有色金属行业：金属新材料系列之六：钇钡铜氧高温超导的应用.pdf

识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 1 / 17 Table_C ontacter 本报告联系人： Table_Page 行业专题研究 |有色金属 2019 年 11 月 3 日 证券研究报告 Table_Title 有色金属行业 金属新材料系列之六：钇钡铜氧高温超导 的应用 Table_Author 分析师： 巨国贤 分析师： 黄礼恒 SAC 执证号： S0260512050006 SFC CE.no: BNW287 SAC 执证号： S0260519080005 0755-82535901 0755-88286912 juguoxiangf huanglihenggf 请注意，黄礼恒并非香港证券及期货事务监察委员会的注册持牌人，不可在香港从事受监管活动。 Table_Summary 核心观点 ： 超导材料：百年积淀新材料 超导材料是一种在一定低温条件下，能排斥磁力线且呈现出电阻为零的特性的新型节能材料。超导材料是 1911年荷兰物理学家昂内斯首先发现的，经过百年的发展，目前以铌钛（ NbTi）和铌锡（ Nb3Sn）为主的低温超导材料已实现商业化生产 。但由于低温超导材料临界转变温度低， 成本 高，其工程应用受到限制。 而 高温超导可以在更高的工作温区下工作，能降低其制冷成本， 应用更为广泛 。目前 一代 BSCCO 高温超导 已实现商业化生产， 二代 YBCO高温超导 处于商业化前期 ，但联创光电 MW 级超导感应加热装置 已研发成功， 有望短期内 实现商业化生产 。 钇钡铜氧（ YBCO）高温超导 更具优势 第一代高温超导以 Bi 系材料为代表，有着相对容易制备的特点，但和 二代 YBCO 高温超导相比， Bi 系在强磁场条件和液氮温区（ 77K）下的应用 受限， YBCO 具有 高载流能力 ， 使用范围更加广泛。同时， YBCO 结构相对简单， 更容易 大批量生产。因此 在所有的高温超导材料中， YBCO 二代高温超导材料的优势日益凸显，商业价值 更大 。 YBCO 高温超导感应加热技术趋近商业化 超导感应加热挤压设备是一种颠覆性的铝 /金属挤压技术，是通过超导材料制成的电磁体实现对铝或其他金属进行直流感应加热的设备。 与现有交流感应加热技术相比 具有 高效、节能省电 及 透热深且均匀 等优势， MW 级超导感应加热装置与传统工频感应炉相比，可使铝锭的加热成本从约 260 元 /吨降低至约 130 元 /吨 （联创光电公告）。 目前国内掌握该设备研制技术的公司主要有联创光电和上海超导 。 2019 年 7 月， 联创光电和北京交通大学等单位历时六年研发成功了 MW 级 YBCO 超导感应加热技术及装置， 短期内有望 实现商业化生产。 相关公司：联创光电 联创光电 成立于 1999 年， 2001 年上市， 现已发展成为集 LED、线缆、智能控制模块三大支柱产业和军工产业于一体的光电子骨干企业 。 据公司 2019 年 7 月 2 日公告，由公司组织研制的 MW 级超导 感应加热装置和该装置用的大口径高温超导磁体研发成功，打破了国外对 二代高温超导带材的产品垄断，促进了我国高温超导电工装备及其产业化发展 ， 也成功带动国产化高场用 YBCO 超导带材发展， 2019 年产值已超过 5000 万元，并实现出口外销 。 风险提示 高温超导感应加热技术级设备商业化进度低预期；技术不成熟等问题导致实际应用中资本投入过高、成本过高等。 相关研究 ： 有色金属行业 :金属新材料系列之五： 5G 时代的 GaAs 衬底机会 2019-09-05 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 2 / 17 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 Table_impcom 重点公司估值和财务分析表 股票简称 股票代码 货币 最新 最近 评级 合理价值 EPS(元 ) PE(x) EV/EBITDA(x) ROE(%) 收盘价 报告日期 （元 /股） 2019E 2020E 