3.3-超导材料研究进展

1、超导材料研究进展胡 平西建大冶金学院主要内容超导材料简介超导材料的特性超导体的临界条件超导体的分类超导材料的发展超导现象的物理本质超导材料的应用超导技术与原子能技术、化学合成技术、半导体技术和激光器技术并称为20世纪五大科技发明。超导材料的出现将人们带进一个前景十分广阔的新技术领域。原子能技术半导体技术化学合成技术超导技术Si激光器技术超导技术的应用将对科技、军事、经济乃至社会发展产生深远影响。新能源开发、能量储存、交通工具更新、资源勘探、天气及地震预报、射电天文观察等都与超导结下了不解之缘。超导技术超导材料简介1908 年，荷兰科学家昂尼斯（Onne s） 首次将氦气液化，并得到了低于4K的

2、温度。1911 年，他在测量一个固态汞样品汞线的电阻与温度的关系时，意外发现汞冷却到4.4K（即 - 269） 时，电阻突然消失了。随后，科学家们发现许多金属、合金及金属间化合物也具有这种特性。人们将物质所具有的这种在某一温度下电阻突然消失的性质称为超导电性，简称超导。物质完全没有电阻的状态称为物质的超导状态，物质变为超导状态的温度成为转变温度Tc或临界温度Tc。超导材料的特性超导材料的特性完全导电性完全抗磁性约瑟夫森效应导体在常温下具有一定导电能力，或者说有一定的电阻率。1911年，荷兰物理学家昂纳斯发现超导体在特定温度以下会转变为完全没有电阻的状态（完全导电性）在零电阻性出现的同时这些物质

3、还伴有完全抗磁性弱连接超导体中还发现了隧道效应荷兰物理学家昂纳斯完全导电性昂纳斯用一个铅线制的闭合线圈，先加磁场，再降低温度；当温度下降到一定值，线圈进入超导态后，撤去磁场，在闭合线圈中激发一个感生电流。若线圈有电阻，这个感生电流就会逐渐衰减。在实验所用的液氦完全蒸发掉以前的二个多小时内，没有观察到电流的衰减，得出的结论是：线圈在超导态时，其电阻的上限为它在0时电阻的0.2-0.310-10倍，几乎为零。汞的电阻在4.2K到4.3K之间减小极快，并在4.19K基本完全消失，在1.5K电阻值小于十亿分之一欧。汞在4.2K附近进入一个新的物态，电阻几乎为零。当温度下降到某一临界温度时，超导体出现电

4、阻突变为零的特性称为完全导电性，也叫零电阻效应。汞在液氦温度附近电阻的变化曲线超导体的零电阻与常导体的零电阻本质完全不同：金属导体中有大量的自由电子，施加电压后形成电流。电子在运动中会受到阻尼散射，产生电阻。电子的阻尼散射由两方面的因素造成：固体原子热运动引起的散射，也叫声子阻尼散射；杂质原子散射，杂质原子在固体中杂乱分布，破坏晶体场的周期性，并且杂质散射与温度无关；低温下，原子热运动很小，当温度足够低时，金属电阻就仅有杂质电阻构成。常导体的零电阻是指在没有缺陷、杂质的理想晶体中，在足够的低温下自由电子不受声子散射和杂质散射的影响，可以不受限制的运动。超导体的零电阻是当温度下降到特定值时，电阻

5、几乎是跃变至零的，此时导体中的电子受到散射的同时又吸收同样的能量，它们的总能量和动量没有受到损失，不需电场力做功来补充能量和动量的损失，所以没有电阻。1933年，迈斯纳和奥森菲尔德对单晶锡球的磁场分布进行测量，发现不论是先降温后再加磁场，还是先加磁场后降温，只要锡球温度达到超导临界温度Tc，磁力线似乎被完全排斥到超导体之外。只要TTc，超导体内的磁感应强度总和为零，即超导体具有完全抗磁性。完全抗磁性：永磁体受到超导体排斥而悬浮 完全抗磁性超导体只要进入超导态，都会出现完全抗磁性，与初始条件无关。完全抗磁性也称为迈斯纳效应。NS降温降温加场加场S迈斯纳效应：S表示超导态，N表示正常态完全抗磁性并

