断增加。目前，国内 MRI 存量市场主要以 1.5T 和 3.0T 两种型号为主。其中，1.5T MRI 因能够满足基本临床需求，市场占比远高于 3.0T MRI。2020 年，中国 1.5T MRI 设备保有量占比为 75.3%；3.0T MRI 设备 因产品价格高且采购需经政府批准，保有量占比为 24.7%。根据西部超导的测算，1.5T MRI 设备所需线材为 0.5 吨，3.0T MRI 设备所需线材为 1.5 吨。由于 1.5T MRI 仅满足基本临床需求，3.0T MRI 分辨率更高、检查更精细，因此，未来 3.0T MRI 设备的占比有望进一步提高，对超导线材的需求量亦会进一步增加。
3.2 超导在核聚变领域发挥重要作用
3.2.1 核聚变能产生方式
核能具有能量密度高、稳定可靠、清洁无污染等优点，是化石能源的最佳替代 项。核能的利用分为核裂变能和核聚变能。尽管核裂变和核聚变都使用原子能，但 这两个过程之间有关键的差别。相比核裂变能，核聚变能是具有清洁、安全、可持 续等优点的终极能源。因此，许多国家的科研机构和科技公司为之持续研究，希望 早日实现聚变能发电，但其挑战巨大，尚需解决众多科学和技术难题。目前实现可 控聚变约束有三种途径，包括引力（重力）约束、惯性约束和磁约束。在三类约束 方式中，引力约束无法在地球上实现，惯性约束也难以实现持续的聚变功率输出， 因此磁约束核聚变是实现聚变能开发的有效途径。
托卡马克是最有可能首先实现聚变能商业化的途径。磁约束是实现聚变能开 发的有效途径，而在各种类型的磁约束聚变装置中，托卡马克以其优异的等离子体 约束品质而备受重视。托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。 托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的 内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚 变的目的。
中科院等离子体所自主研制并建成世界上第一个全超导托卡马克实验装置 EAST（东方超环），标志着聚变能发展步入全超导托卡马克时代。由于常规超导 托卡马克装置在长脉冲稳态运行方面有所缺陷，而全超导托卡马克装置具备开展 长脉冲稳态实验运行能力，所以从常规装置向全超导装置发展势在必行。由中国科 学院等离子体物理研究所(以下简称“中科院等离子体所”)承担建设的国家“九五”重 大科学工程项目“EAST(原名 HT-7U)”超导托卡马克核聚变实验装置”，是一个拥 有超导纵场磁体和超导极向场磁体系统的全超导大型非圆截面托卡马克装置。 EAST 是由 Experimental（实验）、Advanced（先进）、Superconducting（超 导）、Tokamak（托卡马克）四个单词首字母拼写而成。2006 年，中科院等离子 体所自主研制并建成世界上第一个全超导托卡马克实验装置 EAST（东方超环）， 标志着聚变能发展步入全超导托卡马克时代，向着实现稳态核聚变能源方向发展。
EAST 超导磁体采用 CiCC 超导体，选用 NbTi 为超导材料。CICC 超导体的 稳定性受其股线的铜超比、超导缆的空隙率、各级子缆扭距、股线及子缆表面状态 等因素的影响很大。从节约项目经费及 NbTi 超导股线的性价比等因素考虑，EAST 采用了原准备用于超导加速器的低铜超比超导股线。
3.2.2 超导材料在 CFETR 中的应用
超导材料在中国聚变工程试验堆（CFETR）的线圈中发挥了重要的作用。中国 聚变工程实验堆（CFETR），是中国自主设计和研制并联合国际合作的重大科学工 程，也是我国聚变实用化研究的关键一步。虽然我国自 20 世纪 90 年代开始托卡 马克研究，并先后建成运行合肥超环(HT-7)、中国环流器二号(HL-2A)及东方超环 (EAST)等装置。然而目前来看，要填补未来商用聚变示范堆（DEMO）之间的技术空白还有很大的差距，很多的工程技术难题也还没有解决。CFETR 将着力解决 ITER 与 DEMO 之间存在的物理与工程技术难题，为我国 2050 年前后独立自主建设聚 变电站奠定坚实的基础。