2019E 2020E 2019E 2020E 2019E 2020E 西部超导 688122.SH CNY 31.00 2019/7/7 - - 0.37 0.46 83.78 67.39 48.62 37.23 5.60 6.60 数据来源： Wind、广发证券发展研究中心 备注 ：表中估值指标按照最新收盘价计算 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 3 / 17 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 目录索引 超导材料： 百年积淀新材料 . 5 超导 材料主要分为低温超导和高温超导 . 5 超导材料依据不同的特性有不同的应用 . 6 超导产业材料是基础，技术是核心 . 6 超导材料市场规模庞大 . 7 高温超导：钇钡铜氧（ YBCO）高温超导为主 . 8 YBCO 是二代高温超导 . 8 YBCO 带材是主要应用形式 . 9 商业应用： YBCO 高温超导感应加热技术即将商业化 . 10 高温超导感应加热原理 . 11 高温超导感应加热优势 . 11 高温超导感应加热设备 . 12 高温超导感应加热装置经济效益 . 13 相关公司：联创光电 . 14 风险提示 . 15 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 4 / 17 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 图表索引 图 1：超导材料发展史 . 5 图 2：超导材料的零电阻现象 . 6 图 3：超导材料的完全抗磁性 . 6 图 4：超导材料产业链 . 7 图 5：超导体临界温度研究进展 . 8 图 6：二代高温超导 YBCO 带材结构示意图 . 9 图 7： 高温超导感应加热原理图 . 11 图 8：可均匀加热铝棒的 3D 超导线圈结构图 . 11 图 9：高温超导感应加热设备 . 13 表 1：全球高温超导主要生产企业 . 10 表 2： 超导感应加热与传统交流感应加热的性能对比分析 . 11 表 3： 铝挤压机分类及加热装置功率计算 . 13 表 4：不同功率大小的超导感应加热装置的成本预算 . 14 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 5 / 17 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 超导材料 ： 百年积淀新材料 超导 材料主要分为低温超导和高温超导 超导材料是一种在一定低温条件下 ， 能排斥磁力线且呈现出电阻为零的特性的新型节能材料 。 目前，已发现有 46种元素和几千种合金和化合物可以成为超导材料 。 超导材料是 1911年荷兰物理学家昂内斯首先发现的，因其具有零电阻、完全抗磁和通量量子化等优异特性，从被发现之日起就获得了广泛的关注和研究。经过百年的发展，目前以铌钛（ NbTi）和铌锡（ Nb3Sn）为主的低温超导材料已实现商业化生产，其应用规模已占到超导材料市场的 90%左右。但由于低温超导材料临界转变温度低，必须在液氦温区下才能实现超导特性，而液氦制冷的成本又非常高，所以其工程应用受到限制。高温超 导材料因为可以在更高的工作温区（如液氢温区、液氮温区）下工作，能降低其制冷成本，受到美、日、德等主要发达国家的高度重视。目前具有实用价值的高温超导材料有以下几种：已实现商业化生产的铋系（ Bi2223、 Bi2212）和二硼化镁（ MgB2），处于商业化前期的钇钡铜氧（ YBCO）涂层导体，以及处于实验室阶段的 2008年刚发现的铁基超导材料。 图 1： 超导材料发展史 数据来源： 新材料在线， 广发证券发展研究中心 超导材料根据组成和转变温度的不同可分为低温超导材料和高温超导材料。 一般认为， Tc25K的超导材料称为低温超导材料，目前已实现商业化的包括 NbTi （ Tc=9.5K）和 Nb3Sn（ Tc=18k） ； Tc 25K的超导材料称为高温超导材料，有实用价值的 高温 超导材料主要有：第一代铋系 BSCCO高温超导材料，已得到 商业化 应用；第二代钇系 YBCO高温超导材料、硼化镁 (MgB2)、铁基超导材料 (FeSe)。 