6、不代表超导体中没有磁场。在正常导体内，电流均匀分布;在超导体内，电流只分布在超导体表面附近的薄层内，其它地方没有电流。这一薄层被磁场穿透，也叫穿透层或穿透深度，一般为10-6-10-8m。在这深度以内，超导体内没有磁场。超导体中的电流分布根据右手定则，超导体下表面的电流在体内产生方向垂直于纸面由里指向外的磁场，上表面的电流在体内产生方向垂直于纸面由外指向里的磁场。超导体表面层各电流都可像这样一对一对地分别在超导体内部产生大小相等、方向相反的磁场，综合作用使超导体内的总磁场强度为零，这就是超导体的完全抗磁效应。右手定则20世纪60年代，英国物理学家约瑟夫森在弱连接超导体中发现了隧道效应。所谓的弱

7、连接超导体是在左右两块超导体(S1，S2)中间夹一块厚度为纳米级的绝缘膜(I)，形成新的超导体。约瑟夫森约瑟夫森效应这种超导层-绝缘层-超导层(SIS)的结构类似于一块夹心层很薄的三明治。由于绝缘层很薄，使两侧弱耦合在一起的超导体具有全新的超导特性。约瑟夫森发现：电子可从一个超导体穿过绝缘薄膜层移到另一个超导体，在这个过程中测量不到电压。约瑟夫森效应这意味着超导体中间的绝缘层也像超导体一样，能让超导电流通过，整体呈现出零电阻特性；如果电流超过出现这种结构所需的临界电流，就和正常导体一样，出现电压。由于量子隧道的作用，可使电子通过两个超导金属中间极薄的绝缘势垒，这个效应被称为超导隧道效应或约瑟夫

8、森效应，SIS结构被称为超导隧道结或约瑟夫森结。约瑟夫森效应成为微弱电磁信号探测和超导电子学应用的基础。 超导体的临界条件超导体具有三个临界条件临界转变温度Tc临界磁场强度Hc临界转变电流Ic Tc是指使超导体从常态转变为超导态，电阻突然消失的温度：如Rh的Tc为0.0002K，Hg的Tc为4.2K，Nb的Tc为9.2K，Nb3Ge的Tc为23.1K。超导元素Tc/K超导元素Tc/K超导元素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常见元素的临界温度Hc是指破坏超导体的超导态，使其转变为常导态的最小磁场强度。处于超导态的物质，当外界磁场超过Hc后，磁力线将完全贯通超导体内部，超导电性被破坏。Hc是温度的函数，随着温度的降低而增大，当温度为0K时达到最大。Ic是指超导态允许流动的最大电流(破坏超导电性所需的最小极限电流)，亦是产生临界磁场的电流。当输入电流超过Ic后，超导态将会被破坏。任何超导体作为实际电磁材料使用时，必然是处于一定温度和磁场下，并通以一定的电流。温度、磁场和电流密度一定要低于三个临界参数，这是维持超导状态的必要条件。不满足

10、任何一个条件，超导状态会立即消失。三个临界条件Tc、Hc、Ic的关系图超导体的分类只有一个临界磁场Hc的超导体叫第一类超导体。外加磁场强度低于Hc时，材料具有完全导电性和迈斯纳效应；外加磁场强度大于Hc时，超导特性消失。很多纯金属都属于第一类超导体，Hc和Ic都很小，实用价值不大。第一类超导体 第二类超导体具有下临界场Hc1和上临界场Hc2。磁场小于Hc1时，材料处于纯粹的超导态；磁场大于Hc1小于Hc2时，磁力线逐渐进入超导体内部，但被钉扎，随着磁场增加透入深度增加，材料内既有超导部分，又有常导部分，电流只在超导部分通过；磁场大于Hc2时，磁力线完全穿透超导体，材料恢复常态。第二类超导体第二

11、类超导体的Hc2往往很大，如Nb3Sn的Hc2在液氦温度时约有20T。混合态超导体的整体载流效果与完全超导体一样，电流只沿着没有电阻的超导区流动，有电阻的正常区好象不存在一样。要提高第二类超导体的临界电流密度，就要阻止磁力线的运动。磁场中的洛伦兹力在超导材料中有意识地引进大量晶体缺陷，或有意识地掺一定数量的某种杂质，以增加对磁力线的钉扎能力，大大提高临界电流密度。高Hc和高Ic使第二类超导体具备作为强电材料的基本条件，使超导体作为实际材料使用成为可能。超导合金化合物(Nb3Sn、V3Ga)、氧化物(LaBaCuO、YBaCuO)都属于第二类超导材料。晶体缺陷-面缺陷超导现象的发现与人们对低温世

