超導(dǎo)材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用

1、超導(dǎo)材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用導(dǎo)電材料由于電阻的存在，在輸電過程中會不斷消耗電能，尤其是遠(yuǎn)距離電能傳輸，造成極大的能源浪費，這個問題一直困擾著各國學(xué)者。找到一種材料電阻很小甚至沒有電阻代替現(xiàn)有的導(dǎo)電材料以減少輸電損耗一直是各國科學(xué)家們夢寐以求的愿望。通常來說，導(dǎo)體的電阻隨溫度的降低而降低，所以人們致力于尋找一個低溫環(huán)境，獲得小電阻的導(dǎo)體。1908年萊頓實驗室成功制得液氨，獲得4.25K的低溫，這一技術(shù)促進(jìn)了超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。在此之后的3年，荷蘭物理學(xué)家昂納斯發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度降到4.2K時，汞的電阻突然消失，這就意味看電流流經(jīng)導(dǎo)體時沒有熱損耗，這一發(fā)現(xiàn)震動全世界，掀起了超導(dǎo)研究的一股熱潮，昂納斯也因此獲得19

2、13年諾貝爾獎，并將在一定溫度條件下電阻突然消失的現(xiàn)象稱之為"超導(dǎo)"，處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為"超導(dǎo)體"，具有這T生質(zhì)的材料稱為超導(dǎo)材料。一、超導(dǎo)材料的發(fā)展自昂納斯發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)特性之后，越來越多的超導(dǎo)材料進(jìn)入人們視野，人們發(fā)現(xiàn)元素周期表中的很多材料都具有超導(dǎo)性，很長一段時間內(nèi)科學(xué)家們把元素、合金、過渡金屬碳化物以及氮化物作為超導(dǎo)材料的研究對象，直到1985年金屬間化合物髭錫（Nb3Sn）的出現(xiàn)，雖然其臨界轉(zhuǎn)變溫度僅23.2K,卻拓寬了超導(dǎo)材料的研究思路。用液氨做致冷劑實現(xiàn)低溫，由于氯原子間的相互作用力和原子質(zhì)量韻艮小，很難液化，再加上氯資源缺乏等因素導(dǎo)致

3、液氨價格昂貴，但如果沒有液氨，低溫超導(dǎo)材料的研究就會受到嚴(yán)重的阻礙，進(jìn)而影響到研究工作的開展，最終導(dǎo)致超導(dǎo)材料在應(yīng)用上受限。因此，尋求新的超導(dǎo)材料以獲得較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，改變只能采用液氨做制冷劑的局面是各國科學(xué)工作者們重點關(guān)注的方向。這一設(shè)想在1986年得以實現(xiàn)，超導(dǎo)材料的研究取得了突破性進(jìn)展。1986-1987年先后發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc）值為35K的欽翎銅氧化物、90K的憶-鋼-銅-氧（YBaCuO）超導(dǎo)材料、125K的鉆系高溫超導(dǎo)體，打破了之前只有在液氨溫區(qū)工作的禁區(qū)。氮氣資源豐富，占大氣總量的78.12%（體積分?jǐn)?shù)），在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，將空氣冷卻至-195.8時成為液體，價格比液

4、氨低得多。7年后瑞士科學(xué)家希林等發(fā)現(xiàn)汞-鋼-鈣-銅-氧（HgBaCaCuO）的Tc值約為133K,Tc取得新的進(jìn)展。在尋求較高Tc的研究上，我國科學(xué)工作者作出了很大的貢獻(xiàn)，1987年之后有了高溫超導(dǎo)材料（臨界溫度在77K以上）的說法。高溫超導(dǎo)材料采用廉價的液氮（77K）作為制冷劑而取代之前價格昂貴的液氨，第一次實現(xiàn)了液氮溫區(qū)的高溫超導(dǎo)。至此，超導(dǎo)材料的研究獲得突破性進(jìn)展。高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)可以說是科學(xué)界的一次飛躍，人們終于看到了超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用希望。之后的幾年時間，高溫超導(dǎo)材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度提高到絕對溫度100K以上，發(fā)展迅速。氧化物高溫超導(dǎo)材料大多以銅氧化物為組成要素，具有鈣鈦礦層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜

