3.3-超導材料研究進展

1、超導材料研究進展胡 平西建大冶金學院主要內容超導材料簡介超導材料的特性超導體的臨界條件超導體的分類超導材料的發(fā)展超導現(xiàn)象的物理本質超導材料的應用超導技術與原子能技術、化學合成技術、半導體技術和激光器技術并稱為20世紀五大科技發(fā)明。超導材料的出現(xiàn)將人們帶進一個前景十分廣闊的新技術領域。原子能技術半導體技術化學合成技術超導技術Si激光器技術超導技術的應用將對科技、軍事、經濟乃至社會發(fā)展產生深遠影響。新能源開發(fā)、能量儲存、交通工具更新、資源勘探、天氣及地震預報、射電天文觀察等都與超導結下了不解之緣。超導技術超導材料簡介1908 年，荷蘭科學家昂尼斯（Onne s） 首次將氦氣液化，并得到了低于4K的

2、溫度。1911 年，他在測量一個固態(tài)汞樣品汞線的電阻與溫度的關系時，意外發(fā)現(xiàn)汞冷卻到4.4K（即 - 269） 時，電阻突然消失了。隨后，科學家們發(fā)現(xiàn)許多金屬、合金及金屬間化合物也具有這種特性。人們將物質所具有的這種在某一溫度下電阻突然消失的性質稱為超導電性，簡稱超導。物質完全沒有電阻的狀態(tài)稱為物質的超導狀態(tài)，物質變?yōu)槌瑢顟B(tài)的溫度成為轉變溫度Tc或臨界溫度Tc。超導材料的特性超導材料的特性完全導電性完全抗磁性約瑟夫森效應導體在常溫下具有一定導電能力，或者說有一定的電阻率。1911年，荷蘭物理學家昂納斯發(fā)現(xiàn)超導體在特定溫度以下會轉變?yōu)橥耆珱]有電阻的狀態(tài)（完全導電性）在零電阻性出現(xiàn)的同時這些物質

3、還伴有完全抗磁性弱連接超導體中還發(fā)現(xiàn)了隧道效應荷蘭物理學家昂納斯完全導電性昂納斯用一個鉛線制的閉合線圈，先加磁場，再降低溫度；當溫度下降到一定值，線圈進入超導態(tài)后，撤去磁場，在閉合線圈中激發(fā)一個感生電流。若線圈有電阻，這個感生電流就會逐漸衰減。在實驗所用的液氦完全蒸發(fā)掉以前的二個多小時內，沒有觀察到電流的衰減，得出的結論是：線圈在超導態(tài)時，其電阻的上限為它在0時電阻的0.2-0.310-10倍，幾乎為零。汞的電阻在4.2K到4.3K之間減小極快，并在4.19K基本完全消失，在1.5K電阻值小于十億分之一歐。汞在4.2K附近進入一個新的物態(tài)，電阻幾乎為零。當溫度下降到某一臨界溫度時，超導體出現(xiàn)電

4、阻突變?yōu)榱愕奶匦苑Q為完全導電性，也叫零電阻效應。汞在液氦溫度附近電阻的變化曲線超導體的零電阻與常導體的零電阻本質完全不同：金屬導體中有大量的自由電子，施加電壓后形成電流。電子在運動中會受到阻尼散射，產生電阻。電子的阻尼散射由兩方面的因素造成：固體原子熱運動引起的散射，也叫聲子阻尼散射；雜質原子散射，雜質原子在固體中雜亂分布，破壞晶體場的周期性，并且雜質散射與溫度無關；低溫下，原子熱運動很小，當溫度足夠低時，金屬電阻就僅有雜質電阻構成。常導體的零電阻是指在沒有缺陷、雜質的理想晶體中，在足夠的低溫下自由電子不受聲子散射和雜質散射的影響，可以不受限制的運動。超導體的零電阻是當溫度下降到特定值時，電阻

5、幾乎是躍變至零的，此時導體中的電子受到散射的同時又吸收同樣的能量，它們的總能量和動量沒有受到損失，不需電場力做功來補充能量和動量的損失，所以沒有電阻。1933年，邁斯納和奧森菲爾德對單晶錫球的磁場分布進行測量，發(fā)現(xiàn)不論是先降溫后再加磁場，還是先加磁場后降溫，只要錫球溫度達到超導臨界溫度Tc，磁力線似乎被完全排斥到超導體之外。只要TTc，超導體內的磁感應強度總和為零，即超導體具有完全抗磁性。完全抗磁性：永磁體受到超導體排斥而懸浮 完全抗磁性超導體只要進入超導態(tài)，都會出現(xiàn)完全抗磁性，與初始條件無關。完全抗磁性也稱為邁斯納效應。NS降溫降溫加場加場S邁斯納效應：S表示超導態(tài)，N表示正常態(tài)完全抗磁性并