12、界的探索密切相关，最重要的历史背景就是人类液化气体向绝对零度进军的历程。公元13世纪，我国元朝宫廷食品中出现奶酪冰淇淋，它是一种用冰水、食盐的混合液制取的冷食，标志人类已用人工方法获得零下21的低温。低温世界超导材料的发展1823年，法拉第研究压力和冷却对气体的作用。一个密封的J形弯管，其下部弯曲部分装有结晶氯化物，上部平直部分处于冷却器中。加热氯化物时，放出氯气，管内压力增大，氯气在试管上部冷却段内凝结。他首先获得液态氯，并成功地液化了二氧化碳，获得了零下78的低温。著名科学家法拉第1861年，英国科学家汤姆逊和焦耳发现了焦耳-汤姆逊效应。每种气体相应于一定压强都有一个确定的转换温度：在这温

13、度以下，气体膨胀后变冷；在这温度以上，气体膨胀后变热，这为人们征服“永久气体”指明方向。焦耳汤姆逊1877年，根据焦耳-汤姆逊效应，法国人卡莱特发明可保持数百大气压的空压机，将毛细管增压到300个大气压，然后撤去所加压力，毛细管内气体剧烈膨胀，温度降到零下118.9，实现氧气的液化。1895年，德国人林德和英国人汉普逊利用焦耳-汤姆逊效应开始大规模地生产液氧和液氮，著名的林德机成了低温技术的基本设备。 1877年的气体液化装置林德.C.V1898年，英国物理学家、化学家詹姆斯杜瓦在常压下实现了对空气的液化，获得了20K左右的低温。随后，他又利用减压降温方法，获得大约15K的低温。但在氦的液化这

14、道关卡前，包括杜瓦在内的许多著名科学家都失败了。杜瓦和他的“杜瓦瓶”1908年，昂纳斯成功实现氦气液化，并获得4K左右的低温。1910年，获得1.04K的低温。昂纳斯发现金属越纯，随温度的降低，其电阻就变得越小。在4.3K的温度以下，铂的电阻是一个不变的常数。昂纳斯得出这样的结论：“绝对纯的铂的电阻可能在氦的沸点消失”。昂纳斯的氦气液化实验321911年，昂纳期在论文中提到，“纯汞能够被带到这样一个状态，其电阻为零，或至少觉察不出与零的差异”，他称这种零电阻状态为超导电态，把电阻发生突然变化的温度称为超导临界温度。1913年，由于低温超导的发现以及液氦的制备，昂纳斯获得该年度的诺贝尔物理学奖

15、。汞的电阻变为零这一现象并不让昂纳斯意识到这就是具有划时代意义的超导现象。在发现超导电性以后的22年间，人们一直把超导体和完全导体(或称无阻导体)等同起来。1933年，迈斯纳和奥森弗尔德发现超导体的完全抗磁性效应，人们才认识到，超导体不能被看作只是电阻为零的理想导体，而应被看作同时具有理想导电性和完全抗磁性的新的物态。德国物理学家迈斯纳1931年，德哈斯发现第一种合金超导体，人们开始向高温超导体进军。20世纪60年代，发现了具有高Tc、高Hc和高Ic的合金超导体，如Nb3Sn的Tc达到23.1K。1972年，史莱特等发现铋酸盐BaPbxBil-xO4的超导临界温度达到了13K。1973年，约翰

16、斯通发现金属钛锂的氧化物Ti2-xLixO4的超导临界温度达13.7K。1986年以前只发现了在液氦温区超导的低温超导体，人们希望能找到高Tc的超导体。1986年4月，IBM苏黎世实验室的白诺芝和缪勒在镧钡铜氧La1-xBaxCuO4中现察到高温超导电性，在30K左右时，电阻随温度降低开始加速下降，到10K以下电阻几乎降到0。白诺芝和缪勒（右）1986年，东京大学在LaBaCuO中发现37K以上的抗磁转变和23K以上的零电阻转变温度。贝尔电话电报公司将La1-xBaxCuO4中的掺杂物由Ba改为Sr，Tc提高到38K。临界温度为35K的锎钡铜氧化物陶瓷超导材料1987年，休斯敦大学的朱经武发现