在物理设计方面，CFETR 同样采用全超导磁体集成方案，因此超导磁体系统 是 CFETR 的核心部件之一，CFETR 的超导磁体系统主要由 16 组纵场（Toroidal Field,TF）磁体、8 组中心螺管（Central Solenoid,CS）磁体以及 6 组平衡场 （Poloidal Field,PF）磁体等组成。其中，中心螺线管(CS)线圈是 CFETR 的重要 组成部分之一。
未来线圈更有可能在高场区采用高温超导导体，在低场区采用低温超导导体。 这是因为磁体系统在 CS 和 TF 线圈导体上产生的最高磁场可能达到 15T 以上，此 时使用 Nb3Sn 导体无法满足要求，而随着高温超导材料技术的发展，未来 CS 线 圈可能在高场区采用 Bi-2212 高温超导导体(工作在 10–30K 温度，25–30T 磁场 强度)，而在低场区采用 Nb3Sn 低温超导导体。在高场区的高温超导导体进展方 面，目前，中国科学院等离子体物理研究所已设计制造了由 42 根 Bi-2212 超导线 绞制的高温超导圆形 CICC 导体，并完成了临界电流测试，该临界电流值比较低，下一步需要发展高压 O2 氛围下的热处理技术，以提高 Bi-2212 高温超导导体的 性能。
3.2.3 超导材料在 ITER 中的应用
除了发展 EAST 和 CFETR，我国还积极参与国际大工程科学计划--ITER 计 划。ITER 计划全称“国际热核实验堆”，于 1985 年确立。在上个世纪五十年代 氢弹爆炸成功之后，人们就开始了聚变核电站的研制研究工作。最初的聚变研究是 作为国家机密，每个国家各自进行研究。但是由于受控聚变的实现难度超乎寻常， 超越了任何一个国家的承受能力。于是从 60 年代开始，世界各国开始谋求合作以 进行人类聚变能的开发。在这种背景下，ITER 计划最终确立，并以建造一个可持 续燃烧的托卡马克聚变实验堆为目标。目前合作承担 ITER 计划的七个成员是欧盟、 中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国，这七方包括了全世界主要的核国家和主 要的亚洲国家。ITER 计划共需要超导线材 802 吨，其中我国西部超导承担了 208 吨的超导线材供应工作，于 2017 年全部交付，得到国际同行的高度评价。
大科学装置将需要高性能低温和高温超导材料近 20000 吨。随着科技的进步， 国际上前沿技术领域对超导材料和应用技术提出了更高、更全面的要求。新一代环 形正负电子对撞机及超级质子对撞机（CEPC/SPPC）磁场水平达到国际最高水平 20T、中国聚变工程试验堆（CFETR）磁场水平达到 15T、欧洲环形对撞机（FCC） 磁场水平达到 15T，这些大科学装置将需要高性能低温和高温超导材料近 20000 吨。
3.3 射频超导腔是粒子加速器关键部件
射频超导腔是新一代粒子加速器中的关键部件，采用铌超导腔的粒子加速器 具有运行稳定好、平均流强高、加速梯度高、低损耗、运行成本低的特点。加速器 是重要的科学装置，在材料物理、高能物理、核物理、放射性核素研究等领域发挥 着重要作用，在能源、医疗、军事等方面也有着重要的应用价值。射频超导腔是加 速器中给粒子束流提供能量的核心部件，相当于加速器的发动机。它的工作原理是： 输入耦合器馈入腔体的微波在超导腔内部建立特定谐振模式的电磁场；当带电粒 子以合适的相位通过射频腔时，会正好受到正向加速场的作用，从而被加速。根据 谐振腔的材料特性和工作温度，可以分为常温加速腔和超导加速腔。常温加速腔的 材料主要是无氧铜，腔的表面电阻在 mΩ量级，对应的本征品质因数 Q0 在 104 量 级。而超导加速腔的材料目前主要是高纯铌，高纯铌是具有较高临界温度(Tc=9.2 K)的第Ⅱ类超导材料，由于其高临界温度、高临界磁场以及低表面电阻的特点逐步 被用来代替铜作为高能粒子加速器的内腔材料。超导加速腔工作在超导状态，腔的 表面电阻一般为 nΩ量级，对应的本征品质因数 Q0 在 109 量级，高于铜腔 5 个数 量级，并且功率损耗小、加速场梯度高、阻抗小，可以达到很好的能量分辨率和稳 定度。