6、不代表超導體中沒有磁場。在正常導體內，電流均勻分布;在超導體內，電流只分布在超導體表面附近的薄層內，其它地方沒有電流。這一薄層被磁場穿透，也叫穿透層或穿透深度，一般為10-6-10-8m。在這深度以內，超導體內沒有磁場。超導體中的電流分布根據(jù)右手定則，超導體下表面的電流在體內產生方向垂直于紙面由里指向外的磁場，上表面的電流在體內產生方向垂直于紙面由外指向里的磁場。超導體表面層各電流都可像這樣一對一對地分別在超導體內部產生大小相等、方向相反的磁場，綜合作用使超導體內的總磁場強度為零，這就是超導體的完全抗磁效應。右手定則20世紀60年代，英國物理學家約瑟夫森在弱連接超導體中發(fā)現(xiàn)了隧道效應。所謂的弱

7、連接超導體是在左右兩塊超導體(S1，S2)中間夾一塊厚度為納米級的絕緣膜(I)，形成新的超導體。約瑟夫森約瑟夫森效應這種超導層-絕緣層-超導層(SIS)的結構類似于一塊夾心層很薄的三明治。由于絕緣層很薄，使兩側弱耦合在一起的超導體具有全新的超導特性。約瑟夫森發(fā)現(xiàn)：電子可從一個超導體穿過絕緣薄膜層移到另一個超導體，在這個過程中測量不到電壓。約瑟夫森效應這意味著超導體中間的絕緣層也像超導體一樣，能讓超導電流通過，整體呈現(xiàn)出零電阻特性；如果電流超過出現(xiàn)這種結構所需的臨界電流，就和正常導體一樣，出現(xiàn)電壓。由于量子隧道的作用，可使電子通過兩個超導金屬中間極薄的絕緣勢壘，這個效應被稱為超導隧道效應或約瑟夫

8、森效應，SIS結構被稱為超導隧道結或約瑟夫森結。約瑟夫森效應成為微弱電磁信號探測和超導電子學應用的基礎。 超導體的臨界條件超導體具有三個臨界條件臨界轉變溫度Tc臨界磁場強度Hc臨界轉變電流Ic Tc是指使超導體從常態(tài)轉變?yōu)槌瑢B(tài)，電阻突然消失的溫度：如Rh的Tc為0.0002K，Hg的Tc為4.2K，Nb的Tc為9.2K，Nb3Ge的Tc為23.1K。超導元素Tc/K超導元素Tc/K超導元素Tc/KW0.01Os0.65Ti2.38Ir0.14Zn0.86In3.41Hf0.16Mo0.92Sn3.72Th0.37Co1.09Hg4.15Tl0.40Al1.19Ta4.40Ru0.49Pa1.

9、40V5.03Cd0.52Re1.70Tc8.20Zr0.54U2.00Nb9.20常見元素的臨界溫度Hc是指破壞超導體的超導態(tài)，使其轉變?yōu)槌B(tài)的最小磁場強度。處于超導態(tài)的物質，當外界磁場超過Hc后，磁力線將完全貫通超導體內部，超導電性被破壞。Hc是溫度的函數(shù)，隨著溫度的降低而增大，當溫度為0K時達到最大。Ic是指超導態(tài)允許流動的最大電流(破壞超導電性所需的最小極限電流)，亦是產生臨界磁場的電流。當輸入電流超過Ic后，超導態(tài)將會被破壞。任何超導體作為實際電磁材料使用時，必然是處于一定溫度和磁場下，并通以一定的電流。溫度、磁場和電流密度一定要低于三個臨界參數(shù)，這是維持超導狀態(tài)的必要條件。不滿足

10、任何一個條件，超導狀態(tài)會立即消失。三個臨界條件Tc、Hc、Ic的關系圖超導體的分類只有一個臨界磁場Hc的超導體叫第一類超導體。外加磁場強度低于Hc時，材料具有完全導電性和邁斯納效應；外加磁場強度大于Hc時，超導特性消失。很多純金屬都屬于第一類超導體，Hc和Ic都很小，實用價值不大。第一類超導體 第二類超導體具有下臨界場Hc1和上臨界場Hc2。磁場小于Hc1時，材料處于純粹的超導態(tài)；磁場大于Hc1小于Hc2時，磁力線逐漸進入超導體內部，但被釘扎，隨著磁場增加透入深度增加，材料內既有超導部分，又有常導部分，電流只在超導部分通過；磁場大于Hc2時，磁力線完全穿透超導體，材料恢復常態(tài)。第二類超導體第二

11、類超導體的Hc2往往很大，如Nb3Sn的Hc2在液氦溫度時約有20T?；旌蠎B(tài)超導體的整體載流效果與完全超導體一樣，電流只沿著沒有電阻的超導區(qū)流動，有電阻的正常區(qū)好象不存在一樣。要提高第二類超導體的臨界電流密度，就要阻止磁力線的運動。磁場中的洛倫茲力在超導材料中有意識地引進大量晶體缺陷，或有意識地摻一定數(shù)量的某種雜質，以增加對磁力線的釘扎能力，大大提高臨界電流密度。高Hc和高Ic使第二類超導體具備作為強電材料的基本條件，使超導體作為實際材料使用成為可能。超導合金化合物(Nb3Sn、V3Ga)、氧化物(LaBaCuO、YBaCuO)都屬于第二類超導材料。晶體缺陷-面缺陷超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與人們對低溫世

