超導(dǎo)材料行業(yè)分析報告2011

2011年超導(dǎo)材料行業(yè)分析報告2011年7月目錄TOC\o"1-4"\h\z\u一、重溫光纖歷史，超導(dǎo)行業(yè)變革無法阻擋 3二、超導(dǎo)材料是超導(dǎo)行業(yè)的核心 51、超導(dǎo)材料分類 62、低溫超導(dǎo)材料 6（1）NbTi低溫超導(dǎo)材料 6（2）Nb3Sn低溫超導(dǎo)材料 83、高溫超導(dǎo)材料 9（1）第一代鉍系高溫超導(dǎo)材料 10（2）第二代釔系高溫超導(dǎo)材料 11（3）高溫超導(dǎo)材料對比 134、超導(dǎo)材料商業(yè)化市場 14三、重點公司 151、永鼎股份：未來超導(dǎo)材料龍頭 172、漢纜股份：電纜行業(yè)龍頭 18一、重溫光纖歷史，超導(dǎo)行業(yè)變革無法阻擋從1876年電話發(fā)明到上世紀(jì)的六十年代末期，在這近百年的時間內(nèi)電話通信的傳輸線是銅制導(dǎo)線。它經(jīng)歷了從架空明線、對稱電纜到同軸電纜的過程，甚至到上世紀(jì)七十年代世界上干線通信仍使用標(biāo)準(zhǔn)同軸管，每管重量達(dá)200kg/km，例如我國采用的8管同軸電纜加上金屬保護(hù)套重達(dá)4000kg/km，有的國家采用20多管的同軸電纜，那更是龐然大物；有色金屬和其他材料的消耗實在太大，每話路公里的成本甚高。其實，人們早就在尋求和研究比同軸管更好的傳輸線，這就是金屬波導(dǎo)。人們希望能在厘米波段實現(xiàn)H01波的頻率越高損耗越小的傳輸。正當(dāng)人們?yōu)榻饘俨▽?dǎo)制造工藝極其嚴(yán)格苛刻的要求束手無策的時候，第一個每公里損耗20dB的單模光纖研制成功了，人們看到了光線通信的曙光，引起了國際上眾多發(fā)達(dá)國家的關(guān)注，并投入了大量人力物力對光纖的生產(chǎn)制造進(jìn)行研究。到80年代初期，光線的傳輸損耗由1960年的1550dB/km已降至0.2dB/km，隨著傳輸損耗的不斷降低，光纖通信得到大規(guī)模應(yīng)用，揭開了人類通信史上新的一頁。這是電子通信到光子通信的一個飛躍。電子通信的載頻最高只有1011Hz，而光的載頻卻是1014Hz，提高了3個數(shù)量級，也就是說光纖信號的通信容量可達(dá)上億數(shù)字話路。不僅如此，作為傳輸媒體的SiO2系列光纖每公里重量才27克，這與前面所提到的同軸管相比重量減輕了數(shù)千倍。光纖不需要消耗有色金屬，重量輕，傳輸損耗小，不受外界電磁干擾，保密性強(qiáng)，所以從上世紀(jì)80年代中期開始全世界都掀起了光纖通信研究的熱潮，尤其是克林頓總統(tǒng)在上世紀(jì)90年代初期提出了建設(shè)國家信息基礎(chǔ)設(shè)施計劃后，在全世界掀起了建設(shè)光纖通信網(wǎng)信息化高速公路的高潮。技術(shù)進(jìn)步，推動材料大規(guī)模普及。隨著光線傳輸損耗的不斷降低，光線在電話傳輸線路中得到大面積推廣使用。從表1，我們可以看到在1993年以前全球鋪設(shè)的光纖總長度為5470萬公里，而1994年增加到7600萬公里，1997年世界光纖總鋪設(shè)量已經(jīng)達(dá)到17400萬公里，到2000年底全世界鋪設(shè)的光纖總數(shù)為30040萬公里。重溫光纖歷史，超導(dǎo)行業(yè)正在經(jīng)歷上世紀(jì)七十年代光纖通信的轉(zhuǎn)折點。當(dāng)時人類用了整整100年時間，從貝爾發(fā)明“光電話”到商業(yè)化生產(chǎn)光纖通信設(shè)備，但是從光纖通信技術(shù)獲得突破性進(jìn)展并得以大規(guī)模的應(yīng)用卻不到10年時間。超導(dǎo)現(xiàn)象的出現(xiàn)到超導(dǎo)材料批量化生產(chǎn)也剛好100年，也許未來10年或者不用10年超導(dǎo)材料合成技術(shù)獲得突破性進(jìn)展并得以大規(guī)模應(yīng)用也將成為可能?？梢灶A(yù)見正如半導(dǎo)體帶來了資訊時代、光纖帶來了傳訊時代，超導(dǎo)材料將從根本上改變?nèi)祟惖挠秒姺绞?，給電力、能源、交通以及其他與電磁有關(guān)的科技業(yè)帶來革命性的發(fā)展。