射频超导腔的关键参数包括加速梯度 E，品质因数0，RRR 等。加速梯度 是超导腔的加速电压与有效加速长度的比值，反映了带电粒子通过超导腔时 的能量增益，加速梯度越高，意味着加速到同样的能量所需的加速腔更少，束线长 度更低，加速器的建造和运行成本都会更低。品质因数是超导腔储能与腔体损耗的 比值，表征了加速腔在一定储能的情况下，超导腔腔壁的功率损耗。RRR 值定义 为材料在室温下（300 K）和在 4.2 K（液氦）时的电阻率之比。
国际上最早开始研究射频超导的应用试验是 1965 年斯坦福大学的汉森物理实验室首次采用铜表面镀铅的超导腔进行载束实验，但是加速梯度非常低。随后， 1968 年 J.Turneaure 和 N.Viet 采用的纯铌超导腔载束实验获得突破，加速梯度 超过 10 MV/m，从此之后纯铌被广泛应用于制造超导加速腔。目前应用纯铌超导 腔的在运行电子加速器有：美国 JLab 实验室的连续电子束加速装置 CEBAF，美国 直线加速器相干光源升级项目 LCLS-II，德国的欧洲 X 射线自由电子激光装置 XFEL，我国北京环形正负电子对撞机 BEPC-II 和上海硬 X 射线自由电子激光装置 SHINE 等。质子或者重离子加速器有：美国橡树岭国家实验室的散裂中子源项目 SNS，密歇根州立大学的稀有同位素束流装置 FRIB，欧洲散裂中子源项目 ESS， 以及我国近代物理研究所的加速器驱动嬗变研究装置 CiADS 和先进重离子加速器 装置 HIAF 等。
射频超导腔制作流程可分为高纯铌锭熔炼、超导铌材加工、射频超导腔制造三 大部分，每个部分都有很严格的技术要求。
（1）高纯铌锭熔炼：高纯铌锭的制备是制造射频超导腔用铌板最为关键的环 节，必须将高纯铌锭的 RRR 值提高到一定的水平。铌超导腔壁既是超导电流的导 体，又是腔内高能粒子运动和碰撞时辐射出的热能向外传导给液氦的途径，因此， 超导腔必须具备很好的热传导性能和超导性能。铌的超导和热传导性能与自身纯 度有着紧密的关系，因此加速器用铌材必须满足特殊的纯度，要使其残余电阻率 （RRR）大于 300，并且冶金缺陷尺寸要小于 50μm。从高纯铌锭到超导铌板的加 工过程中不可避免的会受到的污染，主要为铌材在加工变形时升温过高导致的气 体杂质元素的污染，这种污染降低了后期铌板材的 RRR 值。影响铌材 RRR 值的杂 质主要来源于晶界间隙的残留物（主要是 H、C、O 和 N）以及金属杂质（主要是 Ta），要获得 RRR 值大于 300 的铌锭，C、N、O 质量分数需小于 20×10-6，H 质量分数需小于 2×10-6，Ta 质量分数需小于 500×10-6。目前，工业生产中主要 以铝热还原法还原 Nb2O5 制备高纯铌锭的精炼原料铌坯（一般纯度为 99.0%～99.9%，铌坯含有大量的 N、H、O 等间隙杂质和金属 Al 杂质，RRR 值则在 30 左 右，远远低于射频超导腔用铌的要求），后对高纯铌坯经过多次的高真空、高功率、 高挥发损失的真空电子束熔炼（EBM）进行真空精炼，使得铌锭 RRR 值达到 300 以上。目前，世界上可以生产 RRR 值大于 300 高纯铌锭的公司主要有德国 W. C. Heraeus 公司、日本 Denkai 公司、美国 Wahchang 公司、巴西 CBMM 公司、 中国东方钽业等。
（2）超导铌材加工：国际上射频超导腔用铌板的制备工艺路线为高纯铌锭 （RRR 值大于 300）→开坯→初轧→酸洗→退火→精轧→酸洗→退火→抛光→酸 洗→超导铌板。铸锭的 RRR 值和化学成分一定的情况下，在加工过程中主要考虑 过程中气体杂质元素对铌材的污染，铌材加工变形升温过高时将会吸附气体杂质。 铌板的加工过程是一个洁净化加工过程，在加工中铌板的污染是不可避免的，既要 控制铌板在加工过程中的污染又要清除污染，只有这样才能保证铌板的 RRR 值达 到技术要求。为了解决细晶材料在加工成超导铌板的过程受到污染影响铌材使用 性能的问题，国际上也在积极开发新的超导腔用铌材，大晶粒铌材应运而生。细晶 铌材是大晶粒铌锭经过锻打、碾压、去油、酸洗、高真空条件下退火重结晶得到的， 细晶晶粒大约 50μｍ，细晶铌材在加工的过程中可能引入新的杂质或者缺陷，而 大晶粒铌材是制备好铌锭后直接通过切割的方式加工成圆板, 再进行酸洗检验, 省去了细晶粒铌板的锻造、轧制、退火、表面处理等工艺，具有低成本、低 RRR 值损耗的优点。目前，工业化生产的大晶粒铌片已经可以满足制造超导腔的要求， 而且采用大晶粒铌材可以简化超导铌板的生产过程，消除了在原先细晶材料制备 过程中开坯轧制等对材料的污染；同时采用大晶粒铌材制造的超导腔还可能可以 省去昂贵的电化学抛光工序，并且超导腔的加速梯度也能满足要求。