12、界的探索密切相關，最重要的歷史背景就是人類液化氣體向絕對零度進軍的歷程。公元13世紀，我國元朝宮廷食品中出現(xiàn)奶酪冰淇淋，它是一種用冰水、食鹽的混合液制取的冷食，標志人類已用人工方法獲得零下21的低溫。低溫世界超導材料的發(fā)展1823年，法拉第研究壓力和冷卻對氣體的作用。一個密封的J形彎管，其下部彎曲部分裝有結晶氯化物，上部平直部分處于冷卻器中。加熱氯化物時，放出氯氣，管內壓力增大，氯氣在試管上部冷卻段內凝結。他首先獲得液態(tài)氯，并成功地液化了二氧化碳，獲得了零下78的低溫。著名科學家法拉第1861年，英國科學家湯姆遜和焦耳發(fā)現(xiàn)了焦耳-湯姆遜效應。每種氣體相應于一定壓強都有一個確定的轉換溫度：在這溫

13、度以下，氣體膨脹后變冷；在這溫度以上，氣體膨脹后變熱，這為人們征服“永久氣體”指明方向。焦耳湯姆遜1877年，根據(jù)焦耳-湯姆遜效應，法國人卡萊特發(fā)明可保持數(shù)百大氣壓的空壓機，將毛細管增壓到300個大氣壓，然后撤去所加壓力，毛細管內氣體劇烈膨脹，溫度降到零下118.9，實現(xiàn)氧氣的液化。1895年，德國人林德和英國人漢普遜利用焦耳-湯姆遜效應開始大規(guī)模地生產液氧和液氮，著名的林德機成了低溫技術的基本設備。 1877年的氣體液化裝置林德.C.V1898年，英國物理學家、化學家詹姆斯杜瓦在常壓下實現(xiàn)了對空氣的液化，獲得了20K左右的低溫。隨后，他又利用減壓降溫方法，獲得大約15K的低溫。但在氦的液化這

14、道關卡前，包括杜瓦在內的許多著名科學家都失敗了。杜瓦和他的“杜瓦瓶”1908年，昂納斯成功實現(xiàn)氦氣液化，并獲得4K左右的低溫。1910年，獲得1.04K的低溫。昂納斯發(fā)現(xiàn)金屬越純，隨溫度的降低，其電阻就變得越小。在4.3K的溫度以下，鉑的電阻是一個不變的常數(shù)。昂納斯得出這樣的結論：“絕對純的鉑的電阻可能在氦的沸點消失”。昂納斯的氦氣液化實驗321911年，昂納期在論文中提到，“純汞能夠被帶到這樣一個狀態(tài)，其電阻為零，或至少覺察不出與零的差異”，他稱這種零電阻狀態(tài)為超導電態(tài)，把電阻發(fā)生突然變化的溫度稱為超導臨界溫度。1913年，由于低溫超導的發(fā)現(xiàn)以及液氦的制備，昂納斯獲得該年度的諾貝爾物理學獎

15、。汞的電阻變?yōu)榱氵@一現(xiàn)象并不讓昂納斯意識到這就是具有劃時代意義的超導現(xiàn)象。在發(fā)現(xiàn)超導電性以后的22年間，人們一直把超導體和完全導體(或稱無阻導體)等同起來。1933年，邁斯納和奧森弗爾德發(fā)現(xiàn)超導體的完全抗磁性效應，人們才認識到，超導體不能被看作只是電阻為零的理想導體，而應被看作同時具有理想導電性和完全抗磁性的新的物態(tài)。德國物理學家邁斯納1931年，德哈斯發(fā)現(xiàn)第一種合金超導體，人們開始向高溫超導體進軍。20世紀60年代，發(fā)現(xiàn)了具有高Tc、高Hc和高Ic的合金超導體，如Nb3Sn的Tc達到23.1K。1972年，史萊特等發(fā)現(xiàn)鉍酸鹽BaPbxBil-xO4的超導臨界溫度達到了13K。1973年，約翰

16、斯通發(fā)現(xiàn)金屬鈦鋰的氧化物Ti2-xLixO4的超導臨界溫度達13.7K。1986年以前只發(fā)現(xiàn)了在液氦溫區(qū)超導的低溫超導體，人們希望能找到高Tc的超導體。1986年4月，IBM蘇黎世實驗室的白諾芝和繆勒在鑭鋇銅氧La1-xBaxCuO4中現(xiàn)察到高溫超導電性，在30K左右時，電阻隨溫度降低開始加速下降，到10K以下電阻幾乎降到0。白諾芝和繆勒（右）1986年，東京大學在LaBaCuO中發(fā)現(xiàn)37K以上的抗磁轉變和23K以上的零電阻轉變溫度。貝爾電話電報公司將La1-xBaxCuO4中的摻雜物由Ba改為Sr，Tc提高到38K。臨界溫度為35K的锎鋇銅氧化物陶瓷超導材料1987年，休斯敦大學的朱經武發(fā)現(xiàn)