17、在LaBaCuO系样品上加大压力，Tc可达48K以上。朱经武用原子半径较小的稀土原子钇替换原子半径较大的原子镧，在样品中产生内压，获得新的含铜氧化物陶瓷YBaCuO，Tc达到100K。可用廉价安全的液氮(沸点77.3K)作为冷却剂，实现“液氮温区的超导电性”。著名学者朱经武教授1988年，日本发现不含稀土的铜氧化物高温超导体Bi2Sr2CaCu2Oy，其Tc高达110K；Ti2Ba2Ca2Cu3Oz的Tc达到125K，HgBa2Ca2Cu5Oz的Tc达到135K。2001年4月，340米铋系高温超导线在清华大学应用超导研究中心研制成功，2001年5月，北京有色金属研究总院成功制备出国内最大面积

18、的高质量YBaCuO超导薄膜，达到国际同类材料的先进水平。2001年7月，香港科技大学宣布成功开发出全球最细的纳米超导线。Science报道，C60改性后Tc可以提高到117K。目前，我国超导临界温度已提高到零下120摄氏度，即153K左右。1911年，昂纳斯发现超导现象以来，人们对超导物理本质的研究就一直没有停止过。1916年，美国物理学家西尔斯比建立了原来是两个不同物理现象之间的联系，提出假设：电流的临界值就是当电流本身产生的磁场等于临界磁场时的电流值。1924年，荷兰物理学家开色姆第一次把热力学理论应用于超导体，得出常态和超导态的熵差和临界场导数之间的关系，为热力学相变理论应用于超导体奠

19、定基础。超导现象物理本质1928年，美国物理学家布洛赫等人提出金属量子导电理论，这个理论在很多方面都很成功，但不能解释超导现象。布洛赫理论采用自由电子模型，忽略了电子之间及电子与晶格点阵之间的各种相互作用，人们有理由猜测，一定是自由电子模型中所忽略的某种相互作用，恰好是产生超导现象的根源。费利克斯布洛赫1933年，迈斯纳发现抗磁性效应后，人们发现超导材料的零电阻性和完全抗磁性具有可逆性，而且在磁场中超导-正常态的转变过程中有潜热。人们测出潜热的大小，确定这是一种一级相变。超导态实际是常态物质的一种新态(相)，此时材料的结构和晶格振动没有什么变化，没有发生结构相变，这进一步暗示超导相变可能是因为

20、电子的行为所引起的。1934年，戈持和卡西米尔提发现超导态电子的熵几乎全部为零，正常态电子的熵正比于温度，这说明超导态要比正常态更为有序。戈特和卡西米尔提设想，在超导体中有两种流体，更为有序的电子是处于无阻电流的超导电子。二流体模型中电子有序被错误地理解为位置空间的有序，事实上，应是动量空间的有序。尽管二流体模型比较粗糙，但它为以后发展的理论提供了十分有益的启示。1935年，弗里兹.伦敦和海因兹.伦敦兄弟提出了著名的“伦敦方程”，预言了穿透深度的存在。伦敦方程很好地解释超导体的完全导电性和完全抗磁性，屏蔽外磁场的电流仅在穿透层内流动，超导体内部的磁场恒等于零。伦敦方程的物理意义451950年，

21、弗罗里希指出，电子与声子之间的相互作用是产生超导电性的原因，在超导微观机制研究方面迈出了重要一步。与此同时，雷诺兹等人发现了同位素效应，即超导体的临界温度与它的同位素原子量的平方根成反比。由于声子振动的频率也与原子量的平方根成反比，所以同位素效应也暗示了超导体中电子行为和声子之间的密切联系。461951年，古德曼对超导体热导性质进行测量，发现超导体的电子比热以指数形式随温度变化，超导体能隙的量级约为万分之一电子伏，远小于金属的费米能EF(1电子伏)。一个电子从常态转变到超导态，其能量降低到它原有能量的万分之一，正好与声子的能量相当。为将声子与超导现象联系起来，人们想到了电子之间的相互作用。19

22、56年，库珀研究表明，当两个电子有净的相互吸引作用时，不论吸引作用多弱，它们都能形成能量较低的束缚态。处于束缚态的自旋相反的电子对通常被人们称为库珀电子对，当这种电子对的总动量为零时束缚得最紧。库珀对中两个电子的动量大小相同，方向相反，每个电子对的总动量是零。物理学家库珀Leon N. Cooper, Bound Electron Pairs in a Degenerate Fermi Gas, Phys. Rev. 104, 1189 (1956).临界温度时，费米面附近的电子全部凝聚成库珀对，以降低总能量。大量库珀对的出现意味着超导态的形成。温度升高，越来越多的电子被热运动激发，库珀电子对