（3）射频超导腔制造：从超导铌材到最终的射频超导腔的成型过程需要经过 超导腔半腔冲压与精加工、电子束焊接、超导腔射频频率与场平坦化调整、超导腔 后处理工艺、超导腔性能测试等生产流程，其中每一过程的完成质量都会影响到超 导腔的性能，因此在生产流程每一步骤完成后, 都要对各种元件(半碗、哑铃、高阶 模耦合器和端腔)进行微波测量和调谐以保证整腔的均匀性和确定精密加工的加工 量, 特别是所有哑铃的谐振频率、耦合系数和尺寸都应该尽可能保持一致。 首先是对超导铌板材用冲压成形出谐振腔的主要部件，再用精密加工方法对 其进行机械加工使其满足精度要求，最后用电子束焊接连接成整体。元件和整腔的 焊接采用真空电子束焊接以保证焊缝处铌材的纯度(RRR 大于 250), 每一步焊接 前都要对元件表面进行适当的缓冲化学抛光(Buffered Chemical Polishing, BCP) 和 18MΩ-cm 以上的超纯水冲洗。
然后是对电磁场进行平整度调整。射频超导腔各个 cell 中场分布的均匀性对 腔的性能十分重要, 如果各 cell 中场分布不均匀, 会限制整腔的加速梯度，因此需 要通过超导腔射频频率与场平坦化调整使得每个 cell 中的场分布尽可能一致以保 证整腔达到最大加速电压。 最后是表面处理和垂直测试。在超导腔安装到低温恒温器之前一般需要进行 垂直测试, 即在一个垂直放置的通用恒温器中测量没有束流情况下的超导腔加速 梯度和品质因数, 检验合格后的超导腔才可装入加速器中。垂直测试前要对超导腔 进行整腔表面处理, 主要过程包括: 超声波清洗、缓冲化学抛光（BCP）、电抛光 (Electropolishing, EP)、高温退火、高压超纯水冲洗和低温烘烤。BCP 和 EP 均可 用于去除超导腔表面沾污和使腔表面更为光洁, EP 的抛光速度比 BCP 慢, 但可获 得更小的表面粗糙度。超声波清洗可以有效去除 BCP 或 EP 后存留在超导腔表面的杂质, 如油脂、酸液等。如果铌材中含较多氢元素, 则超导腔的品质因数会有较 大幅度下降, 通常称为 Q-disease，对超导腔进行 600℃–800℃的高温退火可以 消除铌材中的氢, 从而避免 Q-disease。高压超纯水冲洗可以有效去除附着在超导 腔表面的微小颗粒, 这些颗粒往往会引起腔内的场致发射, 限制加速梯度的进一 步提高。
德国研究仪器公司(Research Instruments)在射频超导腔制造环节全球领 先，市占率超 5 成。德国研究仪器公司是从德国 ACCEL 公司分离出来的，是全球 超导腔制造龙头，业务布局覆盖超导腔部件、加速器模块以及加速器系统，目前射 频超导腔产能约 200 只/年，近些年已经累计交付超 2000 只，全球市占率超 5 成。 国内北京大学射频超导实验室自 20 世纪 80 年代末开始射频超导加速腔研究。 1993 年，北京大学采用国产铌材研制国内第一只超导腔（频率 1.5GHz，1cell 椭 球腔），当时国产铌材的残余电阻比（RRR）仅约 60。2005 年开始，北京大学与 宁夏东方钽业集团合作研究满足超导腔要求的大晶粒铌材。早期像电子束焊接、表 面处理、垂直测试等环节都需要送往海外实验室进行，伴随着国内射频超导腔研究 不断推进，射频超导腔产业国产化进程持续向前。2011 年东方钽业集团和北京大 学联合的宁夏东方超导科技有限公司成立，开始建立国内集超导腔冲压成型、机加 工、高真空电子束焊接、表面处理、常温微波测量等一体化的基地。目前，东方超 导已形成一套完整的射频超导腔的生产线，成为国内唯一具有超导腔生产及后续 处理的产业链。