目前，基于低温超导材料的应用装置一般工作在液氦温度（ 4.2K及以下），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）之间。探索出更高临界温度乃至室温的超导体是超导技术的主攻方向。 目前各国研究人员研发和生产的重点是 YBCO超导材料，并认为其是未来超导材料发展的主要方向 。 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 6 / 17 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 超导 材料 依据 不同 的 特性 有不同的应用 1）零电阻： 这是超导材料最基本的性质，即当温度降至临界温度 Tc以下时，其电阻变为零 ， 能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去 。 利用 该特性 可制作磁体、电力电缆、通信电缆和天线，其性能优于常规材料。 2）完全抗磁性：将超导体置于外磁场中时，超导体会表现出完全抗磁性，即把原来处于体内的磁场排挤出去，其内部的磁感应强度为零，人们将此种现象称为“迈斯纳效应”。利用超导材料的完全抗磁性，可以制造超导磁悬浮列车。 3） 量子隧穿效应 ： 1962年，剑桥大学的约瑟夫森预言，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，随后安德森和罗厄 耳等人从实验上证实了约瑟夫森的预言，这一现象被称为“约瑟夫森效应”。超导材料的量子隧穿效应可用于弱电磁信号的检测，超导量子干涉仪（ SQUID）是目前人类所掌握的能测量弱磁场的手段中最灵敏的仪器，可以探测强度为地磁场十亿分之一到百亿分之一的磁信号。 还可用于制作 微波发生器、逻辑元件等。 4） 同位素效应：超导体的临界温度 Tc与其同位素质量 M有关， M越大， Tc越低。通常可以用同位素效应来鉴别材料的超导电性。 图 2： 超导材料的 零电阻现象 图 3： 超导 材料的完全抗磁性 数据来源： 西部超导招股书、 广发证券发展研究中心 数据来源： 维基百科 、 广发证券发展研究中心 超导 产业 材料是基础 ， 技术是核心 超导材料 产业链 上游行业主要是 Nb、 Ti、 Sn、 Y、 Ba、 Cu等 金属矿产资源 ， 稀有金属为主， 消耗量并不大， 但却是产业发展的基础，使用不同的金属对超导体的性能影响较大。中游行业主要为 NbTi、 Nb3Sn超导线材、 BSCCO和 YBCO超导带材识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 7 / 17 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 等， 该环节的发展决定了超导材料的商业化应用领域和进程，核心关注技术的进步和成本的下降 。 下游应用领域根据超导材料不同的性能用途较为广泛， 可应用于 国防军事、电子通信、医疗设备、电力能源、交通运输、机械工程等领域 ，如超导电缆、超导限流器、超导储能、超导发电机等 。 根据今日科技杂质中刊登的 科技舆情分析研究所 文章超导体： 2020年潜在市场规模达 1万亿元， 上游我国有较为明显的优势，不论是第一代超导材料还是第二代超导材料，都需要使用中国具有优势资源的稀有小金属为主要原材料。特别是第二代 YBCO中的稀土钇是中国具有战略性资源的重稀土主要成份。中游的超导材料是超导产业链中毛利率最高的环节，毛利率水平达到 50%以上 ； 目前国内超导材料主要是依赖于美国和日本进口，价格昂贵，占超导应用产品 50%左右的成本。从整个产业链价值看，超导材料占超导设备 40%-50%的成本。 我国在超导材料及其应用领域总体上处于国际先进行列，基本掌握了各种实用化超导材料的制备技术，在多个应用方面也取得了良好的发展。 图 4： 超导材料产业链 数据来源：广发证券发展研究中心 超导材料市场规模庞大 根据今日科技杂质中刊登的科技舆情分析研究所文章超导体： 2020年潜在市场规模达 1万亿元， 国际超导产业研究中心预测 ， 到 2020年，超导产业将会形成总量为 1500-2000亿美元的巨大国际市场。