5、物質(zhì)，常態(tài)下不是良導(dǎo)體,而且組成元素價格昂貴，超導(dǎo)材料脆性較大，線材的加工難度大。2001年1月二硼化鎂（MgB2）超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，金屬間化合物超導(dǎo)體再次吸引人們的眼球。與氧化物高溫超醇材料相比，MgB2超導(dǎo)體價格相對便宜，加工容易，且MgB2正常態(tài)為導(dǎo)體，因此更易實用化。特別是低溫性能比傳統(tǒng)超導(dǎo)體高得多。MgB2超導(dǎo)體的出現(xiàn)，冷落了近30年的簡單化合物超導(dǎo)體再次受到科學(xué)家們的青睞?？茖W(xué)家們相信，終有一天會找到更高臨界轉(zhuǎn)變溫度的簡單化合物超導(dǎo)體。2008年2月末，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)材料，臨界溫度約為17K0之后各國學(xué)者對鐵基超導(dǎo)材料的研究從未間斷過。我國聞海虎小組發(fā)現(xiàn)的鋸-鋼-氧-鐵-油（

6、Sr2VO3FeAs）超導(dǎo)材料其超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度約為37K。2012年，來自日本的T.Takayama研究小組發(fā)現(xiàn)了一系列新型的笆基超導(dǎo)材料，激發(fā)了一股新型超導(dǎo)材料的研究熱潮。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度越來越高，材料制備技術(shù)日漸成熟，大幅度降低成本的同時，優(yōu)化性能，超導(dǎo)材料的實用化指日可待。二、超導(dǎo)材料的特性及應(yīng)用1 .零電阻特性超導(dǎo)材料的一個重要特性是零電阻，傳輸電流密度大、損耗小，在電力傳輸中可用作電線電纜。高溫超導(dǎo)電線電纜的應(yīng)用必將給國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)帶來巨大效益。(1)超導(dǎo)電纜超導(dǎo)電纜的優(yōu)勢在于電能在輸送過程中可以最大限度地解氐損耗，僅為傳輸功率的0.5%,而常規(guī)電線電纜的損

7、耗要達(dá)到10%,能源節(jié)省一目了然。而且高溫超導(dǎo)電纜的容量比常規(guī)電纜提高35倍、損耗下降60%，節(jié)約占地面積和空間，更為可觀的是，總費用降低20%,經(jīng)濟(jì)效益明顯。超導(dǎo)電力技術(shù)是21世紀(jì)電力工業(yè)唯一的高技術(shù)，可有效解決能源短缺的問題。(2)超導(dǎo)計算機(jī)電流流經(jīng)導(dǎo)體時由于電阻的存在而導(dǎo)致電線發(fā)熱，電能發(fā)生損耗，高速運轉(zhuǎn)的計算機(jī)上使用的集成電路芯片因為元件和連接線密集排列，工作時產(chǎn)生大量的熱，熱量難以散發(fā)，導(dǎo)致溫度升高，影響計算機(jī)工作。將集成電路芯片元件間的連接線改用超導(dǎo)器件來制作，發(fā)熱現(xiàn)象得以緩解，散熱問題也就迎刃而解，同時大大提高了計算機(jī)的運算速度。(3)超導(dǎo)電機(jī)(包括發(fā)電機(jī)和電動機(jī))通常見到的各類

8、電動機(jī)，內(nèi)部都有鐵芯和繞組線圉，通電會產(chǎn)生損耗，損耗的大小與電阻和電流的平方成正比，所以傳統(tǒng)電動機(jī)都存在發(fā)熱現(xiàn)象。發(fā)熱不僅會造成能源的損耗，同時還可能引起電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)，甚至?xí)鹗Р?，而且對絕緣材料的使用溫度提高了要求，否則會引起絕緣材料的快速老化。超導(dǎo)電動機(jī)由于采用了超導(dǎo)繞組，與常規(guī)電機(jī)相比，所承載的電流更大，可以產(chǎn)生更強的磁場，其體積和質(zhì)量可以減小到常規(guī)電機(jī)的1/5左右，但功率卻成倍增長，效率很高。(4)超導(dǎo)儲能裝置超導(dǎo)儲能裝置是根據(jù)超導(dǎo)線圈存儲電磁能制造，并根據(jù)需要釋放電磁能的一種電力設(shè)施。具優(yōu)點在于其儲能線圈由超導(dǎo)材料繞制，儲存電磁能時電阻為零，線圈中所儲存的能量幾乎沒有損耗并可以

9、永久儲存下去直到需要釋放為止。一般在以下幾個方面得到應(yīng)用：調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的峰谷；解決電網(wǎng)用電設(shè)備由于瞬間斷電產(chǎn)生的影響；改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性；大型超導(dǎo)儲能系統(tǒng)將可作為陸基自由電子激光器或天基定向能武器的功率源。(5)超導(dǎo)濾波器濾波器是無線電接收裝置的關(guān)鍵器件，起看提取、分離蝴制電信號的作用。伴隨使用頻段的擴(kuò)展，設(shè)備間的干擾日趨嚴(yán)重，因此如何減少信號干擾，保證接收信號質(zhì)量是無線電接收裝置的核心所在。常規(guī)濾波器由于采用金屬電阻，總避免不了噪音的存在，產(chǎn)生一定的衰耗，達(dá)不到理想的濾波性能。隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，用高溫超導(dǎo)體做濾波器，由于超導(dǎo)態(tài)時電阻為零，極大限度地減小熱噪音，大大提高信噪比，可用于電