超导加速器主要用于高能物理、散裂中子源、洁净核能源、同步辐射光源、自 由电子激光等，具有广泛的应用前景和现实应用价值，国内相关科学项目预计将带 来超 800 只需求。国内正在建设的粒子加速器有上海硬 X 射线自由电子激光 (SHINE)项目,项目共需 1.3GHz-9Cell 超导腔 600 只和 3.9GHz-9Cell 超导腔 16 只；加速器驱动嬗变研究装置(CIADS)项目,项目共需 Spoke、HWR 等不同型号的 超导腔 137 只；强流重离子加速装置(HIAF)项目,项目共需 QWR、HWR 等不同型 号的超导腔 106 只；高能同步辐射光源项目,项目共需轮辐超导腔 500MHz 超导腔 7 只，需求空间可观。
东方钽业是全球少数能够生产超导铌材和铌钛材的公司之一以及唯一兼具材 料生产和超导腔制造能力的公司，东方超导为射频超导腔业务主体。东方超导于 2011 年由东方钽业与北京大学合资成立，通过产学研相结合的方式，将北京大学 在超导腔领域已进行了数十年的研究成果实现产业化。北京大学目前持有东方超 导 22.88%的股份，东方钽业持有东方超导 68.64%的股份。东方超导在东方钽业 高纯铌材生产加工基础上，根据现有技术基础和研发成果，完善了包括超导腔高纯 铌板材料的制备与检验、超导腔半腔冲压与精加工、电子束焊接、超导腔射频频率 与场平坦化调整、超导腔后处理工艺、超导腔性能测试等在内的高加速梯度要求的 生产流程。目前东方超导已形成一套完整的射频超导腔的生产线，是国内唯一具有 超导腔生产及后续处理产业链的公司。
东方超导营业收入稳步提高，利润增长未来可期。2017-2022 年，东方超导 营收从 756 万元增长到 2367.5 万元；2017-2022 年，东方超导净利润从 20.3 万 元增长到 428.1 万元。东方超导目前射频超导腔产能为 30 支/年，远不能满足下 游需求。东方钽业 2022 年也发布定增项目预案，拟新增铌超导腔产能 70 支/年， 项目建设期 24 个月，达产后合计产能将达到 100 支/年。2022 年，东方超导通过 增发注册资本、向员工出售股权的方式对核心骨干员工进行股权激励，有效提升了 员工的积极性，公司未来成长可期。
3.4 超导在 MCZ 应用逐步放量
MCZ(磁控直拉单晶硅技术)配置超导磁体。磁控直拉单晶硅技术（Magnetic Applied Czochralski Method），简称 MCZ，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。MCZ 法制备硅单晶的原理与 CZ 法基本相 同，只是在生产过程中对硅熔液施加了一个横向的电磁场，其目的是为了抑制硅溶 液中的对流现象，从而控制晶体中的氧含量。单晶硅中氧的来源主要是石英坩埚的 溶解，而通过磁场对导电硅流体的热对流形成抑制作用，抑制单晶硅生长过程中杂 质和缺陷的产生，可以使晶体完整性、均匀性得到很大改善，从而实现高质量大尺 寸单晶硅快速生长。
晶盛机电与西部超导强强联合，助力超导材料需求放量。2023 年 5 月，晶盛 机电推出了第五代光伏低氧单晶炉配置了超导磁场，截至 2023 年 6 月，第五代单晶炉已签订约 3500 台设备订单，预计 2023 年配置近 300 台超导磁场。2023 年 6 月，晶盛机电与西部超导签订战略合作协议，将进一步加强和巩固双方在各自领 域的技术优势和竞争力，加快超导磁场产能供给，持续推动光伏技术革新，助力全 球新能源产业发展。
单晶硅市场规模不断扩大，拉动超导磁体需求释放。单晶硅行业产业链上游为 多晶硅及各类特种气体；中游为单晶硅的生产供应环节；下游主要应用于太阳能电 池、光伏、半导体、航空航天、汽车等领域。从我国单晶硅产出情况来看，得益于 下游需求的不断增长以及各企业产能布局进程加快，近年来我国单晶硅产能及产 量均快速增长。随着未来硅片不断向大尺寸方向发展，叠加半导体产业与光伏产业 对于硅片的需求，对于用 MCZ 法制备单晶硅所用的超导磁体需求量也会增加。根 据辰光医疗招股说明书，按照 67 台/GW 的行业标准计算，未来伴随着 N 型单晶 硅逐步替代 P 型单晶硅，对磁拉单晶超导磁体的需求将达到近万台。
3.5 高温超导感应加热技术产业化前景广阔