美国应用超导会议预测，预计到2020年 ,全世界超导电缆应用的总市场将达到 2440亿美元 ， 约占全球电缆市场的 5%。Market Research 最新发布的研究报告显示，预计到 2022年，全球超导技术市场规模将增至 58亿美元，期间年复合增率高达 12.8%。随着技术的不断改进，高温超导需求将不断增加，尤其是在电力领域。从应用领域来说，磁共 振成像将成为消费者钛 、 铌 、锡矿 铋、锶矿 钇、 钡 矿 硼、 镁 矿 其他 RE 矿 NbTi、 Nb3Sn超导线材 BSCCO 带材 YBCO 带材 MgB2线材 铁基超导体 MRI、 MCZ等超导 磁体 超导电缆 超导储能 超导发电机 超导限流器 其他应用 上游 中游 下游 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 8 / 17 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 应用需求最多的一个领域 。从区域市场来看，随着工业发展步伐加快，亚太地区将成为最大的超导技术需求市场，尤其是中国、日本和印度这 3个国家。 高温超导 ： 钇钡铜氧 （ YBCO） 高温超导为主 YBCO 是二代高温超导 在新型超导材料方面 ， 人们一直希望能够获得低成本和高临界转变温度的材料。在 20世纪的上半叶，科学家们在 Pb、 Nb、 NbC、 NbN、 Nb3Sn和 Nb-Al-Ge等各种元素、上千种合金材料和化合物中发现了超导特性，到了 20世纪 60年代后期，超导温度已经从 Hg的 4K上升到 20K。 到了 20世纪 80年代，超导材料飞跃式发展。首先是 1986年 4月，贝德罗兹（ J. G. Bednorz）和缪勒（ K.A. Muller）在 La-Ba-Cu-O系氧化物超导体中验证了其临界温度达到了 35K， 比之前的超导温度上升了 10K多，这项工作在 1998年被 评为诺贝尔奖。此后， La-Ba-Cu-O 体系被大力发展。一年后的 12月，朱经武等公开说明他们发现了一种新的可工作在液氮温区内的超导材料，其临界温度超过了 90K， 至此，超导物理迈进了高温超导的时代。 1987年，来自中国科学院北京物理所的赵忠贤等公布了 Y-Ba-Cu-O（ YBCO）超导体系，它拥有 92.8K的中点转变温度而且当温度降低到 78.5K时，该超导体中出现电阻为零的现象 。 YBCO超导体化学式为 YBa2Cu3O7， 具有层状结构，堆叠Y-BaO-CuO2-CuO-CuO2-BaO。此后的数十年间，超导物理的主要工作就变成了在此结构下的元素替换。特别是稀土元素 Re（ Re=La、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Ho、 Er和 Lu）的替换。一系列的 ReBa2Cu3O7- 超导体在 80、 90年代被制备出来。此后，一些复合材料的超导特性也被人发现，包括 Bi-Sr-Ca-Cu-O， Tl-Ba-Ca-Cu-O和Tl-Pb-Sr-Ca-Cu-O，他们的超导温度都超过了 100K。 图 5： 超导体临界温度研究进展 数据来源： CNKI， 广发证券发展研究中心 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 9 / 17 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 第一代高温超导材料以 Bi系材料 为代表 ， 有着相对容易制备的特点， 但 和 YBCO高温超导材料 相比 ， Bi系不可逆场小了至少一个量级，导致了其在强磁场条件和液氮温区（ 77K）下的应用被局限。 YBCO的高载流能力在液氮温区和高磁场条件下都非常 突出，这使得 YBCO被称为使用范围更加广泛的第二代高温超导材料。同时，YBCO因其结构相对简单的特点，可通过各种制备手段大批量生产 。 因此，在所有的高温超导材料中， YBCO第二代高温超导材料的优势日益凸显 ， 奠定了 YBCO薄膜在通信、电子、雷达等领域的广泛应用基础，挖掘了其巨大的商业价 值。 