17、在LaBaCuO系樣品上加大壓力，Tc可達48K以上。朱經武用原子半徑較小的稀土原子釔替換原子半徑較大的原子鑭，在樣品中產生內壓，獲得新的含銅氧化物陶瓷YBaCuO，Tc達到100K。可用廉價安全的液氮(沸點77.3K)作為冷卻劑，實現(xiàn)“液氮溫區(qū)的超導電性”。著名學者朱經武教授1988年，日本發(fā)現(xiàn)不含稀土的銅氧化物高溫超導體Bi2Sr2CaCu2Oy，其Tc高達110K；Ti2Ba2Ca2Cu3Oz的Tc達到125K，HgBa2Ca2Cu5Oz的Tc達到135K。2001年4月，340米鉍系高溫超導線在清華大學應用超導研究中心研制成功，2001年5月，北京有色金屬研究總院成功制備出國內最大面積

18、的高質量YBaCuO超導薄膜，達到國際同類材料的先進水平。2001年7月，香港科技大學宣布成功開發(fā)出全球最細的納米超導線。Science報道，C60改性后Tc可以提高到117K。目前，我國超導臨界溫度已提高到零下120攝氏度，即153K左右。1911年，昂納斯發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象以來，人們對超導物理本質的研究就一直沒有停止過。1916年，美國物理學家西爾斯比建立了原來是兩個不同物理現(xiàn)象之間的聯(lián)系，提出假設：電流的臨界值就是當電流本身產生的磁場等于臨界磁場時的電流值。1924年，荷蘭物理學家開色姆第一次把熱力學理論應用于超導體，得出常態(tài)和超導態(tài)的熵差和臨界場導數(shù)之間的關系，為熱力學相變理論應用于超導體奠

19、定基礎。超導現(xiàn)象物理本質1928年，美國物理學家布洛赫等人提出金屬量子導電理論，這個理論在很多方面都很成功，但不能解釋超導現(xiàn)象。布洛赫理論采用自由電子模型，忽略了電子之間及電子與晶格點陣之間的各種相互作用，人們有理由猜測，一定是自由電子模型中所忽略的某種相互作用，恰好是產生超導現(xiàn)象的根源。費利克斯布洛赫1933年，邁斯納發(fā)現(xiàn)抗磁性效應后，人們發(fā)現(xiàn)超導材料的零電阻性和完全抗磁性具有可逆性，而且在磁場中超導-正常態(tài)的轉變過程中有潛熱。人們測出潛熱的大小，確定這是一種一級相變。超導態(tài)實際是常態(tài)物質的一種新態(tài)(相)，此時材料的結構和晶格振動沒有什么變化，沒有發(fā)生結構相變，這進一步暗示超導相變可能是因為

20、電子的行為所引起的。1934年，戈持和卡西米爾提發(fā)現(xiàn)超導態(tài)電子的熵幾乎全部為零，正常態(tài)電子的熵正比于溫度，這說明超導態(tài)要比正常態(tài)更為有序。戈特和卡西米爾提設想，在超導體中有兩種流體，更為有序的電子是處于無阻電流的超導電子。二流體模型中電子有序被錯誤地理解為位置空間的有序，事實上，應是動量空間的有序。盡管二流體模型比較粗糙，但它為以后發(fā)展的理論提供了十分有益的啟示。1935年，弗里茲.倫敦和海因茲.倫敦兄弟提出了著名的“倫敦方程”，預言了穿透深度的存在。倫敦方程很好地解釋超導體的完全導電性和完全抗磁性，屏蔽外磁場的電流僅在穿透層內流動，超導體內部的磁場恒等于零。倫敦方程的物理意義451950年，

21、弗羅里希指出，電子與聲子之間的相互作用是產生超導電性的原因，在超導微觀機制研究方面邁出了重要一步。與此同時，雷諾茲等人發(fā)現(xiàn)了同位素效應，即超導體的臨界溫度與它的同位素原子量的平方根成反比。由于聲子振動的頻率也與原子量的平方根成反比，所以同位素效應也暗示了超導體中電子行為和聲子之間的密切聯(lián)系。461951年，古德曼對超導體熱導性質進行測量，發(fā)現(xiàn)超導體的電子比熱以指數(shù)形式隨溫度變化，超導體能隙的量級約為萬分之一電子伏，遠小于金屬的費米能EF(1電子伏)。一個電子從常態(tài)轉變到超導態(tài)，其能量降低到它原有能量的萬分之一，正好與聲子的能量相當。為將聲子與超導現(xiàn)象聯(lián)系起來，人們想到了電子之間的相互作用。19