高温超导感应加热器是一种以超导体为核心的新型的电磁感应加热设备。利 用超导体在低温下可实现稳定零电阻超导态的特性，在金属热加工、热处理等领域 展现出优良特性，广泛应用于包括铝、铜、钛等金属的加工成型领域（包括挤压、 锻造、轧制等）。新型超导感应加热设备主要包括直流励磁电源、超导主磁体系统 和机械旋转系统等。
超导感应加热技术加热原理和传统感应加热相同，都是法拉第电磁感应定律、 涡流效应与焦耳定律。高温超导感应加热技术利用超导材料在临界低温下呈现零 电阻的特性，产生强直流磁场，由机械传动系统带动如铝锭等金属工件在磁场中旋 转，产生相对运动，工件切割磁力线形成涡流并产生焦耳热，实现对工件的热处理。
高温超导感应加热技术节能效果明显。目前成熟的电机技术可以让超导感应 加热效率达 90%以上，约为传统方式的两倍，节能效果明显；高温超导感应加热 可以得到更深入、更均匀的轴向温度分布，提高加热质量，从而适用于如镁合金、 钛合金等传统方式不能加热的合金。
高温超导感应加热经济性体现在综合经营成本低、投资回收期短、能效高等方 面。高温超导感应加热设备生产利用率越高，产生的经济效益越显著，超导线圈基 本无能耗，大大节约了外围辅助设备的电力成本。以 1MW 超导感应装置为例， 按电费 0.6 元/kWh 计算，每年约能节约电费 547 万元，静态设备投资回收期仅 2-3 年。
2023 年 4 月 20，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 置于黑龙江中铝集团东北轻合金公司投用，标志我国超导热加工技术在全球实现 重大突破。该设备具有磁场强度高、透热深度大、能效转化率高等显著优势，并对 超导磁体、旋转加热等核心关键技术的稳定性和可靠性进行了验证，在金属热加工 行业实现了颠覆性替代应用。联创光电预计 2024 年兆瓦级超导感应加热器年产能 达 100 台，超导产业园达产后，可实现年产 500 台的目标。此外，高温超导感应 加热设备可用于铜、铝、镁、钛等材料的热加工及单晶硅生长炉、选矿和污水处理 等方面，国内超导感应加热技术持续发展，应用范围广，设备市场空间巨大。
3.6 超导在电力领域产业化应用曙光初现
高温超导技术在电力工业具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。超导电力 的结合包括高温超导限流器、高温超导电缆、高温超导变压器等一系列产品，且均 已在实际生活中得到使用，其中高温超导输电电缆在超导体实现规模化的商业应 用过程中，率先迈向产业化，目前已有多个长距离高温超导电缆挂网运行。
超导输电技术是一种利用高密度载流能力的超导材料发展而成的新型输电技 术。超导输电系统的主要组成部分由超导电缆本体、超导电缆终端、循环低温制冷 装置和配套的超导电缆及线路监控保护设施。超导输电电缆主要由超导材料、绝缘 材料和维持超导状态的低温容器构成。目前高温超导电缆按绝缘方式可分为常温 绝缘（Warm-Dielectric, WD）电缆和低温绝缘（Cold-Dielectric, CD）电缆两种； 按电缆结构可分为单相型、三相同轴型和三相统包型电缆，分别别适用于高电压等 级（110kV）、额定电压 10kV 商业化超导电缆系统和 66kV 以下的电压等级。
高温超导电缆可能会替代传统电缆成为输电电缆的主流。常规电缆输电时，由 于电阻生热都会有所损耗，如输送 1000 万千瓦电力的损失可能达到一座 100 万 千瓦发电站的发电量，如果能通过给输电线降温使其达到超导状态，就能将电阻几 乎变为零，从而实现无损输电，大大提升输电效率。和传统的铜、铝制成的电缆相 比，高温超导电缆可以将发电厂与用户之间传输的电力损耗减少至 1/4。考虑到高 载流密度的特性让超导输电系统的安装占地空间变小，土地开挖和占用量也得以 减少，利用现有的基础设施铺设超导电缆的可行性较高。同时，超导导线截面积较 普通电缆大大减少，可以减轻输电系统的总重量。在城市密集区域、跨越性输电工 程等场景下，高温超导线路将成为更具优势的选择。
随着示范工程推进，超导电缆产业化大幕有望逐步拉开。超导输电逐步从示范 性工程向商业 20 世纪 90 年代以来，美国、日本、韩国、德国等相继开展了高温 超导电缆及其输电技术的研究工作，并有多个工程投运。虽然关于超导电缆工程的 研究起步较晚，但我国已经成为国际超导领域的中坚力量。随着示范工程推进，超 导电缆产业化大幕有望逐步拉开。