YBCO 带材是主要应用形式 高温超导材料有着不同于半导体材料的特殊性质，使其在包括强电领域、弱电领域等不同的领域内应用前景都非常的普遍。强电领域方面，高温超导在电力工程方面的应用发展无与伦比，包括在电能输送、输电线路和微弱信号检测方面的都取得了成功，而在通信设备的应用、磁流体的发展方面，特别是对超导磁悬浮列车的研究发展与应用，彻底改变了现有的人类生活，并对未来电子、通信、交通、电力等方面进行了革命性的创新。弱电领域方面，超导量子干涉器、微波器件、数字电路等的研制成功，使其成功应用于军事、矿业、灾害 预警等方面 。 高温超导材料使用形式多样，而带材是其最主要的使用形式 。 YBCO高温超导带材的结构通常由基带层、织构化隔离层、 YBCO涂层、保护层等组成。 YBCO第二代带材的性能优于第一代带材 BSCCO，交流损耗也低。另外 YBCO带材的原材料中不包含贵金属银，随着制备工艺逐渐成熟，具有潜在的成本竞争力。 YBCO高温超导带材不仅在电力电缆、强磁场磁体、电力限流器、超导变压器、超导电机、超导储能、等强电应用中得到了充分的使用，也应用于科研医疗等不同的场合。并且在有色金属加热领域，基于感应加热工作原理，利用超导磁体损耗低、效率高、加热均匀等特点 对金属 进行 高温超导直流感应加热 。 图 6： 二代高温超导 YBCO带材结构 示意图 数据来源： CNKI， 广发证券发展研究中心 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 10 / 17 Table_PageText 行业专题研究 |有色金属 表 1： 全球高温超导主要生产企业 公司 国家 高温超导 材料 主要产品 主要应用 美国超导 （ AMSC） 美国 钇钡铜氧（ YBCO） 绝缘栅双极晶体管、散热器、电感器、变压器和印刷电路板 输电网，配电网，城市电网基础建设，海军军舰上的安全系统、船载电力输送系统、电力发动、以及推进系统 Superpower （古河道子公司） 美国 稀土氧化铜钡（ REBCO） 超导储能系统、 HTS 马达和发电机、HTS 传输电缆、 HTS 变压器、故障电流限制器、以及高磁场磁体 储能、工业、航空、交通、军用 SuNAM 韩国 钆钡铜氧（ GdBCO） 高温超导体导线、涂层超导体 电力供应、低温制冷机、超导磁铁系统 d-nano 荷兰 钇钡铜氧（ YBCO） 超导电缆，总线连接，故障电流限制器，马达和发电机。 能源传输 Fujikura 日本 钇钡铜氧（ YBCO） 超导电缆、转变器、超导体、储能系统、工业发电马达、故障电流限制器 风力发电、船用电动机、工业、储能 Bruker 美国 钇钡铜氧（ YBCO） 马达、发电机、电缆和变压器 电网侧、能源传输、 THEVA 德国 钆钡铜氧（ GdBCO） 高温超导体导线、超导带、超导线圈 工业、能源传输、风力发电 数据来源： 各公司官网， 广发证券发展研究中心 商业应用 ： YBCO 高温 超导感应加热技术 趋近 商业化 高品质工业铝型材产品正成为实现大飞机、汽车、轨道交通列车、航天、军工、船舶等工业先进装备技术升级和国产化目标的关键基础材料。 随着 汽车、航空、军工等高端应用领域对所使用的几何结构铝型材 、 钛型材等 机械性能和表面质量要求也越来越高， 传统 的 交流感应加热和燃气加热 的 精密加工能力受限，除了挤压模具精度不足外，型材挤压前加热工序中铝锭加热的幅向均匀性和轴向梯度分布要求 也不能满足要求。目前，我国很多高端铝型材依然要依靠进口。而超导直流感应加热技术对提高挤压型材产品的机械性能和表面光洁度方面有着很大的帮助，是企业产品升级换代的有效技术路径。 另外，从节能降耗方面来看，高温超导直流感应加热技术的意义更大。 根据 前沿 杂质刊登的 高温超导感应加热技术及应用浅谈 ， 国内 铝型材企业年耗电费超过 6亿元人民币，加热工序所占的能耗占全厂能耗的 60%以上。一台 1MW的加热炉如果采用超导直流感应技术年节电可达 200万 kwh，直接减少电费开支 100万元人民币 ， 同时相当于节约 0.8万 t标煤，减少二氧化碳排放 2万 t， 减少氮氧化物排放 300t。