23、越来越少，到临界温度以上时，不再有库珀对，全部电子都被激发，样品转为正常态。库柏预期，费米面上这种电子对的集合将显示超导态的许多平衡性质，这正是人们期待已久的超导态微观物理本质。1957年，巴丁、库珀和施瑞弗发表超导电性的微观理论，从微观上成功解释了超导电性的起源和超导体的许多性质，即著名的超导“BCS理论”。巴丁（左），库珀，施瑞弗（右）Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer, Microscopic Theory of Superconductivity, Phys. Rev. 106, 162 (1957).BCS理论要点：两个电子组成凝聚

24、电子对后，其中一个电子即使受到晶格振动或杂质碰撞的阻碍，电子对中的另一个电子也能起到调节作用，即另一个电子获得的能量和动量与第一个电子损失的能量和动量相同，电子对通路不受影响，这就是电子对产生超导的缘由。电子A电子B（声子）电子和声子之间的相互作用在超导态下，组成库珀对的电子虽然也不断地被散射，但这种散射不影响库珀对的质心动量，电子对的能量没有损失，是无阻尼散射。电流通过超导体时，库珀对的定向匀速运动不受阻碍，也就没有电阻。和正常导体中电子不同，超导电子受到散射的同时又吸收了同样的能量和动量，它们没有损失什么，不需要电场力做功来补充，所以没有电阻。超导材料的应用超导材料在能源工业中的应用地球上

25、的矿物能源最多再用几百年就枯竭。太阳能由于转换效率较低，不能作为最主要的能源。原子能一定程度上缓解了能源危机，但原子能是通过铀的核裂变产生，而铀资源是很有限的，且放射性物质的后处理是个很棘手的问题。能量获取太阳能原子能彻底解决能源问题的希望寄托在受控热核反应核聚变上。核聚变与太阳发热原理相同,两个氢核聚变所放出的能量比原子间进行化学反应要大数百万倍，甚至比重核裂变释放的能量还要高出好几倍。热核聚变热核反应的基本原料是氘和氚。聚变能源能量高：1千克氘的能量相当于4千克铀，或6600吨汽油，或约1万吨煤的能量；聚变能源是最经济的能源：1千克氘为几万元，1万吨煤要数百万元，汽油更贵。聚变能源是最清洁

26、的能源：受控热核反应后产生的惰性气体氦对大气没有任何污染。聚变能源几乎取之不尽、用之不竭：1升海水中有30毫克氘(相当于燃烧300公升的汽油)，地球上约有1.371018m3海水，约有41013吨氘，可为地球提供百亿年的能源。人类已实现热核聚变反应-氢弹的爆炸，通过原子弹点火，在火球中央产生几百万度到一亿度高温，在火球还未扩散的瞬间产生巨大压力(相当于2500亿个大气压，核心区气体被极度压缩至水密度150倍)，使热核燃料产生热核反应。但它是不可控的，无法和平利用。热核聚变氢弹爆炸要使热核反应在某种装置内进行，如此高温的等离子体不可能用任何实际的固体容器来盛放。人们用磁场来约束等离子体，把等离子

27、体放在特殊的看不见的“磁瓶”里。磁场愈强，粒子的螺旋轨道愈紧紧地缠住磁力线，好像磁力线牢牢束缚着运动的带电粒子。中国的受控热核装置（EAST）一个200兆瓦的受控热核反应电站，储能21011焦。这样的磁场用常规磁体来实现，磁体直径可达数千米，生产的全部电能基本只够维持系统的电力消耗，而且结构复杂，电磁和机械应力巨大。如果用超导磁体，磁体系统直径仅为几十米，而且磁体自身能耗极小。中国科学院合肥等离子体物理研究所超导托卡马克(受控热核装置)HT-7巨大的电感线圈 1991年10月，日本原子能研究所和东芝公司利用铌和锡的化合物超导材料，共同研制成核聚变堆用的新型超导线圈。该研究所把这个线圈大型化后提