3.7 超导在高速电动悬浮领域应用前景可期
超导电动悬浮列车最具实用化前景。根据磁悬浮列车的悬浮方式不同，可以将 磁悬浮列车划分为：电磁悬浮（electromagnetic suspension，EMS）列车、电 动悬浮列车（ electrodynamic suspension ， EDS ）、超导钉扎悬浮 （superconducting pinning levitation，SPL）列车。电动悬浮按照场源形式可 以划分为超导电动悬浮和永磁电动悬浮，超导电动悬浮按照磁体的工作温度又可 以划分为高温超导电动悬浮和低温超导电动悬浮。在上述的几种电动悬浮方式中， 日本研发的线圈式超导电动悬浮列车最具实用化前景。电动悬浮、超导磁悬浮列车 具有运行速度高、车辆轻、悬浮间隙大等优点，是目前超高速磁悬浮列车发展的主 流趋势。
车载超导磁体是核心部件，承担着与地面线圈（驱动、悬浮、导向线圈）相互 作用，实现列车驱动、悬浮、导向的任务。根据超导线圈的绕制线材不同，超导磁 体可以分为基于 NbTi 低温超导线绕制的低温超导（ low temperature superconducting,LTS）磁体、基于 Bi 系一代高温超导带材绕制的高温超导（high temperature superconducting,HTS）磁体和基于 ReBCO 二代高温超导带材绕 制的高温超导磁体，基于高温超导带材绕制的超导线圈可以大幅降低超导磁体的 运行成本。日本磁悬浮列车的车载超导磁体采用低温超导线 NbTi 绕制超导线圈。 磁体系统主要由超导线圈、内杜瓦、支撑系统、冷屏、外杜瓦、液氮罐、液氦罐等 设备组成。
国内车载高温超导磁体投入实验运行,在高速电动悬浮领域应用前景可期。国 内车载超导磁体研究包括中国合肥物质研究院 LTS 磁体、中国上海交通大学 HTS 磁体、中国西南交通大学 HTS 磁体等，其中上海交通大学设计的闭环车载 HTS 磁 体的电流衰减率是最低的，设计的非浸渍、固氮低温系统也是目前低温维持时间最 长的，部分磁体已经投入实验运行。高温超导带材具有临界电流高、温度裕度大、 机械强度高等优点，采用二代 HTS 带材绕制超导磁体具有结构紧凑、磁场强度高 的优点，在高速电动悬浮领域应用前景可期。
3.8 二硼化镁（MgB2）超导材料有望逐步迈入商业化
MgB2超导转变温度达 39K。二硼化镁（MgB2）是日本科学家在 2001 年偶 然发现的金属间化合超导体，结构由镁所构成的三角格子和硼所构成的蜂窝六角 结构平面交错堆砌而成。它的超导转变温度达 39K，几乎高达其他同类型超导体 的两倍，属于典型的 BCS 超导体。它是结构非常简单的二元中间金属化合物。
MgB2具有相干长度大、晶界不存在弱连接、材料成本低、加工性能好的优点。 MgB2 相干长度为 6~7 纳米，具有六方型晶体结构，因此有较高的不可逆场，可 以在无液氮的制冷机条件下（10~20K）使用。其可承载电流高，各向异性也比 Bi 系和 Y 系小，原料来源丰富，可采用低成本的 PIT 工艺制备。
MgB2超导体有一定应用潜力，可用于核磁共振成像（MRI）系统、特殊电缆、 风力发电电机及空间系统驱动电机等领域。利用粉末套管轧制技术（PIT）和原位 反应技术可以轻松制备出千米级的导线。美国 Hyper Tech.公司已制备出单根长度 大于 3km、Jc 值 25K 的 Monel/Cu/Nb 基多芯 MgB2 线材；日本日立（Hitachi） 公司也已具备制出千米级 MgB2 线材的生产能力；我国西部超导材料科技股份有 限公司和西北有色金属研究院可制备千米级长度 19 芯及 37 芯结构的 MgB2长线。
在 MgB2 高温超导线材生产工艺方面，各国不断进行研究和突破，目前二硼 化镁高温超导线材的生产流程已较为成熟。较为主流的是粉末套管法（PIT）、中 心镁扩散法（IMD）和连续管线成型法（CTFF）。