22、56年，庫珀研究表明，當兩個電子有凈的相互吸引作用時，不論吸引作用多弱，它們都能形成能量較低的束縛態(tài)。處于束縛態(tài)的自旋相反的電子對通常被人們稱為庫珀電子對，當這種電子對的總動量為零時束縛得最緊。庫珀對中兩個電子的動量大小相同，方向相反，每個電子對的總動量是零。物理學家?guī)扃闘eon N. Cooper, Bound Electron Pairs in a Degenerate Fermi Gas, Phys. Rev. 104, 1189 (1956).臨界溫度時，費米面附近的電子全部凝聚成庫珀對，以降低總能量。大量庫珀對的出現(xiàn)意味著超導態(tài)的形成。溫度升高，越來越多的電子被熱運動激發(fā)，庫珀電子對

23、越來越少，到臨界溫度以上時，不再有庫珀對，全部電子都被激發(fā)，樣品轉為正常態(tài)。庫柏預期，費米面上這種電子對的集合將顯示超導態(tài)的許多平衡性質，這正是人們期待已久的超導態(tài)微觀物理本質。1957年，巴丁、庫珀和施瑞弗發(fā)表超導電性的微觀理論，從微觀上成功解釋了超導電性的起源和超導體的許多性質，即著名的超導“BCS理論”。巴?。ㄗ螅?，庫珀，施瑞弗（右）Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer, Microscopic Theory of Superconductivity, Phys. Rev. 106, 162 (1957).BCS理論要點：兩個電子組成凝聚

24、電子對后，其中一個電子即使受到晶格振動或雜質碰撞的阻礙，電子對中的另一個電子也能起到調節(jié)作用，即另一個電子獲得的能量和動量與第一個電子損失的能量和動量相同，電子對通路不受影響，這就是電子對產生超導的緣由。電子A電子B（聲子）電子和聲子之間的相互作用在超導態(tài)下，組成庫珀對的電子雖然也不斷地被散射，但這種散射不影響庫珀對的質心動量，電子對的能量沒有損失，是無阻尼散射。電流通過超導體時，庫珀對的定向勻速運動不受阻礙，也就沒有電阻。和正常導體中電子不同，超導電子受到散射的同時又吸收了同樣的能量和動量，它們沒有損失什么，不需要電場力做功來補充，所以沒有電阻。超導材料的應用超導材料在能源工業(yè)中的應用地球上

25、的礦物能源最多再用幾百年就枯竭。太陽能由于轉換效率較低，不能作為最主要的能源。原子能一定程度上緩解了能源危機，但原子能是通過鈾的核裂變產生，而鈾資源是很有限的，且放射性物質的后處理是個很棘手的問題。能量獲取太陽能原子能徹底解決能源問題的希望寄托在受控熱核反應核聚變上。核聚變與太陽發(fā)熱原理相同,兩個氫核聚變所放出的能量比原子間進行化學反應要大數(shù)百萬倍，甚至比重核裂變釋放的能量還要高出好幾倍。熱核聚變熱核反應的基本原料是氘和氚。聚變能源能量高：1千克氘的能量相當于4千克鈾，或6600噸汽油，或約1萬噸煤的能量；聚變能源是最經濟的能源：1千克氘為幾萬元，1萬噸煤要數(shù)百萬元，汽油更貴。聚變能源是最清潔

26、的能源：受控熱核反應后產生的惰性氣體氦對大氣沒有任何污染。聚變能源幾乎取之不盡、用之不竭：1升海水中有30毫克氘(相當于燃燒300公升的汽油)，地球上約有1.371018m3海水，約有41013噸氘，可為地球提供百億年的能源。人類已實現(xiàn)熱核聚變反應-氫彈的爆炸，通過原子彈點火，在火球中央產生幾百萬度到一億度高溫，在火球還未擴散的瞬間產生巨大壓力(相當于2500億個大氣壓，核心區(qū)氣體被極度壓縮至水密度150倍)，使熱核燃料產生熱核反應。但它是不可控的，無法和平利用。熱核聚變氫彈爆炸要使熱核反應在某種裝置內進行，如此高溫的等離子體不可能用任何實際的固體容器來盛放。人們用磁場來約束等離子體，把等離子

27、體放在特殊的看不見的“磁瓶”里。磁場愈強，粒子的螺旋軌道愈緊緊地纏住磁力線，好像磁力線牢牢束縛著運動的帶電粒子。中國的受控熱核裝置（EAST）一個200兆瓦的受控熱核反應電站，儲能21011焦。這樣的磁場用常規(guī)磁體來實現(xiàn)，磁體直徑可達數(shù)千米，生產的全部電能基本只夠維持系統(tǒng)的電力消耗，而且結構復雜，電磁和機械應力巨大。如果用超導磁體，磁體系統(tǒng)直徑僅為幾十米，而且磁體自身能耗極小。中國科學院合肥等離子體物理研究所超導托卡馬克(受控熱核裝置)HT-7巨大的電感線圈 1991年10月，日本原子能研究所和東芝公司利用鈮和錫的化合物超導材料，共同研制成核聚變堆用的新型超導線圈。該研究所把這個線圈大型化后提