10、視機(jī)、收音機(jī)、手機(jī)等設(shè)備，所接收的信號更清晰，音質(zhì)更好。2010年，我國成功研制出超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度為77K的高溫超導(dǎo)濾波器，打破一直依靠進(jìn)口的局勢。目前已開始用于CDMA無線基站中，提高網(wǎng)絡(luò)信號的質(zhì)量及數(shù)輸專輸速率。2 .完全抗磁性超導(dǎo)材料除具有零電阻的特性外，還具有完全抗磁性，即當(dāng)導(dǎo)體處在超導(dǎo)狀態(tài)時，內(nèi)部的磁感應(yīng)強度為零，原來存在于體內(nèi)的磁場也被排擠出去。超導(dǎo)體的這一特性是荷蘭物理學(xué)家于1933年發(fā)現(xiàn)，后將這一現(xiàn)象定義為"邁解內(nèi)效應(yīng)"。最典型的一個應(yīng)用就是超導(dǎo)磁懸浮列車。(1)超導(dǎo)磁懸浮列車?yán)贸瑢?dǎo)元件在超導(dǎo)態(tài)時所具有的零電阻性和完全抗磁性，制成體積小功率強大的超導(dǎo)電磁鐵

11、。在懸浮列車上裝有超導(dǎo)磁體，地面導(dǎo)軌2側(cè)所安裝的線圉繞組所產(chǎn)生的電磁場就會與列車上的超導(dǎo)電磁鐵產(chǎn)生巨大的斥力從而使車體懸浮再通過周期性地變換磁極方向而獲得推進(jìn)動力。早在20世紀(jì)70年代日本就成功研制了超導(dǎo)磁浮列車，時速達(dá)500km,從此各國開始研究超導(dǎo)磁懸浮列車。1987年3月,日本進(jìn)行了超導(dǎo)磁懸浮列車的載人實驗并成功證明其可行性。與此同時我國也開始著手磁懸浮列車的研制，并與1989年春成功研制第一臺小型磁懸浮列車，6年之后,成功研制首臺載人磁懸浮列車。2015年4月，JR東海公司在山梨磁懸浮試驗線進(jìn)行了超導(dǎo)磁懸浮車的高速運行試驗，達(dá)到了載人行駛590km/h的世界最高速度，刷新了世界紀(jì)錄。(

12、2)受控?zé)岷朔磻?yīng)所謂受控?zé)岷朔磻?yīng)是指以海水中的氣為燃料利用人為的方法控制聚變反應(yīng)，釋放大量核能,并將這些能量合理利用起來，成為人類取之不盡用之不竭的能源，從而有效解決能源短缺的問題。核聚變反應(yīng)時，內(nèi)部溫度高達(dá)1億多攝氏度，用什么裝置約束這些高溫等離子體就成了一個關(guān)鍵問題，有科學(xué)家提出利用超導(dǎo)體產(chǎn)生的強磁場作為"磁封閉體"，將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來,再慢慢釋放,受控核聚變能源成為21世紀(jì)前景廣闊的新能源。(3)電磁推進(jìn)裝置將超導(dǎo)電磁裝置應(yīng)用于艦艇上也即超導(dǎo)電磁船，用超導(dǎo)材料做成線圈,并通入強電流，在船只周圍產(chǎn)生的強磁場來推動船只的行進(jìn)?？梢宰龅剿查g啟動、瞬

13、間停止、瞬間改變方向，并消除傳動噪聲，隱蔽性強，可用于海上偵查。(4)核磁共振成像隨著肥胖病人群的增加以及各種疑難雜癥的出現(xiàn)，采用先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備獲得更精準(zhǔn)的診斷，是醫(yī)療領(lǐng)域的熱切希望，超導(dǎo)材料的出現(xiàn)及應(yīng)用給醫(yī)療領(lǐng)域注入了新的血液，如用超導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場來研究生物艘內(nèi)的結(jié)構(gòu)及對各種復(fù)雜疾病進(jìn)行治療，超導(dǎo)核磁共振層析成像儀在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普及。核磁共振可以對腦、肝、腎、胰等人體多個器官進(jìn)行診斷。與其他輔助檢查手段相比，優(yōu)點明顯：成像參數(shù)多、掃描速度快、組織分辨率高和圖像清晰，對一些早期不易察覺的病變幫助明顯，目前已成為腫瘤、心臟病及腦血管疾病早期篩查的有效手段，可以更好地滿足臨床應(yīng)用和科研工作