二、超導(dǎo)材料是超導(dǎo)行業(yè)的核心超導(dǎo)材料是超導(dǎo)行業(yè)的核心。超導(dǎo)材料具有在較高磁場下有較大臨界電流密度、高的臨界磁場以及磁損耗較小等特性。目前，技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、商業(yè)化程度最高的超導(dǎo)材料是BSCCO高溫超導(dǎo)材料，各國研發(fā)和生產(chǎn)重點超導(dǎo)材料是YBCO高溫超導(dǎo)材料，YBCO第二代超導(dǎo)材料是未來超導(dǎo)材料發(fā)展的方向。而國內(nèi)超導(dǎo)材料主要是依賴于美國和日本進(jìn)口，價格昂貴，占應(yīng)用產(chǎn)品的50%左右成本。超導(dǎo)行業(yè)發(fā)展必將產(chǎn)生對超導(dǎo)材料大量的需求，因此，超導(dǎo)行業(yè)要發(fā)展壯大，超導(dǎo)材料必須國產(chǎn)化。1、超導(dǎo)材料分類超導(dǎo)材料根據(jù)組成和轉(zhuǎn)變溫度的不同可分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料。低溫超導(dǎo)材料主要有NbTi和Nb3Sn材料；高溫超導(dǎo)材料主要有Bi-Sr-Ca-Cu-O（BSCCO）和Y-Ba-Cu-O（YBCO）材料。2、低溫超導(dǎo)材料低溫超導(dǎo)材料主要有兩類：一類是Nb46.5%Ti（其中46.5是質(zhì)量含量）超導(dǎo)體，另一類是Nb3Sn超導(dǎo)體。在所有超導(dǎo)材料中，NbTi和Nb3Sn超導(dǎo)體的臨界場(Hc2)和臨界溫度(Tc)是較低的。NbTi超導(dǎo)體的臨界磁場為12T，而Nb3Sn超導(dǎo)體臨界磁場達(dá)到27T。與其他眾多高溫超導(dǎo)材料相比，NbTi和Nb3Sn超導(dǎo)體的臨界溫度很低，約為9K-18K，一般在4K液氦條件下運行，由于液氦目前200元/升，故材料維護(hù)使用成本非常高。（1）NbTi低溫超導(dǎo)材料NbTi超導(dǎo)體的制備方法分為兩類：傳統(tǒng)工藝和人工釘扎中心工藝。與傳統(tǒng)工藝相比，人工釘扎中心工藝有以下幾點不同：（1）擠壓次數(shù)：傳統(tǒng)工藝要進(jìn)行1-2次擠壓，人工釘扎中心工藝要進(jìn)行3-4次擠壓；（2）時效熱處理過程：傳統(tǒng)工藝在時效熱處理過程中從NbTi基體中析出α-Ti，并在隨后的減徑過程中形成芯絲，其芯徑達(dá)到約5um，并且使時效過程中析出的α-Ti的形貌變?yōu)闂l帶狀，厚度達(dá)到1~4nm、間距為5~10nm，而人工釘扎中心工藝不需要此過程。在相同的臨界溫度和臨界磁場下(4.2K，5T)，傳統(tǒng)工藝和人工釘扎中心工藝合成的NbTi超導(dǎo)線材的臨界電流密度分別為3500和5300A/mm2。可見僅臨界電流密度而言，傳統(tǒng)工藝合成NbTi超導(dǎo)線材性能不及人工釘扎中心工藝，但是在NbTi超導(dǎo)線材的商業(yè)化生產(chǎn)中仍然使用傳統(tǒng)工藝，原因是傳統(tǒng)工藝合成NbTi超導(dǎo)線材雖然其臨界電流密度較低，卻擁有簡單而穩(wěn)定的操作工藝，并且擠壓次數(shù)少，復(fù)合體中Cu和Nb46.5%Ti合金成分均勻，塑性優(yōu)良，所加工的線材斷芯率低，不會由于加工過程中斷線和斷芯而使生產(chǎn)的成品率下降。（2）Nb3Sn低溫超導(dǎo)材料Nb3Sn超導(dǎo)線材的制備方法，主要的區(qū)別在于Sn的來源不同。根據(jù)Sn的不同來源主要分：青銅法、內(nèi)錫法、MJR法、粉末裝管法。青銅法發(fā)展至今已有20多年的歷史。由于其制備方法簡單，易于重復(fù)生產(chǎn)，可靠性較高，成本相對較低，近年來市場上大規(guī)模應(yīng)用于磁體制備的Nb3Sn超導(dǎo)線材仍然是由青銅法制備。錫青銅中Sn固溶度較低(13.5wt%)，造成最終的Nb3Sn超導(dǎo)線材中Sn含量較低，影響了其超導(dǎo)性能。而且，錫青銅的加工硬化較快，在加工過程中需要多次退火，如不很好地控制退火溫度，有可能在加工期間形成Nb3Sn。內(nèi)錫法克服了青銅法中Sn含量不足的缺點，提高了臨界電流密度，也不需要中間退火，但在最終熱處理過程中，由于芯絲搭接使磁滯損耗升高。