28、供給國際熱核聚變堆使用，線圈電流密度達到40A/mm2，當時處于世界最高水準。超導托卡馬克的超導磁系統(tǒng)60超導材料在電機中的應用可給電機帶來巨大變革：超導磁場繞組具有極大的載流能力，能產生強磁場卻幾乎不存在勵磁損耗，電機機械損耗減少1/3，總損耗降低1/2，效率可達99.5。超導發(fā)電機轉子外徑為常規(guī)發(fā)電機的0.8，長度為0.4-0.6，整機重量為l/3-1/2。超導發(fā)電機氣隙磁密由常規(guī)發(fā)電機的0.8T提高到4T-5T，極限容量可提高到107千瓦以上。超導發(fā)電機能量運輸導線電阻使一部分電能在輸送中轉變?yōu)闊崮?，存在嚴重的電能損耗。輸送1000萬千瓦的電力，損失相當于一座100萬千瓦發(fā)電站的發(fā)電量。

29、超導電纜具有零電阻特性，幾乎可無損耗地輸送電能。使用高溫超導電纜比常規(guī)電線的總成本低15。美國South wire 公司、橡樹嶺國家試驗室、美國能源部等聯(lián)合開發(fā)的三根1.25kA，12.6kV，30m 長的高溫超導電纜已于2001 年在電網(wǎng)試運行超導電纜2004年3月，云南昆明普吉變電站完成三相交流33.5米/35kV/2kA超導電纜系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝，掛網(wǎng)試運行成功，標志著繼美國、丹麥之后，我國成為世界上第三個將超導電纜投入電網(wǎng)運行的國家。電纜形式三相分相、交流電力電纜長度33.5m（不包括終端）額定電壓35kV額定電流2000A本體導體交流損耗(不含終端)0.75W/kA.m at 77K本體

30、熱損耗(不含終端)1.5W/m終端電流頭運行溫差70330K運行海拔1900m電絕緣類型常溫絕緣交聯(lián)聚乙烯導體層數(shù)4冷卻方式液氮循環(huán)制冷系統(tǒng)制冷能力2250W at 75K液氮進口溫度7072K 液氮出口溫度7476 K電纜外徑112mm電纜彎曲最小直徑3.0m 已安裝調試的超導電纜系統(tǒng) 能量儲存電力的儲存比較困難，目前主要有三種方法：水泵水電儲存儲存大容量的高壓氣體利用大型蓄電池、電容器儲能超導環(huán)形封閉線圈中流過巨大的零電阻永久電流，可無損耗地儲存巨大的電能，理論測算回收電能效率可達90。超導儲能裝置利用超導材料的完全抗磁性，可實現(xiàn)飛輪儲能，用富裕電能把多個巨型飛輪高速轉動起來，變成動能，需

31、要時則把飛輪動能恢復為電能。常態(tài)下，由于支撐飛輪的軸承處以及飛輪和空氣之間存在摩擦，轉輪會逐漸失去它的動能，轉化為熱能。如果用超導材料制成軸承，利用抗磁性使飛輪懸浮在空中，不存在軸承摩擦；將飛輪密封于真空中，可克服空氣摩擦阻力，得到幾乎沒有損耗的儲能飛輪。超導材料在交通運輸中的應用列車上安裝強大的超導磁體，地上的軌道是優(yōu)質的永磁體。當車輛行進在軌道上方時，車上的超導磁體排斥地上的永久磁體，兩者斥力將車子懸浮起來離開軌道。車輛在電機牽引下無軌道摩擦地前進，時速高達500公里。超導磁懸浮列車超導磁懸浮列車日本進行了載人超導磁懸浮列車的運行試驗，時速均達500千米/小時以上。實測表明，能耗只有880

32、千焦/千米，不到民航噴氣式飛機能耗的一半，而速度卻幾乎與飛機一樣快，也比飛機的載重量大，且更為安全。日本的磁懸浮列車我國于2001年研制成功常導磁懸浮客車。采用電磁吸力將車輛懸浮，與軌道間距離始終保持在8-10毫米之間；輪軌與車體之間沒有摩擦，車輛遠行時具有平穩(wěn)舒適、低噪聲等優(yōu)點。上海浦東磁懸浮列車時速可達423km/h，是吉尼斯世界紀錄認證的“現(xiàn)今世界最快的陸上交通工具”。上海浦東的磁懸浮列車干凈舒適的車內環(huán)境 上海磁懸浮是中國第一條投入運行的磁懸浮鐵路，全長29863公里，設計時速和運行時速分別為505公里和430公里；由中國與德國合作，2002年12月31日，中國總理朱鎔基和德國總理施羅