28、供给国际热核聚变堆使用，线圈电流密度达到40A/mm2，当时处于世界最高水准。超导托卡马克的超导磁系统60超导材料在电机中的应用可给电机带来巨大变革：超导磁场绕组具有极大的载流能力，能产生强磁场却几乎不存在励磁损耗，电机机械损耗减少1/3，总损耗降低1/2，效率可达99.5。超导发电机转子外径为常规发电机的0.8，长度为0.4-0.6，整机重量为l/3-1/2。超导发电机气隙磁密由常规发电机的0.8T提高到4T-5T，极限容量可提高到107千瓦以上。超导发电机能量运输导线电阻使一部分电能在输送中转变为热能，存在严重的电能损耗。输送1000万千瓦的电力，损失相当于一座100万千瓦发电站的发电量。

29、超导电缆具有零电阻特性，几乎可无损耗地输送电能。使用高温超导电缆比常规电线的总成本低15。美国South wire 公司、橡树岭国家试验室、美国能源部等联合开发的三根1.25kA，12.6kV，30m 长的高温超导电缆已于2001 年在电网试运行超导电缆2004年3月，云南昆明普吉变电站完成三相交流33.5米/35kV/2kA超导电缆系统的现场安装，挂网试运行成功，标志着继美国、丹麦之后，我国成为世界上第三个将超导电缆投入电网运行的国家。电缆形式三相分相、交流电力电缆长度33.5m（不包括终端）额定电压35kV额定电流2000A本体导体交流损耗(不含终端)0.75W/kA.m at 77K本体

30、热损耗(不含终端)1.5W/m终端电流头运行温差70330K运行海拔1900m电绝缘类型常温绝缘交联聚乙烯导体层数4冷却方式液氮循环制冷系统制冷能力2250W at 75K液氮进口温度7072K 液氮出口温度7476 K电缆外径112mm电缆弯曲最小直径3.0m 已安装调试的超导电缆系统 能量储存电力的储存比较困难，目前主要有三种方法：水泵水电储存储存大容量的高压气体利用大型蓄电池、电容器储能超导环形封闭线圈中流过巨大的零电阻永久电流，可无损耗地储存巨大的电能，理论测算回收电能效率可达90。超导储能装置利用超导材料的完全抗磁性，可实现飞轮储能，用富裕电能把多个巨型飞轮高速转动起来，变成动能，需

31、要时则把飞轮动能恢复为电能。常态下，由于支撑飞轮的轴承处以及飞轮和空气之间存在摩擦，转轮会逐渐失去它的动能，转化为热能。如果用超导材料制成轴承，利用抗磁性使飞轮悬浮在空中，不存在轴承摩擦；将飞轮密封于真空中，可克服空气摩擦阻力，得到几乎没有损耗的储能飞轮。超导材料在交通运输中的应用列车上安装强大的超导磁体，地上的轨道是优质的永磁体。当车辆行进在轨道上方时，车上的超导磁体排斥地上的永久磁体，两者斥力将车子悬浮起来离开轨道。车辆在电机牵引下无轨道摩擦地前进，时速高达500公里。超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车日本进行了载人超导磁悬浮列车的运行试验，时速均达500千米/小时以上。实测表明，能耗只有880

32、千焦/千米，不到民航喷气式飞机能耗的一半，而速度却几乎与飞机一样快，也比飞机的载重量大，且更为安全。日本的磁悬浮列车我国于2001年研制成功常导磁悬浮客车。采用电磁吸力将车辆悬浮，与轨道间距离始终保持在8-10毫米之间；轮轨与车体之间没有摩擦，车辆远行时具有平稳舒适、低噪声等优点。上海浦东磁悬浮列车时速可达423km/h，是吉尼斯世界纪录认证的“现今世界最快的陆上交通工具”。上海浦东的磁悬浮列车干净舒适的车内环境 上海磁悬浮是中国第一条投入运行的磁悬浮铁路，全长29863公里，设计时速和运行时速分别为505公里和430公里；由中国与德国合作，2002年12月31日，中国总理朱鎔基和德国总理施罗

33、德成为上海磁悬浮的第一批乘客体会首次试运行。当时采用的是已通过安全认证的比较简单的单线折返运行方式。我国载人超导磁悬浮列车“世纪星号”也于2001年研究成功。世纪星号超导磁悬浮列车西南交通大学研制的超导磁悬浮列车在青城山运行的磁悬浮列车上海浦东的磁悬浮列车2011年2月28日，中国首条中低速磁浮交通线在北京开工，这是中国第一条拥有自主知识产权的磁浮交通线和世界第二条中低速磁浮运营线。中科院电工所的检测表明，直流磁场强度小于正常看电视时对人体的影响，交流磁场强度小于使用电剃须刀时对人体的影响。 其它高速列车-无砟轨道列车“砟”是小块的石头。常规铁路都在小块石头的基础上，再铺设枕木或混凝土轨枕，最