MJR法是由美國TeledyneWahChang公司提出的一種內(nèi)錫法的改進(jìn)，它雖然提高了非銅區(qū)的Nb含量，但也同樣會遇到芯絲搭接的問題。粉末裝管法可以提供足夠的Sn源，由于內(nèi)部粉末反應(yīng)沒有強(qiáng)度或強(qiáng)度很小，使材料的預(yù)壓應(yīng)力較其他方法小得多，此方法避免了芯絲的搭接，同時使熱處理時間縮短到50h。但該工藝成本較高，且制備復(fù)雜，不適于大規(guī)模應(yīng)用。低溫超導(dǎo)材料不僅具有高的臨界電流密度，而且還有較好的可塑性。前者可以保證材料非常低的磁滯損耗，后者能保持材料很好的可加工性。但由于材料必須在4K溫度下運行，必須在液氦條件中維護(hù)使用，費用較高，因此低溫超導(dǎo)材料最大的商業(yè)應(yīng)用仍只在核磁（NMR）和量子干涉儀等磁體領(lǐng)域，這塊領(lǐng)域僅局限于科研，大大局限了低溫超導(dǎo)材料商業(yè)化應(yīng)用。3、高溫超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)材料研究新時代開啟。從1986年12月15日，美國休斯敦大學(xué)朱經(jīng)武教授等人，在一定壓力下La-Ba-Cu-O系統(tǒng)在40.5K時發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，開創(chuàng)了高溫超導(dǎo)研究的新時代。隨著20多年的進(jìn)步，臨界溫度的最高紀(jì)錄不斷被刷新，HgBCCO超導(dǎo)材料的135K是目前已知最高的臨界溫度。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)材料有如下幾類：釔系(92K)、鉍系(110K)、鉈系(125K)、汞系(135K)和2001年1月發(fā)現(xiàn)的新型超導(dǎo)體二硼化鎂(39K)以及2008年發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體。其中最有實用價值的是鉍系（BSCCO第一代超導(dǎo)材料）和釔系(YBCO第二代超導(dǎo)材料)。氧化物高溫超導(dǎo)材料是以銅氧化物為組分的具有鈣鈦礦層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜物質(zhì)，在常態(tài)下它們都是不良導(dǎo)體。同低溫超導(dǎo)材料相比，高溫超導(dǎo)材料具有明顯的各向異性，在垂直和平行于銅氧結(jié)構(gòu)層方向上的物理性質(zhì)差別很大。高溫超導(dǎo)材料比低溫超導(dǎo)材料具有更高的臨界磁場和臨界溫度，因此是更接近于實用的超導(dǎo)材料。（1）第一代鉍系高溫超導(dǎo)材料第一代高溫超導(dǎo)材料是指用粉末管法生產(chǎn)的Bi系帶材，其工藝流程如下：將適當(dāng)配比的前區(qū)粉填充到金屬套管內(nèi)，拉拔至一定尺寸之后截成多股芯線，再次裝入銀套管內(nèi)拉拔至直徑為1~2mm，然后軋制成寬3~5mm，厚0.20~0.30mm的帶材，再進(jìn)行熱處理或多次反復(fù)的形變處理，使晶粒沿a-b面擇優(yōu)取向，形成所謂的形變結(jié)構(gòu)，得到最終成品帶材，典型的工藝流程如圖4所示。Bi-Sr-Ca-Cu-O(BSCCO)屬超導(dǎo)體晶粒的層狀化結(jié)構(gòu)，人們能夠利用機(jī)械變形和熱處理獲得具有較好晶體取向的Bi系線帶材。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，利用粉末管法已經(jīng)開發(fā)出長度為千米級的鉍系多芯超導(dǎo)線材。美國、日本、德國、中國等國已具備生產(chǎn)幾百米到上千米的批量能力?？梢哉f，鉍系高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流密度、臨界磁場和長度已經(jīng)基本上達(dá)到了電力應(yīng)用的要求，而其昂貴的價格（理論極限價格在50美元/千安米，銅目前價格是5美元/千安米以下）限制了材料在超導(dǎo)儲能、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器和超導(dǎo)限流器等方面的應(yīng)用。