33、德成為上海磁懸浮的第一批乘客體會首次試運行。當時采用的是已通過安全認證的比較簡單的單線折返運行方式。我國載人超導磁懸浮列車“世紀星號”也于2001年研究成功。世紀星號超導磁懸浮列車西南交通大學研制的超導磁懸浮列車在青城山運行的磁懸浮列車上海浦東的磁懸浮列車2011年2月28日，中國首條中低速磁浮交通線在北京開工，這是中國第一條擁有自主知識產權的磁浮交通線和世界第二條中低速磁浮運營線。中科院電工所的檢測表明，直流磁場強度小于正?？措娨晻r對人體的影響，交流磁場強度小于使用電剃須刀時對人體的影響。 其它高速列車-無砟軌道列車“砟”是小塊的石頭。常規(guī)鐵路都在小塊石頭的基礎上，再鋪設枕木或混凝土軌枕，最

34、后鋪設鋼軌，這種線路不適于列車高速行駛。無砟軌枕本身是混凝土澆灌而成，路基也不用碎石，鐵軌、軌枕直接鋪在混凝土路上。無砟軌道無砟軌道是當今世界先進的軌道技術，可減少維護、降低粉塵、美化環(huán)境，列車時速可達200公里以上?！俺晒喔哞F” (中西部鐵路建設中首次運用無砟技術)于2009年5月12日正式投入運營，時速可達218公里，從成都至青城山景區(qū)不超過40分鐘。建設中的京滬高鐵、京石高鐵、石武高鐵、廣深港高鐵、京沈高鐵、哈大高鐵均采用無砟軌道技術。2010年9月28日，滬杭高鐵試運行，運行時速高達416.6公里。無砟軌道和無縫鋼軌聯(lián)結，再加上新一代高速動車組國產“和諧號” CRH380A，共同創(chuàng)造出

35、世界鐵路運營試驗最高時速記錄。滬杭高鐵2010年12月3日，在京滬高鐵棗莊至蚌埠間進行的先導段聯(lián)調聯(lián)試和綜合試驗中，CRH380A高速動車組最高運行時速達到486.1公里，這是繼9月28日滬杭高鐵試運行創(chuàng)下時速416.6公里之后，中國高鐵再次刷新世界鐵路運營試驗最高速度。 京滬高鐵76西南交通大學牽引動力國家重點實驗室正在研制時速為600-1000公里的真空高速列車。真空管道高速交通是建造與外部空氣隔絕的管道，由于沒有空氣摩擦的阻礙，在其中運行的列車將運行至高速；管道是密封的，可在海底及氣候惡劣地區(qū)運行，不受任何影響。 北京到廣州2300公里路程，地面交通工具2個半小時就可以到達。真空高速列車

36、真空高速列車真空管道磁懸浮列車是一種最低時速4000公里、能耗不到民航客機1/10、噪音、廢氣污染及事故率接近于零的新型交通工具。根據(jù)理論研究，真空磁懸浮列車最高時速可達22500公里/小時，華盛頓至北京僅需2小時。真空磁懸浮列車構想圖1992年1月27日，由日本船舶和海洋基金會建造的第一艘超導船“大和”1號，在日本神戶下水試航。船上的超導磁體產生強磁場。電流和磁場產生洛倫茲力，將大量海水推進，通過反作用力，水流將船只推進；改變磁場方向，船只運動方向也可改變。超導船推進機構不是螺旋槳，效率可達90%，理論時速最高可達180km/h。目前尚未進入實用化階段，但這種船舶有可能引發(fā)船舶工業(yè)爆發(fā)一次革

37、命，就像當年富爾頓發(fā)明輪船取代帆船那樣。超導船“大和”1號超導船超導材料在生物醫(yī)學中的應用原子核自旋使自身具有磁矩,在外加交變磁場作用下，原子核的磁矩平行于磁場方向排列。在高頻磁場作用下，原子核具有特定頻率，兩者發(fā)生共振現(xiàn)象，原子核劇烈吸收外加交變磁場能量，這種現(xiàn)象稱為核磁共振。人們可以弄清在物質內部有無某種原子核存在、數(shù)量以及位置。核磁共振人頭顱核磁共振成像目前檢測主要對象是氫原子核。氫是構成水的元素，而人體中的水占70，只要人體稍有異常就能夠查出。癌細胞與正常細胞的共振方式不同，表現(xiàn)為癌細胞中氫原子核的弛豫時間比正常細胞要長一些。因此，通過NMR可以準確判定癌細胞是否存在。核磁共振儀正常磁

38、體的中心磁場只有0.3T的數(shù)量級，僅能與氫原子核產生共振。超導磁體的中心磁場很容易達到1.5-2T，氫原子核共振情況更易測定，得到的圖像更清晰，提高診斷的可靠性。除氫共振外，還可獲得P、Na等元素的共振信號，提高核磁共振成像的使用價值。核磁共振儀生物磁源成像神經細胞、心臟、腦、肺等具有非常微弱的磁性。如果能將這樣微弱的磁性測量出來，就可以把磁場的運動情況測量出來，組織的活動情況也就能測量出來。人們把這樣測出的某個生物組織的磁場圖像叫生物磁源成像。生物磁信號極其微弱，約10-10T-10-12T。用超導量子干涉現(xiàn)象所制成的磁強計SQUID，可探測10-15T的磁場變化。SQUID可測定生命體的磁