34、后铺设钢轨，这种线路不适于列车高速行驶。无砟轨枕本身是混凝土浇灌而成，路基也不用碎石，铁轨、轨枕直接铺在混凝土路上。无砟轨道无砟轨道是当今世界先进的轨道技术，可减少维护、降低粉尘、美化环境，列车时速可达200公里以上。“成灌高铁” (中西部铁路建设中首次运用无砟技术)于2009年5月12日正式投入运营，时速可达218公里，从成都至青城山景区不超过40分钟。建设中的京沪高铁、京石高铁、石武高铁、广深港高铁、京沈高铁、哈大高铁均采用无砟轨道技术。2010年9月28日，沪杭高铁试运行，运行时速高达416.6公里。无砟轨道和无缝钢轨联结，再加上新一代高速动车组国产“和谐号” CRH380A，共同创造出

35、世界铁路运营试验最高时速记录。沪杭高铁2010年12月3日，在京沪高铁枣庄至蚌埠间进行的先导段联调联试和综合试验中，CRH380A高速动车组最高运行时速达到486.1公里，这是继9月28日沪杭高铁试运行创下时速416.6公里之后，中国高铁再次刷新世界铁路运营试验最高速度。 京沪高铁76西南交通大学牵引动力国家重点实验室正在研制时速为600-1000公里的真空高速列车。真空管道高速交通是建造与外部空气隔绝的管道，由于没有空气摩擦的阻碍，在其中运行的列车将运行至高速；管道是密封的，可在海底及气候恶劣地区运行，不受任何影响。 北京到广州2300公里路程，地面交通工具2个半小时就可以到达。真空高速列车

36、真空高速列车真空管道磁悬浮列车是一种最低时速4000公里、能耗不到民航客机1/10、噪音、废气污染及事故率接近于零的新型交通工具。根据理论研究，真空磁悬浮列车最高时速可达22500公里/小时，华盛顿至北京仅需2小时。真空磁悬浮列车构想图1992年1月27日，由日本船舶和海洋基金会建造的第一艘超导船“大和”1号，在日本神户下水试航。船上的超导磁体产生强磁场。电流和磁场产生洛伦兹力，将大量海水推进，通过反作用力，水流将船只推进；改变磁场方向，船只运动方向也可改变。超导船推进机构不是螺旋桨，效率可达90%，理论时速最高可达180km/h。目前尚未进入实用化阶段，但这种船舶有可能引发船舶工业爆发一次革

37、命，就像当年富尔顿发明轮船取代帆船那样。超导船“大和”1号超导船超导材料在生物医学中的应用原子核自旋使自身具有磁矩,在外加交变磁场作用下，原子核的磁矩平行于磁场方向排列。在高频磁场作用下，原子核具有特定频率，两者发生共振现象，原子核剧烈吸收外加交变磁场能量，这种现象称为核磁共振。人们可以弄清在物质内部有无某种原子核存在、数量以及位置。核磁共振人头颅核磁共振成像目前检测主要对象是氢原子核。氢是构成水的元素，而人体中的水占70，只要人体稍有异常就能够查出。癌细胞与正常细胞的共振方式不同，表现为癌细胞中氢原子核的弛豫时间比正常细胞要长一些。因此，通过NMR可以准确判定癌细胞是否存在。核磁共振仪正常磁

38、体的中心磁场只有0.3T的数量级，仅能与氢原子核产生共振。超导磁体的中心磁场很容易达到1.5-2T，氢原子核共振情况更易测定，得到的图像更清晰，提高诊断的可靠性。除氢共振外，还可获得P、Na等元素的共振信号，提高核磁共振成像的使用价值。核磁共振仪生物磁源成像神经细胞、心脏、脑、肺等具有非常微弱的磁性。如果能将这样微弱的磁性测量出来，就可以把磁场的运动情况测量出来，组织的活动情况也就能测量出来。人们把这样测出的某个生物组织的磁场图像叫生物磁源成像。生物磁信号极其微弱，约10-10T-10-12T。用超导量子干涉现象所制成的磁强计SQUID，可探测10-15T的磁场变化。SQUID可测定生命体的磁