14、。另外，核磁共振是磁場成像，沒有放射性，對人體無傷害，非常安全。目前由核磁共振檢查所導(dǎo)致的各種危害報道尚未發(fā)現(xiàn)。越來越多的醫(yī)院購置核磁共振成像儀用于檢查與治療，超導(dǎo)材料在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多。三、約瑟夫森效應(yīng)1960年挪威科學(xué)家賈埃沃在多次實驗中證實了隧道效應(yīng)的存在，1962年還是研究生的約瑟夫森預(yù)測電子對通過2塊超導(dǎo)金屬間的薄絕緣層時，只要絕緣層足夠薄，電子對就會穿過絕緣層勢壘,形成超導(dǎo)隧道電流，人們把這個現(xiàn)象稱為"約瑟夫森效應(yīng)"。1973年的諾貝爾物理學(xué)獎由約瑟夫森、賈埃沃及江崎共同獲得。超導(dǎo)電子對隧道效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為超導(dǎo)體中電子對運動提供了證據(jù)，人們更加深入地認(rèn)識了超

15、導(dǎo)現(xiàn)象的本質(zhì)。即使在零電壓下也有超導(dǎo)電流的產(chǎn)生，而且這一電流對磁場非常敏感，利用這一特性探測微弱電磁信號。如超導(dǎo)量子干涉器進(jìn)行磁場探測，可以分辨微弱的地磁場變化,靈敏度高、噪聲低、功耗小、響應(yīng)速度快。還可制造成探礦儀器，探測礦藏分布情況。隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，已成功制得高溫超導(dǎo)干涉器，使其應(yīng)用范圍更加廣泛。四、對超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的建議高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用十分廣泛，除上述應(yīng)用外還可用于制造交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)開關(guān)、磁流體發(fā)電機(jī)、微波器件、紅外單元探測器和列陣探測器等，涉及到國民經(jīng)濟(jì)、軍事技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生等各個領(lǐng)域。近年來世界各國紛紛投入巨資加緊研究與開發(fā)，不斷推動超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)生新的飛躍。L提高Tc材料不

16、同其臨界轉(zhuǎn)變溫度也不同，某些物質(zhì)臨界溫度非常低，例如汞為4.15K,不具有太大的應(yīng)用價值。而有的超導(dǎo)材料的臨界溫度比較高,達(dá)到幾十K甚至上百K,隨著臨界溫度的提高,其應(yīng)用價值也大大提高。如果能制造出臨界轉(zhuǎn)變溫度達(dá)干冰溫度(240K)和室溫(300K),有可能制備出室溫超導(dǎo)體。所以如何提高超導(dǎo)材料的臨界溫度，發(fā)展出具有常溫下工作能力的高溫超導(dǎo)材料是人們重點關(guān)注的地方。2 .超導(dǎo)轉(zhuǎn)變機(jī)理到目前為止，雖然發(fā)現(xiàn)了不同種類的超導(dǎo)材料，超導(dǎo)材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度也提高了很多，但人們依然沒有找到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的機(jī)理，希望通過不斷的摸索與探索能夠發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變機(jī)制，為超導(dǎo)材料的研發(fā)提供理論依據(jù)。3 .超導(dǎo)應(yīng)用的實用化從以

17、上分析中不難看出，超導(dǎo)材料的應(yīng)用大多集中在電力、交通、醫(yī)療、能源甚至軍事上,且價格不菲，超導(dǎo)材料的實用化還有待進(jìn)一步開發(fā)。超導(dǎo)材料是一個高技術(shù)、高風(fēng)險、高投入、前景好但回收周期長的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。需要國家政府、企業(yè)及科研單位的多方聯(lián)手,共同努力，超導(dǎo)技術(shù)材料方能得以發(fā)展。期待超導(dǎo)應(yīng)用早日實現(xiàn)實用化，制造越來越多的電氣設(shè)備為老百姓所用。五、結(jié)語超導(dǎo)材料的應(yīng)用不僅能提高工作效率，在現(xiàn)在這個能源越來越緊缺的時代，超導(dǎo)材料也必然能使資源得到大大節(jié)約，減少大量的污染。超導(dǎo)材料不僅是過去、現(xiàn)在的研究熱點，也是將來的研究熱點。隨著超導(dǎo)體研究日新月異的變化，超導(dǎo)材料必將深刻影響科學(xué)發(fā)展和人們的生活。參考文獻(xiàn)1楊

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