（2）第二代釔系高溫超導(dǎo)材料由于第一代鉍系超導(dǎo)材料的高成本以及它在一定磁場下臨界電流急劇衰減等問題，使得基于它的超導(dǎo)技術(shù)在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用前景變得渺茫。超導(dǎo)領(lǐng)域不得不將研究重點轉(zhuǎn)移到開發(fā)基于釔系的第二代高溫超導(dǎo)材料YBCO上來。與一代材料相比，YBCO具有如下特性：（1）優(yōu)異的磁場性能，是真正的液氮溫區(qū)下強(qiáng)電應(yīng)用的超導(dǎo)材料；（2）各向異性比較弱，在較高磁場下有較大臨界電流密度；（3）由于晶粒間結(jié)合較弱，難以采用裝管法制備。采用沉積、噴涂等鍍膜方法制備釔系超導(dǎo)材料是當(dāng)前高溫超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用材料研究的重點。近年來，采用IBAD/PLD(離子束輔助淀積/脈沖激光沉積系統(tǒng))和RABiTS/PLD(MOCVD或MOD化學(xué)氣相沉積)復(fù)合技術(shù)制備涂層帶材已取得重大進(jìn)展。日本ISTEC公司已制備出長212m，臨界電流達(dá)245A的第二代YBCO超導(dǎo)帶材。美國、德國等也已制備出百米量級的YBCO帶材。（3）高溫超導(dǎo)材料對比與第一代超導(dǎo)材料相比,第二代超導(dǎo)材料優(yōu)點包括:高的轉(zhuǎn)變溫度,高的臨界電流和臨界磁場以及較低的理論價格。第一代鉍系單根帶材在77K液氮溫度自然磁場條件下，最高臨界電流達(dá)到了170A，批量化生產(chǎn)的帶材也已經(jīng)達(dá)到了120A。但是由于鉍系帶材的各向異性，在77K下，其不可逆場只有0.2T，而且其臨界電流也很容易受磁場的影響，再者鉍系材料的理論價格由于合成原材料鋁占比較高很難再降低，限制了鉍系材料的應(yīng)用和商業(yè)化。第二代YBCO高溫超導(dǎo)材料由于釔系帶材也有各向異性，在液氮77K溫度下，具有相對高的不可逆場7T。同時，該類材料具備105-107A載流能力和低的交流損耗特性，并且具有高磁懸浮力和高捕獲磁通性能。目前，YBCO材料可大批量制備尺寸在直徑20-30毫米左右，但制備大尺寸YBCO材料仍有一定的困難。4、超導(dǎo)材料商業(yè)化市場從上世紀(jì)九十年代中后期以來，美國超導(dǎo)公司、日本住友電氣公司和北京英鈉超導(dǎo)技術(shù)公司已能進(jìn)行一定批量BSCCO生產(chǎn)。全球一代超導(dǎo)材料生產(chǎn)廠商目前主要沿著改善性能，降低成本的目標(biāo)前進(jìn)。1987年成立的美國超導(dǎo)公司是當(dāng)前全球最大的超導(dǎo)材料供應(yīng)商，已能按需求提供多種規(guī)格的導(dǎo)線，諸如高電流密度線、高強(qiáng)度線、高密封線、高承壓線和低熱導(dǎo)導(dǎo)線等，年生產(chǎn)BSCCO的能力達(dá)1400公里。隨著研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，經(jīng)濟(jì)性能也在不斷改善。例如，1998年BSCCO超導(dǎo)材料售價約每千安米1000美元，2000年降至300~400美元，2011年降至100美元，但離理論價格每千安米50美元的價格相差甚遠(yuǎn)，這也使產(chǎn)業(yè)界產(chǎn)生了能否大規(guī)模應(yīng)用的疑慮。我國英納超導(dǎo)公司具備了年產(chǎn)200公里BSCCO的生產(chǎn)能力。雖然各廠家有著迅速擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的可能，但鉍系超導(dǎo)材料的發(fā)展主要還是沿著改進(jìn)性能，降低價格的方向前進(jìn)。與一代超導(dǎo)材料相比，第二代超導(dǎo)材料具有較低的理論價格。在實用高溫超導(dǎo)材料方面，美、中、歐和日等國主要科技力量已集中于第二代超導(dǎo)材料YBCO。