39、搏动；检测人体受到刺激后大脑活动发出的微弱磁性，检测出大脑如何做出反应，形成脑磁图。此外，还可进行心磁、肺磁，肌磁、眼磁及血液磁化率等的研究。无接触测量，没有人体状况等的影响，结果十分准确。超导量子干涉仪脑磁研究应用于治疗精神分裂、脑创伤、手术前的神经功能定位以及一些其他特殊疾病。心磁测量能比较可靠地诊断心血管疾病的早期征兆，提供心脏病情的程度。心磁图仪脑磁图仪人的大脑、神经系统与眼、耳这些感觉器官之间的相互作用，还有许多未解之谜。若能制造出更高水平的SQUID装置，就能追踪微妙的大脑活动，察觉大脑的思考程序，得知人的思维，制造出真正意义上的智力机器人。人的脑磁图超导材料在国防军事中的应用激光

40、武器需要瞬间提供数十亿到百亿焦耳的能量。超导闭合线圈是理想的储能装置，电流密度可达104A/cm2以上，可在瞬间提供巨大能量。超导线圈重量轻、体积小、功率放大倍数高，可在持久电流状态下工作，使武器长期处于戒备状态。超导激光武器美国和以色列研制的激光武器超导电磁炮常规火炮的弹丸初速受到各种因素的限制。澳大利亚科学家从实验上证明用电磁力可把较重的弹丸推进到高速的可能性。利用超导体十分容易地将这种可能变为现实，制造出威力巨大的电磁炮。电磁炮原理图美军研制的电磁炮示意图电磁炮中的贮电装置采用液氦冷却的超导金属，可以无限贮存电能，通过开关控制就能使积存的电能驱动炮，高速射出弹头。相比常规火炮，电磁炮的电

41、磁推力比一般火药推力大一个数量级，视弹丸质量大小可将其加速到每秒几千米到几十千米。美海军电磁炮发射瞬间，这门电磁炮以1068万焦耳的能量发射了一枚铝弹，铝弹以7马赫的速度飞出电磁炮的轨道，飞行4分钟后击中目标。 2010年12月，美海军宣布成功试射电磁炮，炮弹速度达到5倍音速，射程达到110海里，这意味着美国原理样炮的试验已经接近完成，下一步即将进入工程样炮的研制阶段。美军电磁炮试射现场陆军：电磁炮可用作自行火炮。即使为避免大气烧蚀，弹丸用4km/s的速度，也是常规火炮的2-3倍。若用电磁炮把穿甲弹的速度提高到3km/s，则坦克的进攻能力将提高4倍。电磁炮是对付坦克装甲的有效手段。发射质量为5

42、0克、速度3km/s的炮弹，可穿透25.4mm厚的装甲。陆战坦克89式120mm自行反坦克炮海军：小口径速射火炮很难对付新一代的超声速反舰导弹的攻击。用高射速电磁炮进行防空和拦截导弹，可极大增加防卫半径和杀伤概率。美军认为可用电磁炮代替高射武器和防空导弹遂行防空任务。美国正在研制发射速度为500发/分、射程达几十千米的电磁炮，准备替代舰上的“火神方阵防空系统”用它不仅能打击临空的各种飞机，还能在远距离拦截空对舰导弹。反舰导弹空军：采用电磁发射装置，可形成一种全新的野战机场和短程起降方式。此外，小体积的电磁炮完全可作为机载武器使用。战略防御：作为拦截中程、潜射和洲际战略导弹的武器，超导电磁炮能发

43、挥更大的威力。同时，它还可用来攻击敌方的卫星和空间站。战略导弹的发射机载武器超导舰艇螺旋桨推进器产生涡旋，军舰难以实现高速航行；同时，电动机、螺旋桨等旋转部分产生振动和噪音，容易被发现；高速转动部件受到轴承摩擦限制，转速无法进一步提高。利用超导强磁性可设计出各种结构的无摩擦超导轴承，大幅提高部件转速，使军舰实现高速化。高速军舰核潜艇SQUID还可用来测定地下未爆炸的军用物品或有害废弃物，寻找地下的或水下的隐蔽军事设施。这些目标可能深埋于地(水)下，但却都能在地上显示出磁异常。美国海军已经开发出可以移动的高温超导重力仪来探测某些目标。仅在美国，就已查出大约900个陆下的和海中废弃的作战装置。超导侦察超导材料在其它方面