提高 MgB2 超导线带材的 Jc 和稳定性是未来研究的突破方向，制备工艺在取 得突破后，MgB2超导线带材及其应用将迈向商业化模式。西北有色金属研究院正 用自己生产的 MgB2 超导线材，制备开放式 0.6T 医用核磁成像系统。基于 MgB2 高温超导线带材制备的开放式医用核磁共振成像系统有望投入使用，并逐步向商 业化发展。
4 投资分析东方钽业：国内钽铌龙头，国企改革标杆
东方钽业深耕钽铌行业近 60 年，是国内唯一的从钽铌矿石的湿法冶金、火法 冶金、粉末制备、成型烧结、3D 打印、压力加工、机械加工、高真空热处理的全 流程生产企业，是世界钽铌行业三强之一。 市场化改革焕发老国企新生。公司近年积极推行各项市场化改革措施，加快现 代企业制度体系建设，包括灵活开展各类中长期激励政策激发员工发展潜能，实施 “三个不低于”薪酬激励与专项奖励机制强化薪酬与业绩紧密挂钩。正向激励改革 措施成效也十分显著，员工“主人翁”意识大大增强，企业发展动能得到提升，公 司盈利显著向好创 10 年来最好水平，母公司中色东方经营业绩更是创 57 年来 最好水平。
自主创新突破高端应用增添成长新动力。公司围绕钽铌铍业务不断做精做强， 公司在核工程、航空航天、集成电路等高端领域实现创新突破，包括高压高比容钽 粉、12 英寸钽靶材、高端医疗用钽材料、铌射频超导腔、高温涂层、铍铝合金、 ITER 铍材、铍窗口材料等，解决了众多制约我国发展的“卡脖子”问题，公司未 来成长有望多点开花。 定增项目有望实现产能扩充支撑长期成长。公司发布定增预案拟对火法冶炼 产能、制品加工产能进行扩充，包括火法冶金项目拟新增熔炼产品产能 180t/年、 熔铸产品产能 140t/年、锻造通过量 6018t/年，制品项目达产后钽铌板带制品产 能预计将达到 70t/年；超导腔项目拟新增铌超导腔 70 支/年达到年产 100 只铌 超导腔产能。公司定增项目聚焦钽铌主业高端化路线，预计定增项目达产后公司产 能将得到有力补充，未来成长得到有力支撑。
西材院为国内唯一铍材研究加工基地，稳步增长增厚公司利润。持股 28%的 西材院为国内唯一铍材研究加工基地，铍金属业务主要对接国防军工领域，主要产 品应用于航天航空、核工业等领域，其子公司中色新材料承接铍金属非军工业务， 覆盖铍铜业务、电子浆料以及靶材等。西材院业绩成长迅速，2022 年西材院实现 营收 17.20 亿元，同比增加 255.32%，净利润 2.49 亿元，同比增加 44.79%。
西部超导：超导产品销量翻倍，高温合金 钛合金项目稳步推 进
高温合金业绩贡献逐步显现。公司作为国内高性能高温合金材料的新兴供应 商之一，众多产品广泛应用于国家军工重大装备、大型科学工程等，GH4169、 GH738 等典型高温合金在多个型号发动机、燃机和商发长江系列发动机进入批量 供货阶段。2022 年公司高温合金销量 732.41 吨，同比 45.67%，随着未来逐步 释放产能，叠加原料端镍、钴等价格趋弱，高温合金业绩贡献有望逐步抬升。 定增项目加码高温合金 钛合金材料，成长性再上台阶。2022 年 1 月公司完 成定增，共募集资金净额 19.81 亿元，其中 9.91 亿元规划建设航空航天用高性能 金属材料产业化项目，新增钛合金材料 5050 吨，高温合金 1500 吨的生产能力。 定增项目 2024 年投产后，钛合金总产能将达到 1 万吨。高温合金方面，随着 2019 年公司首发募投的 2500 吨在 2023 年投产，定增募投的 1500 吨在 2024 年投产， 公司高温合金产能将达到 6000 吨，届时高温合金生产能力将处于国内第一梯队， 未来将充分受益下游军工等领域发展。
超导产品放量。超导产品市场开拓顺利，公司持续开发超导材料和磁体技术在 半导体、光伏、医疗及电力领域的应用，其中 MRI 用超导线 22 年产销量再创新 高，1.5T-5T 高场超导磁共振成像仪（MRI）用 NbTi 线材产品国际国内市场份额 持续扩大。此外公司相继中标国家重大项目超导线采购项目，核聚变用高性能 Nb3Sn 超导线打破国外垄断，形成批量供应。2022 年公司超导产品销量同比 99.36%至 1110 吨，随着公司超导产品产能提升，超导产品业绩贡献可期。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
精选报告来源：【未来智库】。