39、搏動；檢測人體受到刺激后大腦活動發(fā)出的微弱磁性，檢測出大腦如何做出反應，形成腦磁圖。此外，還可進行心磁、肺磁，肌磁、眼磁及血液磁化率等的研究。無接觸測量，沒有人體狀況等的影響，結果十分準確。超導量子干涉儀腦磁研究應用于治療精神分裂、腦創(chuàng)傷、手術前的神經功能定位以及一些其他特殊疾病。心磁測量能比較可靠地診斷心血管疾病的早期征兆，提供心臟病情的程度。心磁圖儀腦磁圖儀人的大腦、神經系統(tǒng)與眼、耳這些感覺器官之間的相互作用，還有許多未解之謎。若能制造出更高水平的SQUID裝置，就能追蹤微妙的大腦活動，察覺大腦的思考程序，得知人的思維，制造出真正意義上的智力機器人。人的腦磁圖超導材料在國防軍事中的應用激光

40、武器需要瞬間提供數(shù)十億到百億焦耳的能量。超導閉合線圈是理想的儲能裝置，電流密度可達104A/cm2以上，可在瞬間提供巨大能量。超導線圈重量輕、體積小、功率放大倍數(shù)高，可在持久電流狀態(tài)下工作，使武器長期處于戒備狀態(tài)。超導激光武器美國和以色列研制的激光武器超導電磁炮常規(guī)火炮的彈丸初速受到各種因素的限制。澳大利亞科學家從實驗上證明用電磁力可把較重的彈丸推進到高速的可能性。利用超導體十分容易地將這種可能變?yōu)楝F(xiàn)實，制造出威力巨大的電磁炮。電磁炮原理圖美軍研制的電磁炮示意圖電磁炮中的貯電裝置采用液氦冷卻的超導金屬，可以無限貯存電能，通過開關控制就能使積存的電能驅動炮，高速射出彈頭。相比常規(guī)火炮，電磁炮的電

41、磁推力比一般火藥推力大一個數(shù)量級，視彈丸質量大小可將其加速到每秒幾千米到幾十千米。美海軍電磁炮發(fā)射瞬間，這門電磁炮以1068萬焦耳的能量發(fā)射了一枚鋁彈，鋁彈以7馬赫的速度飛出電磁炮的軌道，飛行4分鐘后擊中目標。 2010年12月，美海軍宣布成功試射電磁炮，炮彈速度達到5倍音速，射程達到110海里，這意味著美國原理樣炮的試驗已經接近完成，下一步即將進入工程樣炮的研制階段。美軍電磁炮試射現(xiàn)場陸軍：電磁炮可用作自行火炮。即使為避免大氣燒蝕，彈丸用4km/s的速度，也是常規(guī)火炮的2-3倍。若用電磁炮把穿甲彈的速度提高到3km/s，則坦克的進攻能力將提高4倍。電磁炮是對付坦克裝甲的有效手段。發(fā)射質量為5

42、0克、速度3km/s的炮彈，可穿透25.4mm厚的裝甲。陸戰(zhàn)坦克89式120mm自行反坦克炮海軍：小口徑速射火炮很難對付新一代的超聲速反艦導彈的攻擊。用高射速電磁炮進行防空和攔截導彈，可極大增加防衛(wèi)半徑和殺傷概率。美軍認為可用電磁炮代替高射武器和防空導彈遂行防空任務。美國正在研制發(fā)射速度為500發(fā)/分、射程達幾十千米的電磁炮，準備替代艦上的“火神方陣防空系統(tǒng)”用它不僅能打擊臨空的各種飛機，還能在遠距離攔截空對艦導彈。反艦導彈空軍：采用電磁發(fā)射裝置，可形成一種全新的野戰(zhàn)機場和短程起降方式。此外，小體積的電磁炮完全可作為機載武器使用。戰(zhàn)略防御：作為攔截中程、潛射和洲際戰(zhàn)略導彈的武器，超導電磁炮能發(fā)

43、揮更大的威力。同時，它還可用來攻擊敵方的衛(wèi)星和空間站。戰(zhàn)略導彈的發(fā)射機載武器超導艦艇螺旋槳推進器產生渦旋，軍艦難以實現(xiàn)高速航行；同時，電動機、螺旋槳等旋轉部分產生振動和噪音，容易被發(fā)現(xiàn)；高速轉動部件受到軸承摩擦限制，轉速無法進一步提高。利用超導強磁性可設計出各種結構的無摩擦超導軸承，大幅提高部件轉速，使軍艦實現(xiàn)高速化。高速軍艦核潛艇SQUID還可用來測定地下未爆炸的軍用物品或有害廢棄物，尋找地下的或水下的隱蔽軍事設施。這些目標可能深埋于地(水)下，但卻都能在地上顯示出磁異常。美國海軍已經開發(fā)出可以移動的高溫超導重力儀來探測某些目標。僅在美國，就已查出大約900個陸下的和海中廢棄的作戰(zhàn)裝置。超導偵察超導材料在其它方面