例如，美國超導(dǎo)公司材料方面的工作已集中于YBCO第二代導(dǎo)體，2006年3月達(dá)到年產(chǎn)10公里產(chǎn)能，材料寬4厘米，長100米；2007年末達(dá)到年產(chǎn)300公里的產(chǎn)能，材料寬4厘米，長1公里；2009年末達(dá)到寬10厘米，長1公里，年產(chǎn)數(shù)千公里的能力。YBCO超導(dǎo)材料售價也從開始每千安米1200美元，2009年降至400美元，目前價格為每千安米300美元，其理論價格最低為每千安米15美元。當(dāng)?shù)诙瑢?dǎo)材料真正實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，超導(dǎo)應(yīng)用產(chǎn)品特別是強(qiáng)電方面應(yīng)用的新時代即將到來。三、重點公司超導(dǎo)行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈由三部分組成：上游礦資源，如釔、鋇、鉍、鍶等金屬；中游是超導(dǎo)材料如YBCO和BSCCO等；下游是超導(dǎo)應(yīng)用產(chǎn)品，如超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)濾波器、超導(dǎo)儲能、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)變壓器等。我們看好超導(dǎo)材料主要為四點邏輯：（1）巨大的市場容量。超導(dǎo)市場潛在規(guī)模2000億，而超導(dǎo)材料占比30-40%，由此，預(yù)計超導(dǎo)材料潛在市場規(guī)模800億左右。（2）超導(dǎo)材料是超導(dǎo)行業(yè)的核心。從整個產(chǎn)業(yè)鏈價值分析來講，超導(dǎo)材料占超導(dǎo)設(shè)備40-50%的成本。從盈利能力來講，超導(dǎo)材料盈利能力最強(qiáng)，毛利率約50%左右。（3）超導(dǎo)材料有望國產(chǎn)化。目前國內(nèi)超導(dǎo)材料主要是依賴于美國和日本進(jìn)口，價格昂貴，占超導(dǎo)應(yīng)用產(chǎn)品的50%左右成本。超導(dǎo)行業(yè)發(fā)展必將引發(fā)對超導(dǎo)材料大量的需求，因此，超導(dǎo)行業(yè)要發(fā)展壯大，超導(dǎo)材料必須要實現(xiàn)國產(chǎn)化。（4）YBCO是超導(dǎo)材料的未來發(fā)展方向。目前，技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、商業(yè)化程度最高的超導(dǎo)材料是BSCCO高溫超導(dǎo)材料。由于第二代超導(dǎo)材料具有較強(qiáng)的載流能力、抗磁場衰竭能力以及較低的理論價格，各國紛紛將研發(fā)和生產(chǎn)重點放在YBCO高溫超導(dǎo)材料上，YBCO將是未來超導(dǎo)材料發(fā)展的主要方向。我們認(rèn)為，隨著超導(dǎo)行業(yè)整個板塊的啟動，涉及超導(dǎo)材料領(lǐng)域符合以上邏輯的相關(guān)上市公司在未來競爭過程中將真正受益，結(jié)合目前的估值以及未來發(fā)展空間，上市公司中我們推薦正在研發(fā)第二代超導(dǎo)材料的永鼎股份（600105），建議關(guān)注漢纜股份（002498）。超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈中研發(fā)和生產(chǎn)超導(dǎo)材料的國內(nèi)主要上市公司：1、永鼎股份：未來超導(dǎo)材料龍頭公司戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型意圖明確，專注于超導(dǎo)和線纜業(yè)務(wù)，剝離公路資產(chǎn)，外包醫(yī)院和海外總包業(yè)務(wù)；我們預(yù)計公司將和國外某超導(dǎo)團(tuán)隊、中國科學(xué)院電工研究所合作研發(fā)生產(chǎn)第二代超導(dǎo)材料，未來將實現(xiàn)YBCO超導(dǎo)材料產(chǎn)能2400km。第二代超導(dǎo)材料具有比一代超導(dǎo)材料理論上更優(yōu)的性能、更低的成本以及更